CN114486400B - 用于采集大气中微塑料的被动采样器及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种用于采集大气中微塑料的被动采样器及其使用方法，包括：采样圆管(11)，其中间部分垂直设置聚碳酸酯滤膜(3)，尾部设置至少一个尾翼(2)，聚碳酸酯滤膜(3)和尾翼(2)之间设有管道风速计(5)；套筒圆管(12)，其套设于采样圆管(11)之外并与采样圆管(11)同轴设置，尾翼(2)位于套筒圆管(12)的容纳空间之外；套筒圆管(12)通过接线滑环(6)固定在支撑杆(7)上，支撑杆(7)上还固定有风速风向仪(4)。本公开的被动采样器无需电力供应，能够实现对包括偏远地区在内的高分辨、大尺度大气微塑料准确、高效监测。
Description
技术领域
本公开涉及大气监测技术领域，具体涉及一种用于采集大气中微塑料的被动采样器及其使用方法。
背景技术
进入21世纪以来，微塑料污染已经引起了人类社会的广泛关注。微塑料是粒径小于5mm的塑料纤维、碎片、薄膜和颗粒等的统称。由于其体积小、重量轻和不易降解的特点，微塑料容易在风力、水流和洋流等作用下进行迁移并广泛分布。其中，大气迁移被认为是微塑料远距离传输和全球扩散的重要方式。
目前，大气微塑料的传统采样方法主要有两种——大气干湿沉降采样器和泵式大流量采样器。前者通过收集大气干湿沉降来检测微塑料颗粒，但这种方法只能测定微塑料沉降通量，不能获得大气中微塑料的直接浓度；后者则是借助抽气泵将大体积的空气过滤到膜上来测得大气微塑料的浓度。在室内外环境采样中，泵式主动采样可提供用于大气微塑料人体吸入量和传输距离评估的浓度数据。然而，对有限或无电力供给的地区而言，泵式大流量采样器很难应用。加之大流量采样泵高昂的费用和复杂的采样程序，极大地阻碍了大气微塑料广域监测网络的建立。因此，亟待开发一种简单方便、广泛适用的大气微塑料采样装置。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本公开提供了用于采集大气中微塑料的被动采样器及其使用方法，用于至少部分解决传统大气采样器对电力依赖大、采样费用高、采样程序复杂等技术问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供了一种用于采集大气中微塑料的被动采样器，包括：采样圆管，其中间部分垂直设置聚碳酸酯滤膜，尾部设置至少一个尾翼，聚碳酸酯滤膜和尾翼之间设有管道风速计；套筒圆管，其套设于采样圆管之外并与采样圆管同轴设置，尾翼位于套筒圆管的容纳空间之外；套筒圆管通过接线滑环固定在支撑杆上，支撑杆上还固定有风速风向仪。
进一步地，聚碳酸酯滤膜通过不锈钢筛网支撑，并通过法兰结构固定于采样圆管中。
进一步地，采样圆管与套筒圆管之间通过不锈钢板固定连接。
进一步地，采样圆管的直径为10～20cm，套筒圆管的直径与采样圆管的直径之差至少为10cm。
进一步地，尾翼为两个垂直尾翼，分别设置于采样圆管的上部和下部。
进一步地，风速风向仪与采样圆管等高设置。
进一步地，采样圆管、套筒圆管由不锈钢制成。
进一步地，还包括：信号记录仪，与风速风向仪、管道风速计连接，用于记录并存储风速、风向数据；电源，用于为信号记录仪供电。
本公开另一方面提供了一种根据前述用于采集大气中微塑料的被动采样器的使用方法，包括：S1，将用于采集大气中微塑料的被动采样器的支撑杆固定于目标采样点；S2，尾翼在风力作用下使采样圆管、套筒圆管旋转至迎风方向；其中，套筒圆管套设于采样圆管之外并与采样圆管同轴设置；S3，在预设的采样时间内，大气中的微塑料被聚碳酸酯滤膜截留；S4，根据风速风向仪测得的风速、风向数据和被聚碳酸酯滤膜截留的微塑料，得到大气中微塑料的种类和浓度信息。
