CN112129591A - 一种土壤气VOCs被动采集装置及土壤气VOCs采集检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种土壤气VOCs被动采集装置及土壤气VOCs采集检测方法。盒体上表面设有若干与盒体内腔相通的通气孔，在盒体的上表面覆盖一层ePTFE微孔膜，尼龙网将盒体和ePTFE微孔膜包裹在内；在盒体的侧壁上设有两个导气孔，每个导气孔分别密封连接一根导气管道，两根导气管道共同连接到三通阀Ⅰ上，输气管道与三通阀Ⅰ连接。本发明可实现土壤气中VOCs的采集与原位实时监控，能够避免土壤结构被破坏、增加VOCs的单次采集量，并且具有连续采集功能，以及更加真实地反映出土壤中的VOCs的实时浓度变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种土壤气中VOCs的被动采集装置及其采集方法，特别涉及一种针对不同深度土壤、避免土壤结构破坏、长期且连续的土壤气中VOCs采集及监测技术。属于污染场地调查技术领域。
背景技术
近年来，土壤污染问题愈发严重。挥发性有机物(Volatile organic compounds,VOCs)作为土壤主要污染物之一，具有毒性、刺激性和光化学反应活性，引起了国家的高度重视。土壤中VOCs的主要来源有:石油资源的勘测与开发，储存与运输环节的泄露；石油化工生产、加油站等地段的石油管道外渗；含油污水的排放等。大多数VOCs具有刺激性气味或臭味，可引起人们感官上的不愉快，严重降低人们的生活质量。同时，一些污染气体会扩散进入土壤，含有毒有害物质的土壤气向外扩散，从而对人体健康产生影响。
目前，土壤中VOCs对人体健康的影响已不大采用基于其在土壤或地下水中的浓度进行评定，而更倾向基于土壤气中VOCs实测浓度进行评定。国内外对于土壤气采集研究方法较多，但是存在两个问题。一方面，研究对象大部分是无机物，如氦、汞、氢气、氧气、二氧化碳等，对于土壤气中有机污染物研究较少。另一方面，现有的土壤气采集方法几乎都是主动法。主动的土壤气采集技术主要包括真空苏玛罐和泵吸附管，其操作繁琐、成本高、易受多种因素影响、只能采集短时间的浓度。同时，对于黏土等地渗透性为主的场地以及含水量高的场地，现有的主动式土壤气采样方法并不适用。
发明内容
在现有处理技术的基础上，本发明对涉及的材料、工艺、设备进行创新，提供一种针对土壤气中VOCs的被动采集装置及其采集检测方法。该装置及方法应用在土壤气中VOCs的采集与原位实时监控，能够避免土壤结构被破坏、增加VOCs的单次采集量，并且具有连续采集功能，以及更加真实地反映出土壤中的VOCs的实时浓度变化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种土壤气VOCs被动采集装置，盒体上表面设有若干与盒体内腔相通的通气孔，在盒体的上表面覆盖一层ePTFE微孔膜，尼龙网将盒体和ePTFE微孔膜包裹在内；在盒体的侧壁上设有两个导气孔，每个导气孔分别密封连接一根导气管道，两根导气管道共同连接到三通阀Ⅰ上，输气管道与三通阀Ⅰ连接。
进一步的，上述的一种土壤气VOCs被动采集装置，设有三通阀Ⅱ、单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ；输气管道一端与三通阀Ⅰ连接后，另一端依次连接三通阀Ⅱ和单向阀Ⅰ；采气管道一端依次连接单向阀Ⅱ和三通阀Ⅱ。
