CN1303746A - 一种研究污染物在土壤中迁移和转化的方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及研究污染物在土壤中迁移和转化的方法及装置。由恒温循环水浴控制土壤温度5℃—35℃,由空气流量计测量和调节空气流量15—90ml/min,蠕动泵提供降水并控制液体流量0—20ml/min,对气相样品和液相样品实时采集,在温度、风速和降水同时控制条件下研究土壤中污染物的挥发、渗滤、降解和滞留等行为及其相互关系和各种环境因素对这些行为的影响,本发明的装置有良好的密闭性。
Description
本发明属于环境化学技术领域，特别涉及一种研究污染物在土壤中迁移和转化的方法及装置。
人们研究土壤中污染物主要采取了两类方法，即人为控制条件下的实验和“自然”土壤环境条件下的实验。人为控制条件下的研究主要是采取措施，突出或加速一个或两个过程，而控制或忽略其它过程的进行，以利于对过程的监测研究。例如，筛选和培养土壤中的微生物来研究有机物的降解过程；采用密闭型气体循环土壤室系统研究污染物的挥发和沉降过程；利用顶端喷淋方法研究污染物在土壤中的渗滤过程；等等。这些研究条件往往与实际土壤所处情况相差较远，其研究主要在于理论意义。“自然”条件下的研究，则是将土壤置于某种与天然环境类似或真实的自然状态下，对土壤系统的各个部分进行实际监测。例如，应用土壤渗漏仪在实验室内外进行模拟，可以监测土壤、渗滤液以及土壤中所生长的植物。这类研究的实验条件的确与实际土壤非常接近或者基本相同，但由于其实验条件控制困难，所得结果一般精度较差，例如目标化学品的物料平衡往往难以计算，也不易分清化学品的各种过程对其总体消失过程的相对贡献和各过程之间的相互作用，更难以研究各种环境条件变化对土壤中污染物各过程的相对影响。相关文献见《美国化学文摘》第129卷，索引号分别为256399y、256432d和256400s的报导。
本发明的目的在于解决上述两类研究方法所面临的难题，提供一种既可模拟自然条件，又可同时研究多种污染物在土壤中的各种迁移转化的方法和相关装置。利用这种方法和装置可研究污染物在土壤中的降解、向大气的挥发和向土壤溶液的渗滤等主要消失过程，以及这些过程之间的相互关系和各种因素如：温度、透气量、土壤的含水量和有机质含量等对这些过程的影响，并可对具有不同物理化学性质的污染物进行对比，研究污染物的物化特性与其在土壤中降解和迁移行为之间的关系。
本发明的研究污染物在土壤中迁移和转化的方法可对以下三种情况进行研究：(1)受污染土壤中污染物行为，(2)土壤受污染途径，及(3)恢复途径。对于第(1)和第(3)两种情况可直接采用受污染土壤或采用人工配置的受污染土壤，对第(2)种情况可采用未污染土壤；其中对人工配置的受污染土壤又有均匀施入法及表面施入法两种。
A．将研究的污染物及土壤加入土壤柱中：
(1)．直接采用受污染土壤：
向土壤柱中置入聚四氟乙烯筛板、砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)，砾石层的高度为20mm，将受污染的土壤加入土壤柱中，使土壤表面与土壤柱进气口或出气口的高度差为30-80mm，迅速密闭土壤柱。
或(2)．对人工配置的受污染土壤采用均匀施入法：
配制污染化合物的混合物水溶液，加入未被目标污染物污染的土壤中，搅拌均匀待用，土壤重量及污染化合物的浓度依研究需要而定；向土壤柱中置入聚四氟乙烯筛板、砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)，砾石层的高度为20mm，将上述人工配置的受污染土壤加入土壤柱中，使土壤表面与土壤柱进气口或出气口的高度差为30-80mm，迅速密闭土壤柱。