进一步地，S4还包括：S41，同时使用管道风速计测试第一风速数据、风速风向仪测试第二风速数据和风向数据；S42，将第一风速数据与第二风速数据进行非线性拟合；S43，实际测量时根据风速风向仪测得的风速、风向数据和非线性拟合的结果，得到采样圆管中的风速数据；S44，根据采样圆管中的风速数据和被聚碳酸酯滤膜截留的微塑料，得到大气中微塑料的种类和浓度信息。
(三)有益效果
本公开提供的用于采集大气中微塑料的被动采样器及其使用方法，通过在采样圆管的尾部设置尾翼，并通过聚碳酸酯滤膜对微塑料进行收集，减少了采样器对电力的依赖，且通过风速风向仪和管道风速计的配合使用，能够实现准确、高效的大气监测，且采样过程简单易操作。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例中用于采集大气中微塑料的被动采样器的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例中用于采集大气中微塑料的被动采样器的使用方法的流程示意图；
图3示意性示出了根据本公开实施例的两种不同尺寸规格的FTS-MP的结构示意图；
图4示意性示出了根据本公开实施例的两种不同尺寸规格的FTS-MP的采样效率对比示意图；
图5示意性示出了根据本公开实施例的两种不同尺寸规格的FTS-MP和泵式大流量采样器采集样品的浓度对比示意图；
附图标记说明：
11、采样圆管；12、套筒圆管；2、尾翼；3、聚碳酸酯滤膜；4、风速风向仪；5、管道风速计；6、接线滑环；7、支撑杆；8、信号记录仪；9、电源。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
被动采样技术具有造价低廉、不需要电及不需要专业人员维护等优点被广泛应用于大尺度污染物监测中。当前应用较为广泛的被动采样器主要用于采集气态污染物(如氮氧化物、二氧化硫、挥发性/半挥发性有机污染物)，这些气态污染物可以被捕集到聚氨酯泡沫等吸附剂上。但是，现有的被动采样器普遍存在采样效率不高，采集颗粒态物质实用性较弱等局限。
基于此，本公开的实施例提供了一种用于采集大气中微塑料的被动采样器，请参见图1，包括：采样圆管11，其中间部分垂直设置聚碳酸酯滤膜3，尾部设置至少一个尾翼2，聚碳酸酯滤膜3和尾翼2之间设有管道风速计5；套筒圆管12，其套设于采样圆管11之外并与采样圆管11同轴设置，尾翼2位于套筒圆管12的容纳空间之外；套筒圆管12通过接线滑环6固定在支撑杆7上，支撑杆7上还固定有风速风向仪4。
该被动采样器主体包括同轴设置的采样圆管11、套筒圆管12，采样圆管11部分设置于套筒圆管12的容纳空间之内、部分设置于套筒圆管12的容纳空间之外，具体地，聚碳酸酯滤膜3设置于套筒圆管12的容纳空间之内、尾翼2设置于套筒圆管12的容纳空间之外。尾翼2用于使得被动采样器的主体部分，即可以使该被动采样器在风力作用下朝向迎风方向以获得最大采样体积，确保了被动采样器达到较高的采样效率，同时，进入被动采样器的气流有助于将大气颗粒物固定在聚碳酸酯滤膜3上，该被动采样器大幅度提高了采样速率，缩短了采样时间，并减少了采样器对电力的依赖。
聚碳酸酯滤膜3具有孔径分布均匀的直通孔，过滤时微米级别的微粒被截留在滤膜表面，是用于收集微塑料的理想滤膜。支撑杆7用于将采样器主体固定于地面上，在风力作用下，接线滑环6带动采样器主体灵活转动，采样圆管11进行采样，大气中的微塑料被聚碳酸酯滤膜3捕获。接线滑环6一方面相当于旋转轴承，用于使采样部分可随风力在水平方向灵活转动，同时，也能完成线路信号传导的任务。
