CN111323274A - 污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统与方法，包括采样腔、设置在采样腔上部的采样罩、设置在采样罩内的被动采样装置、卡槽、支撑立杆以及固定线，采样腔顶部设置有用于固定被动采样装置和气象参数集成探头的固定孔、采样腔底部设置有镂空，采样腔内壁上部设置有固定器，支撑立杆底部设置在待测场地内；卡槽与支撑立杆之间通过固定线连接。被动采样装置吸附速率低，能够有效减少“饥饿效应”导致的吸附结果偏低，同时分段填充不同种吸附材料，增大吸附污染物范围，减少遗漏部分污染物造成的低估场地实际健康风险的可能，含PDMS膜采样帽能降低水汽对吸附材料的竞争吸附。

Description

污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统与方法
技术领域
本发明涉及污染场地调查与风险管控技术领域，特别是污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统与方法。
背景技术
随着我国城市化进程的快速发展，大量位于城市中心的工业企业停产、搬迁，从而遗留下来许多含VOCs污染场地。污染土壤和地下水中VOCs挥发迁移至地表与室外空气混合，会对直接暴露于该环境下的人群造成健康危害。因此，开展室外空气中VOCs的定期监测，掌握人群直接暴露接触下VOCs浓度，对评估人体健康风险至关重要。
室外空气VOCs的采样主要有两种方式，如采用抽气泵抽提或苏码罐负压收集为主的主动式采样技术以及基于分子扩散机理、通过吸附剂吸附的被动式采样方式。由于被动采样无需动力、便携、结构简易、操作简单、成本低、可采集时间加权平均浓度，越来越受到环境监测领域的关注。
然而，污染土壤和地下水中挥发至室外空气的VOCs往往组分复杂，现有的环境空气被动采样中吸附剂吸附的污染物种类相对单一，往往导致遗漏部分污染物，低估场地对人体健康的实际风险，因此研发吸附污染物范围广的被动采样器显得至关重要。同样，目前对人体健康风险的评估主要基于污染物浓度，被动采样监测的污染物质量数据转化为浓度数据需要结合采样器的吸附速率(UR)与采样时间(t)。吸附速率过大导致的“饥饿效应”会降低吸附剂对目标污染物的吸附，因此，低吸附速率、长采样时间的被动采样能够更加准确的代表一段时间内的加权平均浓度，可更好的表征受体在环境中的暴露浓度。与此同时，吸附速率不仅受到采样器自身结构特点的影响，同样会受到相对湿度、温度、风速等气象条件的影响，一方面需要应用气象条件校准的吸附速率能够更准确的反映污染物的暴露浓度，同时，采样器中应通过设置相应的部件，防治采样过程期间空气中的水汽进入被动采样装置(8)与吸附剂发生反应，导致测试结果失真。
发明内容
本发明的目的是提供污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统与方法，要解决现阶段污染场地室外空气暴露浓度检测手段复杂、仪器成本高、使用不便、测量数值精度低、容易受到气象条件限制等技术问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：本发明一方面提供污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，包括柱状采样腔5、设置在采样腔5上部的采样罩1、设置在采样罩1内的被动采样装置8、气象参数集成探头10、设置在采样腔5外侧面的卡槽3、支撑立杆以及固定线4，采样罩1上开设有通气孔2；采样腔5顶部设置有用于固定被动采样装置8和气象参数集成探头10的固定孔7、采样腔5底部设置有镂空，采样腔5内壁上部设置有固定器6，支撑立杆底部设置在待测场地内；卡槽3与支撑立杆之间通过固定线4连接。
进一步，采样罩1采用防水材料；采样罩1与采样腔5之间螺纹连接。
进一步，采样罩1采用UPVC或者不锈钢。
进一步，采样腔5与卡槽3之间焊接固定。
进一步，还包括被动采样装置平行样9。
进一步，固定孔7至少有3个。
进一步，被动采样装置8包括柱型吸附管采样器、填充在柱型吸附管采样器内的吸附填料以及设置在柱型吸附管采样器两端头位置的采样帽17或黄铜帽11；
柱型吸附管采样器包括管身本体和敷设在管身本体外侧面的惰性涂层12，吸附填料填充设置在管身本体内部；
吸附填料由进气口至出气口依次为吸附材料A13、吸附材料B14和吸附材料C15，吸附材料A13与吸附材料B14之间、吸附材料B14与吸附材料C15之间分别设置有石英珠16。
进一步，吸附材料A13的吸附性＜吸附材料B14的吸附性＜吸附材料C15的吸附性。
进一步，柱型吸附管采样器的直径为6.35mm，长度为89mm。
进一步，吸附填料长度为44mm。距离进气口20mm。
进一步，采样帽17采用铜帽，铜帽内设置有螺纹，铜帽与柱型吸附管采样器端头螺纹连接。
进一步，采样帽17内设置有PDMS膜垫片18。
本发明另一方面提供上述污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统进行检测的方法，具体包括如下步骤：
步骤一，采用活化仪将被动采样装置8活化；
步骤二，将被动采样装置8安装于所测环境中采样，并记录采样时间，启动气象参数监测系统；
步骤三，使用气相色谱-质谱联用仪测试被动采样器采集的VOCs质量；