进一步的，上述的一种土壤气VOCs被动采集装置，设有环形固定架，环形固定架将盒体、ePTFE微孔膜和尼龙网固定在内。
进一步的，上述的一种土壤气VOCs被动采集装置，所述固定架为木架或金属片。
进一步的，上述的一种土壤气VOCs被动采集装置，通气孔的孔径为4～6mm。
土壤气VOCs采集检测方法，利用土壤气VOCs被动采集装置，包括以下步骤：
1)在土壤的同一个截面挖掘若干个深度递增的取样口，在每个取样口内分别放置土壤气VOCs被动采集装置；土壤气VOCs被动采集装置的通气孔与取样口侧壁的土壤相对应；
2)放置好土壤气VOCs被动采集装置后，在土壤气VOCs被动采集装置外围用木桩或不锈钢网围绕保护，然后用土壤将挖掘的取样口填满，恢复土壤层结构，等待30-35天；
3)在采集土壤气VOCs时，将待测量深度对应的土壤气VOCs被动采集装置通过输气管道与VOCs测量仪连接，打开对应的土壤气VOCs被动采集装置的三通阀Ⅰ，1分钟后进行气体采集，VOCs测量仪运行5分钟后，进行测量，采集土壤气VOCs的数据并记录；该深度测量后，将VOCs测量仪停止至少30分钟，排空VOCs测量仪内的气体，进行下一深度的土壤气VOCs采集和测量。
进一步的，上述土壤气VOCs采集检测方法，步骤3)中，每一待测量深度的土壤气VOCs测量数据至少采集5组。
本发明的有益效果是：
1、本发明，增加了单次采集量：土壤气VOCs被动采样装置采用体积大于400ml的盒体，克服了其它采样方法取样体积小这一缺点，能够获得足够多的VOCs，大幅度减少由于快速采样所带来的VOCs被动采集装置负压。
2、本发明，防水透气、适用于高含水量的土壤：土壤气VOCs被动采样装置中使用的ePTFE(膨体聚四氟乙烯)微孔膜是一种防水透气的选择通透性微孔膜，膜表面每平方寸有90多亿个微孔，微孔直径远比水珠小10000倍以上，即使最小的水珠(轻雾)也不能通过薄膜，但却有很高的气体通透效率，克服了其它采集装置渗水漏气这一缺点，因此能够适用于高含水量的土壤，并且该膜具有极高的化学稳定性，很宽的温度适用范围，因此适用于恶劣的土壤性质。
3、本发明，可实现连续采集：土壤气VOCs被动采样装置通过管线延伸到地上，取样极为方便，通过控制阀门就可以达到连续采集的功能。
4、本发明，可避免土壤结构破坏：土壤气VOCs被动采样装置的通气孔与取样口处土壤侧面相对应，采集气体一侧的土壤结构没有被破坏，能够真实地反映土壤气中VOCs的真实状况。
5、本发明，养护成本低；本发明的土壤气VOCs被动采样装置经实践可正常运转一年的周期，并且所用材料价格低廉。
6、本发明，可实现原位实时监测：将土壤气VOCs被动采样装置通过导气管道和输气管道与地面上的VOCs测量仪相连接，可以实现原位实时监测，真实地反应出土壤中的VOCs在不同时间段的变化。
7、本发明，进一步的设置了三通阀Ⅱ、单向阀Ⅰ和单向阀Ⅱ；输气管道一端与三通阀Ⅰ连接后，另一端依次连接三通阀Ⅱ和单向阀Ⅰ；输气管道与VOCs测量仪相连接，进行实时监测。另外通过采气管道也可以采集土壤气VOCs回到实验室进一步分析。
附图说明
图1为本发明土壤气VOCs被动采样装置的结构示意图。
图2为本发明土壤气VOCs被动采样装置中盒体部分的剖视图。
图3为本发明土壤剖面中VOCs的测量监测示意图。