当外部风速较小时，管道风速计5的风速测试结果误差较大甚至无法读取风速，因此，在进行正式采样之前，本公开结合管道风速计5和设置于套筒圆管12外部的风速风向仪4两者的测试结果，进行非线性拟合，得到内部风速和外部风速之间的关系；在正式采样时，只需通过风速风向仪4的测试结果即可得到内部风速，从而计算实际采样体积，能够实现准确、高效的大气监测，且采样过程简单易操作。
在上述实施例的基础上，聚碳酸酯滤膜3通过不锈钢筛网支撑，并通过法兰结构固定于采样圆管11中。
聚碳酸酯滤膜3通过不锈钢筛网支撑而铺展平整，且平行于采样圆管11的横截面设置，并且聚碳酸酯滤膜3正好平铺满采样圆管11的横截面，即聚碳酸酯滤膜3的有效过滤面积与采样圆管11的横截面面积大小相等。聚碳酸酯滤膜3通过不锈钢筛网支撑后，其四周通过O型硅胶垫圈密封，整个结构为法兰结构。采样时，可将法兰结构拆下，更换新聚碳酸酯膜后进行下一次采样。
在上述实施例的基础上，采样圆管11与套筒圆管12之间通过不锈钢板固定连接。
采样圆管11与套筒圆管12采取固定连接的方式，使得两者可以在风力作用下保持同步转动。进一步地，采样圆管11与套筒圆管12之间可以采用水平和竖直的四块不锈钢板连接，其目的是在强风条件下充当导风旁路，以使被动采样器主体保持稳定。
在上述实施例的基础上，采样圆管11的直径为10～20cm，套筒圆管12的直径与采样圆管11的直径之差至少为10cm。
采样圆管11的直径在该范围内有利于使得测试结果更加准确，即迎风面能够容纳大体积的气流进入便于微塑料颗粒捕集。套筒圆管12的直径比采样圆管11大至少为10em，一方面是有利于在强风条件下保持被动采样器主体的稳定，另一方面有利于在更换聚碳酸酯采样膜时有足够的操作空间。
在上述实施例的基础上，尾翼2为两个垂直尾翼，分别设置于采样圆管11的上部和下部。
垂直尾翼主要是使得该被动采样器能灵敏地随风速转动，上下对称结构有利于该被动采样器获得更高的灵敏度。
在上述实施例的基础上，风速风向仪4与采样圆管11等高设置。
风速风向仪4与采样圆管11等高设置，具有时间分辨率高，安装简便，转向灵活的优点。
在上述实施例的基础上，采样圆管11、套筒圆管12由不锈钢制成。
该被动采样器主体采用不锈钢等轻质材料加工成型，有利于使采样部分可随风力在水平方向灵活转动，且适合在室外长期使用。
在上述实施例的基础上，还包括：信号记录仪8，与风速风向仪4、管道风速计5连接，用于记录并存储风速、风向数据；电源9，用于为信号记录仪8供电。
风速风向仪4、管道风速计5采集的风速、风向数据可以转换为数字信号存储在信号记录仪8中，信号记录仪8可使用电力或便携式直流电池驱动，电源9为信号记录仪8供电，因此可在缺乏电力的偏远环境采样点使用。
本公开的用于采集大气中微塑料的被动采样器可对偏远地区大气中微塑料的浓度进行准确和高效测定，且制作成本低、采样效率高，且无需大功率的电力供应，非常适合大尺度范围大气微塑料的连续监测。
本公开的实施例还提供了一种根据前述用于采集大气中微塑料的被动采样器的使用方法，请参见图2，包括：S1，将用于采集大气中微塑料的被动采样器的支撑杆7固定于目标采样点；S2，尾翼2在风力作用下使采样圆管11、套筒圆管12旋转至迎风方向；其中，套筒圆管12套设于采样圆管11之外并与采样圆管11同轴设置；S3，在预设的采样时间内，大气中的微塑料被聚碳酸酯滤膜3截留；S4，根据风速风向仪4测得的风速、风向数据和被聚碳酸酯滤膜3截留的微塑料，得到大气中微塑料的种类和浓度信息。