步骤四，使用浓度计算公式及气象参数校准公式计算污染场地室外空气中VOC浓度。
本发明的有益效果体现在：
1，本发明提供的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统与方法，被动采样装置吸附速率低，能够有效减少“饥饿效应”导致的吸附结果偏低，同时分段填充不同种吸附材料，增大吸附污染物范围，减少遗漏部分污染物造成的低估场地实际健康风险的可能。
2，通常被动采样装置的吸附速率不仅受到采样器自身结构特点的影响，同样会受到相对湿度、温度、风速等气象条件的影响，本发明提供的污染场地室外空气暴露浓度的低速率定量化被动监测系统能够使用气象条件(温度、湿度和风速)对被动采样装置的吸附速率进行校准，能够更准确的表征室外空气中污染物的暴露浓度。同时，采样过程中，被动采样装置一端安装采样帽，能够有效防止采样期间室外空气中的水汽进入被动采样装置与吸附剂发生竞争吸附，确保监测结果的准确性。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书中所特别指出的方案来实现和获得。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为采样装置示意图；
图2为采样装置剖面图；
图3为采样罩俯视图；
图4为采样腔顶部示意图；
图5为运输存储阶段柱型吸附管采样器示意图；
图6为采样阶段柱型吸附管采样器示意图；
图7为采样帽俯视图；
图8为采样帽立体图；
图9为本发明污染场地空气暴露浓度的低速率定量化被动监测系统示意图；
图10为挥发性污染物气相色谱/质谱图。
附图标记：1-采样罩、2-通气孔、3-卡槽、4-固定线、5-采样腔、6-固定器、7-固定孔、8-被动采样装置、9-平行样、10-气象参数集成探头、11-黄铜帽、12-惰性涂层、13-吸附材料A、14-吸附材料B、15-吸附材料C、16-石英珠、17-采样帽、18-PDMS膜垫片。
具体实施方式
以下通过实施例来详细说明本发明的技术方案，以下的实施例仅仅是示例性的，仅能用来解释和说明本发明的技术方案，而不能解释为对本发明技术方案的限制。
实施例
如图1、3、4所示，本发明的一方面提供污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，包括柱状采样腔5、设置在采样腔5上部的采样罩1、设置在采样罩1内的被动采样装置8、气象参数集成探头10、设置在采样腔5外侧面的卡槽3、支撑立杆以及固定线4，采样罩1上开设有通气孔2；采样腔5顶部设置有用于固定被动采样装置8和气象参数集成探头10的固定孔7、采样腔5底部设置有镂空，采样腔5内壁上部设置有固定器6，支撑立杆底部设置在待测场地内。还包括被动采样装置平行样9。
按一定比例(如10％)采集现场平行样9是现场质量控制的重要手段。如图2所示，在需要采集现场平行样的点位，同时安装被动采样装置8和平行样9，在不需要采集现场平行样的点位只需安装被动采样装置8。
如图9所示，具体的，卡槽3与支撑立杆之间通过固定线4连接，固定线4穿过卡槽3，用于将被动采样系统固定在指定监测点的支撑杆上。
其中，采样罩1具有供气体通过的通气孔；所述采样罩1为柱型，其截面可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形等。采样罩1为防水材质，可以使用UPVC或者不锈钢等材质。
如图5-8所示，被动采样装置8包括柱型吸附管采样器、填充在柱型吸附管采样器内的吸附填料以及设置在柱型吸附管采样器两端头位置的采样帽17或黄铜帽11；柱型吸附管采样器的直径为6.35mm，长度为89mm。吸附填料长度为44mm。距离进气口20mm。
其中，运输存储阶段柱型吸附管采样器两端使用内置螺纹的黄铜帽11密封；采样阶段，柱型吸附管采样器垂直放置在固定孔7，进气口朝下且使用内置PDMS膜垫片18的采样帽17密封，出气口使用黄铜帽11密封。
吸附填料自进气口至出气口依次为吸附材料A13、吸附材料B14和吸附材料C15，吸附材料A13、吸附材料B14和吸附材料C15之间设置有石英珠16，石英珠16用于隔断不同的吸附材料。吸附填料用于吸附挥发性有机物，采用热脱附的方式解吸，常见的吸附剂有TenaxTA,Chromosorb 106,Carbopack B,Carbograph 1TD,Anasorb GCB1,Carbograph4TD,Carbopack X,Carbograph 5TD和Carboxen 1016等。吸附材料的吸附性能强弱依次为A＜B＜C，采样过程中气体流经顺序为A、B、C，热脱附过程中气体流经顺序为C、B、A。
使用上述污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统进行检测的方法，具体包括如下步骤：
步骤一，采用美国MARKS TC-20活化仪活化被动采样装置8，活化温度330℃，活化时间8min，活化结束后使用黄铜帽11将被动采样装置8两端拧紧密封，防止污染。