或(3)．对人工配置的受污染土壤采用表面施入法：
向土壤柱中置入聚四氟乙烯筛板、砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)，砾石层的高度为20mm，将未受目标污染物污染的土壤加入土壤柱中，使土壤表面与土壤柱进气口或出气口的高度差为30-80mm，将预先配制好的目标污染物的水溶液均匀洒在未被目标污染物污染的土壤表面，土壤重量及污染化合物的浓度依研究需要而定，迅速密闭土壤柱。
B．采用气相通路、液相通路和循环液通路收集经土壤柱流出的气体样品和渗滤液样品：
气相通路：空气从提供空气源的设备中流出，经气体流量计调节空气流量在15-90ml/min(误差±6％最大流量)，然后流经恒温循环水浴调节温度在5℃～35℃(误差±0.1℃)，由土壤柱进气口进入土壤柱，流经土壤表层，再从土壤柱出气口流出，气体通过聚四氟乙烯三通旋塞在两个气体采样管之间切换，从而实现连续采样，流出气中的目标化合物被气体采样管中的吸附剂吸附。这样携带挥发性目标污染物的混合气体经气体采样管采集后，尾气排空；每个土壤柱对应一条气相通路。
为了保证空气的洁净，可在提供空气源的设备和气体流量计之间串联一气体净化器，空气从提供空气源的设备中流出后经气体净化器净化再流入气体流量计。
提供空气源的设备为空气钢瓶，气体流量经空气钢瓶上的减压阀和气体流量计上的调节阀控制。
液相通路：水从提供纯净水源的设备流经蠕动泵，控制液体流量为0-20ml/min(误差±6％最大流量)，再经恒温循环水浴控制温度范围在5～35℃(误差±0.1℃)，由土壤柱盖顶的进水口经布水器注入土壤柱，再经土壤柱的渗滤液出口，收集于渗滤液采样器中供分析。渗滤液采样器能实现实时、连续、自动采样，在自动采样模式下，采样时间间隔设定在1-9999秒范围内；或在人工控制下，以任意时间间隔连续采集。每个土壤柱对应一条液相通路。
循环液通路：循环液经恒温循环水浴预热或预冷，控制温度范围在5～35℃(误差±0.1℃)，经恒温循环水浴内置循环水泵，依次以串联形式流经土壤柱保温层后，再从土壤柱循环液出口回到恒温循环水浴中，循环使用。循环液是水和乙二醇的混合液，其体积比例为1∶1。
运转期间，气体样品的采样时间间隔为0.4～16天，渗滤液采样时间间隔为3～15天。
C．分析样品研究污染物在土壤中迁移和转化：
运转结束后，采用常规方法，对气体采样管中的吸附剂进行流出气中目标化合物挥发总量分析，分析方法为溶剂洗脱，净化和气相色谱分析；对于渗滤液样品及土壤中的目标化合物进行渗滤量及残留量分析，分析方法为吸附剂富集，溶剂洗脱，净化，最后气相色谱分析；对土壤按高度平均分为五层，依次取出，每层取两个平行样进行分析，分析方法采用索氏提取，净化和气相色谱分析。
本发明的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置包括：
一个提供空气源的设备；
通用的气体流量计，控制气体流量在15-90ml/min，每个气体流量计对应一条气相通路；
一个恒温循环水浴，具有加热和制冷功能，体积为24升。恒温循环水浴内置循环水泵，后部有循环液进口和循环液出口，上部面板上有气相进口、液相进口和气相出口、液相出口。每个土壤柱分别对应一组气相进出口、液相进出口。循环液温度在5℃～35℃范围内可调，误差±0.1℃，从而控制土壤柱温度在5℃～35℃，误差±0.1℃；受温度控制的进入土壤柱的流体均在各自的管路中流动，这些管路的热交换段浸在循环液中。
其中提供空气源的设备、气体流量计和恒温循环水浴之间以导管相连，并且气体流量计与恒温循环水浴的气相进口相连；三者的位置关系能保证流体顺畅流动，