该被动采样器相对于泵式主动采样器来说，其使用方法更加简便，在风力作用下，通过尾翼2使被动采样器随风力旋转至迎风方向，聚碳酸酯滤膜3对大气中的微塑料进行捕集；捕集后进行预处理，再通过显微傅里叶变换红外系统进行检测计数，同时根据风速、风向数据即可得到大气中微塑料的种类和浓度信息。
在上述实施例的基础上，S4还包括：S41，同时使用管道风速计5测试第一风速数据、风速风向仪4测试第二风速数据和风向数据；S42，将第一风速数据与第二风速数据进行非线性拟合；S43，实际测量时根据风速风向仪4测得的风速、风向数据和非线性拟合的结果，得到采样圆管11中的风速数据；S44，根据采样圆管11中的风速数据和被聚碳酸酯滤膜3截留的微塑料，得到大气中微塑料的种类和浓度信息。
当外部风速较小时，管道风速计5的风速测试结果误差较大甚至无法读取风速，本公开的使用方法先进行实验测试，根据管道风速计5测试的第一风速数据与风速风向仪4测试的第二风速数据进行非线性拟合，得到外部风速和内部风速之间的关系式。在正式采样时，使用该关系式就可以用外部风速来直接推导内部风速，进而计算出采样体积，而不用进行内部风速的测量，这样只用外部风速大大简化了采样体积的计算过程，能够快速得出采样体积的数值。
下面通过具体实施方式对本公开作进一步说明。在以下实施例中对上述用于采集大气中微塑料的被动采样器及其使用方法进行具体说明。但是，下述实施例仅用于对本公开进行例示，本公开的范围不限于此。
本实施例提供一种用于采集大气中微塑料的流过式被动采样器(FTS-MP)，并对其规格和性能进行验证，包括以下步骤：
1.制备FTS-MP。
FTS-MP的设计采取气动布局，如图1所示。采样器主体为内外嵌套的不锈钢同心圆管，包括采样圆管11和套筒圆管12，采样圆管11末端加装尾翼2，尾翼2为垂直尾翼，使采样器可以随风力旋转至迎风方向。采样圆管11中部使用聚碳酸酯滤膜3(PC膜，孔径2μm，美国Merck Millipore公司)对大气中的微塑料颗粒进行捕集。聚碳酸酯滤膜3由金属网作为支撑，O型密封圈(法兰结构)固定在内部采样管中部。装置外部风速uout和风向由位于与采样圆管11相同高度的风速风向仪4(RS485，普瑞森社环境监测公司)记录，通过聚碳酸酯滤膜3的风速uin由管道风速计5(AV200B，艾凡鹏仪表公司)记录，记录间隔为30s。套筒圆管12通过接线滑环6固定在支撑杆7上，风速、风向数据由信号记录仪8保存，信号记录仪8由电池组或电源9供电。
2、方案优选和微塑料测定。
理论上，FTS-MP的开口直径越大，进入其内部采样管通过聚碳酸酯滤膜3的空气体积越大。因此，为了验证不同尺寸规格的装置对采样效率的影响，本实施例制备了两种采样直径的FTS-MP，分别为20cm和10cm。具体的尺寸规格见图3，上半部分示出了采样直径为20cm的FTS-MP，下半部分示出了采样直径为10cm的FTS-MP。
FTS-MP的使用方法为：在特定的采样时间内，大气中的微塑料颗粒随风力进入FTS-MP并被聚碳酸酯滤膜3捕获。采样结束后，将采样圆管11中间固定聚碳酸酯滤膜3的法兰结构取下，获得的样品用铝箔纸密封保存。采样期内，获取的FTS-MP内外部高分辨率风速和风向变化数据用于计算采样体积。微塑料样品用超纯水冲洗至三角瓶中，经过30％(体积比)H2O2消解(7天)除去有机质，再过滤至聚四氟乙烯滤膜(PTFE膜，孔径0.45μm，美国MerckMillipore公司)上。PTFE膜上的微塑料颗粒在显微傅里叶变换红外系统(AIM-9000，日本岛津公司)下进行拍照、计数，同时测定聚合物类型。