步骤二，使用采样帽17替换进气口的黄铜帽11，将被动采样装置8和气象参数集成探头10分别固定在固定器6和固定孔7上，将采样罩1盖在采样腔5上，通过固定线4穿过卡槽3，将污染场地空气暴露浓度的低速率定量化被动监测系统固定在监测点的支撑立杆上，放置时间约14天，记录采样时间，启动气象参数参数监测系统，记录温度、湿度、风速等气象参数。步骤三，取出被动采样装置8，将进气口采样帽17取下，用黄铜帽11拧紧密封，低温运输至实验室。使用配有热解析-自动进样系统的气相色谱谱-质谱联用仪测试被动采样器采集的VOCs质量；定量测量环境空气中VOCs含量的分析测试方法；各实验仪器工作条件如表1。
表1各实验阶段参数条件
Figure BDA0002428505920000061
参见图10所示。
步骤四，使用浓度计算公式及气象参数校准公式计算污染场地室外空气中VOC浓度含量。
利用公式1计算环境空气室外空气VOCs浓度：
Figure BDA0002428505920000071
在上述公式1中：
C为环境空气VOCs浓度，mg/m3；
m为被动采样装置8吸附的VOCs质量，mg；
t为采样时间,min；
UR为被动采样装置8对特定VOCs的吸附速率，ml/min。
根据不同气象条件下不同吸附材料对污染物的吸附速率测试建立气象参数校准公式，参见下表2所示。
表2UR校准公式汇总
Figure BDA0002428505920000072
Figure BDA0002428505920000081
备注：T为温度；RH为相对湿度；WS为风速。所述被动采样装置(8)的吸附材料为Chromosorb 106。
本发明提供的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统与方法，能够使用气象条件对被动采样装置8的吸附速率进行校准，能够更准确的表征室外空气中污染物的暴露浓度。同时，被动采样装置8一端安装采样帽17，能够有效防止采样期间室外空气中的水汽进入被动采样装置8与吸附剂发生反应，确保监测结果的准确性。
以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于：包括柱状采样腔(5)、设置在采样腔(5)上部的采样罩(1)、设置在采样罩(1)内的被动采样装置(8)、气象参数集成探头(10)、设置在采样腔(5)外侧面的卡槽(3)、支撑立杆以及固定线(4)，采样罩(1)上开设有通气孔(2)；采样腔(5)顶部设置有用于固定被动采样装置(8)和气象参数集成探头(10)的固定孔(7)、采样腔(5)底部设置有镂空，采样腔(5)内壁上部设置有固定器(6)，支撑立杆底部设置在待测场地内；卡槽(3)与支撑立杆之间通过固定线(4)连接。
2.如权利要求1所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，采样罩(1)采用防水材料；采样罩(1)与采样腔(5)之间螺纹连接。
3.如权利要求1所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，固定孔(7)至少有3个。
4.如权利要求1所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，被动采样装置(8)包括柱型吸附管采样器、填充在柱型吸附管采样器内的吸附填料以及设置在柱型吸附管采样器两端头位置的采样帽(17)或黄铜帽(11)；
柱型吸附管采样器包括管身本体和敷设在管身本体外侧面的惰性涂层(12)，吸附填料填充设置在管身本体内部；
吸附填料由进气口至出气口依次为吸附材料A(13)、吸附材料B(14)和吸附材料C(15)，吸附材料A(13)与吸附材料B(14)之间、吸附材料B(14)与吸附材料C(15)之间分别设置有石英珠(16)。
5.如权利要求4所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，吸附材料A(13)的吸附性＜吸附材料B(14)的吸附性＜吸附材料C(15)的吸附性。
6.如权利要求4所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，柱型吸附管采样器的直径为6.35mm，长度为89mm。
7.如权利要求4所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，吸附填料长度为44mm。
8.如权利要求4所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，采样帽(17)采用铜帽，铜帽内设置有螺纹，铜帽与柱型吸附管采样器端头螺纹连接。
9.如权利要求4所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统，其特征在于，采样帽(17)内设置有PDMS膜垫片(18)。
10.使用如权利要求1-9任一项所述的污染场地空气暴露浓度低速率定量被动监测系统进行检测的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤一，采用活化仪将被动采样装置(8)活化；
步骤二，将被动采样装置(8)安装于所测环境中采样，并记录采样时间，启动气象参数监测系统；
步骤三，使用气相色谱-质谱联用仪测试被动采样器采集的VOCs质量；
步骤四，使用浓度计算公式及气象参数校准公式计算污染场地室外空气中VOC浓度。
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