一个提供纯净水源的设备；
一个可变速多通道蠕动泵，可同时提供相同或不同流量的多路水源，每一个土壤柱对应一条水源通路。它是液相通路的动力源，控制液体流量在0-20ml/min，误差为最大流量的±6％；其中可变速多通道蠕动泵的进口和出口分别与提供纯净水源的设备和恒温循环水浴的液相进口以导管相连；
土壤柱为圆柱形，其内径D=100mm，外径D’=150mm。分为柱盖和柱体，柱盖形状为半球形，其高度H1=70mm，柱盖顶端有进水口，内置布水器，通过导管与恒温循环水浴液相出口相连，布水器布水板夹在柱盖和柱体之间，其上下均垫以聚四氟乙烯O形圈，为保证密封，聚四氟乙烯O形圈外缠聚四氟乙烯生料带，柱盖和柱体之间通过法兰盘和紧固螺栓紧固密封；
其中布水器上部是进水管，下部是布水板，布水板上分散有若干小孔，小孔个数选择以使布水均匀为目的，小孔与进水管之间由小导管连接，小导管用粘合剂固定在进水管下部；
柱体为双层保温结构，内层为土壤室，内层与外层之间为保温层；内层上部左右两侧分别设有进气口和出气口，进气口和出气口分别与恒温循环水浴面板上的气相出口和多孔旋塞相连，进气口和出气口在同一水平高度，进气口和出气口距法兰盘的距离为H2=130mm；柱体中部间隔设有三个预留孔，作为温度探头插入口，与温度计相连，或作为土壤分层采样口，其位置基本均匀分布，保证能够分段采样或测温；内层底部设有渗滤液出口，渗滤液出口与渗滤液采样器相连；土壤室下部置聚四氟乙烯筛板，以支撑砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)和土壤层，聚四氟乙烯筛板与土壤柱下沿的距离为H5=50mm，砾石层高度为H4=20mm，粒径为4-6mm，土壤的高度H0为180-230mm，土壤表面与进气口或出气口的高度差为H3=30mm～80mm；
柱体夹层作为保温层，其下侧端设有循环液进口，与恒温循环水浴循环液出口相连，上侧端设有循环液出口，与恒温循环水浴的循环液进口相连；
土壤柱的总容积V=3.22升，其中土壤段的有效容积为1.57升；
土壤柱通体采用玻璃制成，所有导管均采用聚四氟乙烯管；
土壤柱的个数选择应使土壤柱的散热(或受热)功率总和不大于恒温循环水浴保温(或冷却)功率；
气体采样管为子弹形管，其主体管直径为1厘米，长度L为8厘米，一端为标准磨口的进气口，另一端为出气口，其直径为4毫米。该进气口通过导管和多孔旋塞与土壤柱的出气口相连。气体采样管内置对目标污染物有良好选择性的吸附剂，如一种高分子大孔树脂，(如GDX-502树脂)；吸附剂两端填有填充剂，如玻璃棉；每个土壤柱至少有两个气体采样管，气体通过多孔旋塞可在两个或多个气体采样管之间切换，以保证整个装置的密闭性、选择性和连续性，气体采样管采用玻璃制成；
渗滤液采样器，为圆盘式，直径为36厘米，其中心带有一步进电机，步进电机上固定一导管，其一端与土壤柱的渗滤液出口通过聚四氟乙烯导管相连，另一端对准渗滤液采样孔的上方，圆盘周边环状排列24个采样孔，每个采样孔中放置一个漏斗，每个漏斗下方配一个渗滤液采样瓶，漏斗与渗滤液采样瓶间通过聚四氟乙烯导管相连；渗滤液采样器的步进电机驱动导管，将土壤柱流出的渗滤液经由环状排列的采样孔，送入渗滤液采样瓶中，实现实时、连续、自动采样；采样时间间隔可在1-9999秒范围内设定，或在人工控制下，以任意时间间隔连续采集。采样瓶体积不小于采样时间间隔与相应降水速率的乘积。每个土壤柱对应一个渗滤液采样器。
温度计，为通用数字式温度计，每个土壤柱对应一个温度计；其温度探头通过预留孔插入土壤柱中，监测土壤温度。