3、方案FTS-MP野外采样验证。
将上述FTS-MP布设在中国科学院青藏高原研究所拉萨园区内办公楼顶(距地15m，东经91°2′2.19″，北纬29°38′33.27″)，以验证FTS-MP的采样效率。两个尺寸规格的FTS-MP同步布设，采样时间为2020年11月11日至2021年1月3日，分别取得采样时长为16、12、8、5、4、3、2、2、1、1天的10个样品。于采样时期在FTS-MP附近(间距10m)使用泵式大流量主动采样器(TW2200，拓威仪表公司)同步采集大气微塑料样品，与FTS-MP样品进行对比验证。泵式大流量采样器的采样效率恒定为144m3/天，采样体积设定为5、20、30、42、72、96、144、216、432、596m3。
4、验证结果。
FTS-MP的实际采样体积VS(m3)由内部风速uin(m/s)乘以有效采样截面积(大尺寸FTS-MP为0.0277m2，小尺寸FTS-MP为0.005m2)和采样时长t(s)得到。野外采样数据显示，只有当uout超过0.7m/s时，uin才有响应，此时最小读数为0.06m/s。因此，VS的计算可分为两部分之和，当uout＜0.7m/s时，uin取定值0.06m/s，uout≥0.7m/s时，uin取实际测定值。
但是，上述计算方法比较繁琐，需要兼顾uout和uin。而本实施例设计的初衷是仅通过测定外部风速uout来简单快捷地计算出uin，从而快速得到VS，这就需要一个普遍适用的公式。基于此，本实施对不同尺寸FTS-MP的内外部风速实测值进行了非线性拟合，得到公式(1)和(2)如下：
公式中，uin-Φ20cm和uin-Φ10cm分别为公式推导的大尺寸FTS-MP和小尺寸FTS-MP的内部风速。经拟合公式推导的uin推算得到的VS和实测uin值计算的VS之间相差值较小，说明以uout推导uin并计算VS的方法比较准确。
FTS-MP的采样效率(m3/天)可由样品的采样体积VS除以采样时长(以天计)得到。图4示意性示出了两种FTS-MP的采样效率对比，左侧箱型图上下节点分别为75％和25％分位点，中间横线为中位数点，空心正方形点为平均值点；右侧为数据点分布。由图4可知，采样期大尺寸FTS-MP的平均采样效率为131m3/天，接近泵式大流量采样器的采样效率144m3/天，而小尺寸FTS-MP为33m3/天。
微塑料浓度(个/m3)为样品中微塑料的个数除以相应的采样体积VS。每个样品中PTFE膜上的可疑微塑料颗粒采取Z字形路线在显微红外光谱仪下进行逐个扫描，确保计数准确。与此同时，使用透射模式对每个颗粒进行定性以确定其是否为塑料材质，判定标准为样品红外谱图和特定聚合物标准谱图的匹配度达到70％以上。此外，采样、前处理和测定过程采取严格的质控措施，避免各个步骤的人为污染。
由于泵式大流量采样器在稳定状况下(＞200m3)微塑料浓度为0.18个/m3，这和大尺寸FTS-MP得到的微塑料平均浓度(0.19个/m3)更为接近，图5示意性示出了两种FTS-MP和泵式大流量采样器采集样品的浓度对比，其中(a)为泵式大流量采样器，黑色曲线为浓度随采样体积的变化曲线；(b)为不同尺寸FTS-MP，深绿色直线为平均浓度值(0.19个/m3)。由此可知，在微塑料浓度方面，大尺寸FTS-MP更容易获得较准确的浓度值。
本实施例的被动采样器相较于泵式主动采样器更加简单廉价，且无需大功率的电力供应，采用合适的采样时间和尺寸规格，能够实现对包括偏远地区在内的高分辨、大尺度大气微塑料准确、高效监测，将为建立大尺度大气微塑料监测网奠定基础，进而精确测定大气微塑料的迁移范围。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种用于采集大气中微塑料的被动采样器，其特征在于，包括：