图中，1-盒体；2-通气孔；3-ePTFE微孔膜；4-尼龙网；5-环形固定架；6-导气孔；7-导气管道；8-三通阀Ⅰ；9-输气管道；10-三通阀Ⅱ；11-单向阀Ⅰ；12-单向阀Ⅱ；13-采气管道；14-VOCs测量仪；15-土壤气VOCs被动采样装置。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示，一种土壤气VOCs被动采集装置，由盒体1、ePTFE微孔膜3、尼龙网4、环形固定架5、导气管道7、三通阀Ⅰ8、输气管道9、三通阀Ⅱ10、单向阀Ⅰ11、单向阀Ⅱ12和采气管道13组成。
盒体1用于收集土壤气VOCs。优选的，将盒体制成20cm×10cm×2.5cm的四方体，内部为空腔。优选的，盒体采用耐腐蚀塑料材质。
盒体1的上表面设有若干与盒体1内腔相通的通气孔2。优选的，通气孔在盒体1的上表面呈纵横交错排布，如设置纵向五排，每排十个。优选的，通气孔2直径为4～6mm。这有效克服了其它采样方法取样体积小这一缺点，能够获得足够多的VOCs，大幅度减少由于快速采样所带来的VOCs被动采集装置负压。
在盒体1的侧壁上设有两个导气孔6，用于在测量时将盒体1收集的土壤气VOCs导出。
在盒体1的上表面覆盖一层ePTFE微孔膜3。ePTFE微孔膜具有很强的防水性能和较高的透气性能，这有效克服了其它采集装置渗水漏气这一缺点，即使最小的水珠轻雾也不能通过薄膜，但却有很高的气体通透效率，因此能够适用于高含水量的土壤。
盒体1的上表面覆盖一层ePTFE微孔膜3后，用尼龙网4将盒体1和ePTFE微孔膜3整体包裹住。由于尼龙网具有韧性高、弹性好、耐腐蚀、耐高温等优良特性，可有效保护ePTFE微孔膜，避免ePTFE微孔膜被外界恶劣条件破坏，影响测量效果。
两个导气管道7分别与两个导气孔6密封连接，然后两根导气管道7分别与三通阀Ⅰ8的一个接口连接，三通阀Ⅰ8的第三接口与输气管道9连接。
为了便于同时在原地实时监测和采集VOCs样品，设置了三通阀Ⅱ10、单向阀Ⅰ11和单向阀Ⅱ12。输气管道9一端与三通阀Ⅰ8连接后，另一端依次连接三通阀Ⅱ10和单向阀Ⅰ11后，与VOCs测量仪。采气管道13一端依次连接单向阀Ⅱ12和三通阀Ⅱ10。通过控制三通阀和单向阀实现单点测量或连续监测，并且可以随意控制单次采集VOCs的时间。由于VOCs测量仪不具备取样收集功能，仅做测量使用，因此可通过控制单向阀Ⅱ12和三通阀Ⅱ10的开启，通过采气管道13取出VOCs样本，可进一步对其进行分析。
设有环形固定架5，环形固定架5将盒体1、ePTFE微孔膜3和尼龙网4固定在内。环形固定架5可有效保护盒体不被外界破坏，起到支撑保护作用，保证土壤受到强降雨或其他外来水分条件影响后，土壤气VOCs被动采集装置不会受到破坏，仍然可以正常使用。优选的，固定架5为木架或金属片制成的框架。
实施例2
土壤气VOCs采集检测方法，利用实施例1的土壤气VOCs被动采集装置，包括如下步骤：
1、在土壤的同一个截面挖掘若干个深度递增的取样口，在每个取样口内分别放置土壤气VOCs被动采集装置；土壤气VOCs被动采集装置的通气孔2与取样口侧壁的土壤相对应。如图3所示，在土壤的同一个截面分别于5cm、10cm、25cm、45cm和80cm处挖掘5个深度递增的取样口，在每个取样口内分别放置一个土壤气VOCs被动采集装置15；放置时，将土壤气VOCs被动采集装置的通气孔2对着取样口侧壁的土壤，也就是没有被挖掘的一面，这样由于采集气体一侧的土壤结构没有被破坏，能够真实地反映土壤气中VOCs的真实状况。
2、放置好土壤气VOCs被动采集装置后，在土壤气VOCs被动采集装置外围用木桩和不锈钢网围绕保护，有效避免装置被其它外界条件干扰或者破坏，然后用土壤将挖掘的取样口填满，恢复土壤层结构，等待30-35天。该过程会有效还原土壤最真实的状况，避免测量结果不准确。
3、在采集土壤气VOCs时，将待测量深度对应的土壤气VOCs被动采集装置通过输气管道9与VOCs测量仪14连接，打开对应的土壤气VOCs被动采集装置的三通阀Ⅰ8，1分钟后进行气体采集(该过程是为了排空管线中的其它气体，不影响测量结果的准确性)，VOCs测量仪14运行5分钟后，进行测量，采集土壤气VOCs的数据并记录；该深度测量后，将VOCs测量仪14停止至少30分钟，排空VOCs测量仪14内的气体，进行下一深度的土壤气VOCs采集和测量。
优选的，每一待测量深度的土壤气VOCs测量数据至少采集5组，去掉其中偏差性较大的数据，取平均值，即为该深度的土壤VOCs浓度。如此重复，实现对不同深度土壤VOCs的采集及监测。
Claims (7)
1.一种土壤气VOCs被动采集装置，其特征在于：盒体(1)上表面设有若干与盒体(1)内腔相通的通气孔(2)，在盒体(1)的上表面覆盖一层ePTFE微孔膜(3)，尼龙网(4)将盒体(1)和ePTFE微孔膜(3)包裹在内；在盒体(1)的侧壁上设有两个导气孔(6)，每个导气孔(6)分别密封连接一根导气管道(7)，两根导气管道(7)共同连接到三通阀Ⅰ(8)上，输气管道(9)与三通阀Ⅰ(8)连接。
2.根据权利要求1所述的一种土壤气VOCs被动采集装置，其特征在于：设有三通阀Ⅱ(10)、单向阀Ⅰ(11)和单向阀Ⅱ(12)；输气管道(9)一端与三通阀Ⅰ(8)连接后，另一端依次连接三通阀Ⅱ(10)和单向阀Ⅰ(11)；采气管道(13)一端依次连接单向阀Ⅱ(12)和三通阀Ⅱ(10)。
3.根据权利要求1或2所述的一种土壤气VOCs被动采集装置，其特征在于：设有环形固定架(5)，环形固定架(5)将盒体(1)、ePTFE微孔膜(3)和尼龙网(4)固定在内。
4.根据权利要求3所述的一种土壤气VOCs被动采集装置，其特征在于：所述固定架(5)为木架或金属片。
5.根据权利要求1或2所述的一种土壤气VOCs被动采集装置，其特征在于：通气孔(2)的孔径为4～6mm。
6.土壤气VOCs采集检测方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一项所述的土壤气VOCs被动采集装置，包括以下步骤：
1)在土壤的同一个截面挖掘若干个深度递增的取样口，在每个取样口内分别放置土壤气VOCs被动采集装置；土壤气VOCs被动采集装置的通气孔(2)与取样口侧壁的土壤相对应；
2)放置好土壤气VOCs被动采集装置后，在土壤气VOCs被动采集装置外围用木桩或不锈钢网围绕保护，然后用土壤将挖掘的取样口填满，恢复土壤层结构，等待30-35天；
3)在采集土壤气VOCs时，将待测量深度对应的土壤气VOCs被动采集装置通过输气管道(9)与VOCs测量仪(14)连接，打开对应的土壤气VOCs被动采集装置的三通阀Ⅰ(8)，1分钟后进行气体采集，VOCs测量仪(14)运行5分钟后，进行测量，采集土壤气VOCs的数据并记录；该深度测量后，将VOCs测量仪(14)停止至少30分钟，排空VOCs测量仪(14)内的气体，进行下一深度的土壤气VOCs采集和测量。
7.根据权利要求6所述的土壤气VOCs采集检测方法，其特征在于，步骤3)中，每一待测量深度的土壤气VOCs测量数据至少采集5组。
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