采样圆管(11)，其中间部分垂直设置聚碳酸酯滤膜(3)，尾部设置至少一个尾翼(2)，所述聚碳酸酯滤膜(3)和所述尾翼(2)之间设有管道风速计(5)；所述聚碳酸酯滤膜(3)通过不锈钢筛网支撑而铺展平整，且平行于采样圆管(11)的横截面设置，并且聚碳酸酯滤膜(3)正好平铺满采样圆管(11)的横截面；聚碳酸酯滤膜(3)通过不锈钢筛网支撑后，其四周通过O型硅胶垫圈密封，整个结构为法兰结构；采样时，可将法兰结构拆下，更换新聚碳酸酯膜后进行下一次采样；
套筒圆管(12)，其套设于所述采样圆管(11)之外并与所述采样圆管(11)同轴设置，所述尾翼(2)位于所述套筒圆管(12)的容纳空间之外，所述套筒圆管(12)的直径与所述采样圆管(11)的直径之差至少为10cm；
所述套筒圆管(12)通过接线滑环(6)固定在支撑杆(7)上，所述支撑杆(7)上还固定有风速风向仪(4)；所述风速风向仪(4)与所述采样圆管(11)等高设置；
所述管道风速计(5)用于测试第一风速数据；所述风速风向仪(4)用于测试第二风速数据和风向数据；所述第一风速数据与所述第二风速数据用于非线性拟合；所述风速风向仪(4)测得的风速、风向数据和所述非线性拟合的结果用于得到采样圆管(11)中的风速数据；在进行正式采样之前，对第一风速数据与所述第二风速数据进行非线性拟合，得到内部风速和外部风速之间的关系式；在正式采样时，使用该关系式就可以用风速风向仪(4)测得的外部风速来直接推导内部风速，进而计算出采样体积，无需进行内部风速的测量。
2.根据权利要求1所述的用于采集大气中微塑料的被动采样器，其特征在于，所述采样圆管(11)与所述套筒圆管(12)之间通过不锈钢板固定连接。
3.根据权利要求2所述的用于采集大气中微塑料的被动采样器，其特征在于，所述采样圆管(11)的直径为10～20cm。
4.根据权利要求1所述的用于采集大气中微塑料的被动采样器，其特征在于，所述尾翼(2)为两个垂直尾翼，分别设置于所述采样圆管(11)的上部和下部。
5.根据权利要求1所述的用于采集大气中微塑料的被动采样器，其特征在于，所述采样圆管(11)、所述套筒圆管(12)由不锈钢制成。
6.根据权利要求1所述的用于采集大气中微塑料的被动采样器，其特征在于，还包括：
信号记录仪(8)，与所述风速风向仪(4)、管道风速计(5)连接，用于记录并存储风速、风向数据；
电源(9)，用于为所述信号记录仪(8)供电。
7.一种根据权利要求1～6中任意一项所述的用于采集大气中微塑料的被动采样器的使用方法，其特征在于，包括：
S1，将用于采集大气中微塑料的被动采样器的支撑杆(7)固定于目标采样点；
S2，尾翼(2)在风力作用下使采样圆管(11)、套筒圆管(12)旋转至迎风方向；其中，所述套筒圆管(12)套设于所述采样圆管(11)之外并与所述采样圆管(11)同轴设置；
S3，在预设的采样时间内，大气中的微塑料被聚碳酸酯滤膜(3)截留；
S4，同时使用管道风速计(5)测试第一风速数据、风速风向仪(4)测试第二风速数据和风向数据；将所述第一风速数据与所述第二风速数据进行非线性拟合；实际测量时根据所述风速风向仪(4)测得的风速、风向数据和所述非线性拟合的结果，得到采样圆管(11)中的风速数据；
根据所述采样圆管(11)中的风速数据和所述被聚碳酸酯滤膜(3)截留的微塑料，得到大气中所述微塑料的种类和浓度信息。
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