若为了空气源的纯净，可在提供空气源的设备和气体流量计之间串联一通用的气体净化器；
土壤柱的进气口、出气口、预留孔、进水口和渗滤液出口均采用球形磨口与聚四氟乙烯O形圈和聚四氟乙烯孔塞三者吻合密闭，并用法兰盘和紧固螺栓固定；聚四氟乙烯孔塞上预留中通孔，为温度探头或水、气导管的插入口。聚四氟乙烯孔塞上具有螺纹，插入的探头或导管用螺帽和密封垫圈密封。
整个装置为密闭型。
提供空气源的设备为空气钢瓶，与使用气泵相比，可保证稳定及洁净气源，不产生噪声。气体流量可控制在15-90ml/min，经空气钢瓶上的减压阀和气体流量计上的调节阀控制。
提供水源的设备为蒸馏水水槽；由蠕动泵向系统供水，避免了接触性泵可能造成的对水的污染。所选的多通道蠕动泵可同时提供相同或不同流量的多路水源，并对流速实行数字式显示，最大降水速率20ml/min；每路水源对应一个土壤柱。
恒温循环水浴V3采用美国Cole-Parmer公司的P-12111-10型恒温循环水浴；
蠕动泵选用美国Cole-Parmer公司的MasterFlex7523-37型多通道蠕动泵。
本发明的用途：
本发明可研究土壤中污染物的降解、挥发和渗滤等主要消失过程，这些过程之间的相互关系和各种因素如：温度、气量、土壤的含水量和有机质含量等对这些过程的影响。可对具有不同物理化学性质的污染物进行对比，研究污染物的物化特性与其在土壤中降解和迁移行为之间的关系；为制订有关的政策法规提供可靠依据，促进土壤污染治理法制化工作的开展；又可以研究和开发治理污染土壤的新技术和新方法，产生直接的经济效益和环境效益。本发明不仅在环境和农业研究部门具有推广价值，而且可以在污染控制技术开发部门使用。
本发明特别适用于微量或痕量污染物在土壤中渗滤、挥发、降解、滞留的综合行为及环境因素对这些行为的影响研究；也可用于沉积物及水体中污染物的迁移和转化行为的研究。
本发明的优点和效果：
本发明可精密控制气流、温度和降水，可进行气、液相样品的实时采集，能够实现污染物在土壤中渗滤、挥发、降解、滞留的综合研究。既具有实际现场的模拟性，又有不受环境条件变化影响的科学性，测量参数齐全，可靠性高。
本发明的装置有良好的密闭性，无漏水漏气，对污染物的回收率平均可达80％以上；可昼夜自动、连续采集渗滤液样品；可实现气体样品的连续实时采集。
下面结合附图和实施例进一步描述本发明：
附图说明：
图1：研究污染物在土壤中迁移和转化的装置流程图；
图2：土壤柱结构示意图；
图3：布水器结构示意图；
图4：气体采样管结构示意图；
图5.1：渗滤液采样器俯视图；
图5.2：渗滤液采样器主视图；
图6：土壤柱进气口、出气口、预留孔、进水口和渗滤液出口的连接结构图；
图7：恒温循环水浴俯视示意图；
图中标识如下：V1．提供纯净水源的设备 V2．蠕动泵 V3．恒温循环水浴A1．提供空气源的设备 A2．气体净化器 A3．气体流量计T1．土壤柱1 T2．土壤柱2 E、E’．温度计W、W’．渗滤液采样器 P1、P2、P3、P4．气体采样管 B．布水器H1．柱盖高度 H2．进气口和出气口距法兰盘的距离H3．土壤表面至进气口或出气口的高度 H4．砾石层高度H5．聚四氟乙烯筛板与土壤柱下沿的距离 H0．土壤层的高度——气相通路——液相通路 ——循环液通路1,1’．蠕动泵进口 2,2’．蠕动泵出口 3、3’．恒温循环水浴液相进口4、4’．恒温循环水浴液相出口 5、5’．土壤柱进水口 6、6’．导管7．布水器布水板 8．法兰盘 9．紧固螺栓 10．土壤室 11．保温层12,12’．土壤室进气口 13,13’．土壤室出气口14、14’．恒温循环水浴气相进口 15、15’．恒温循环水浴气相出口16、16’．预留孔 17、17’．渗滤液出 18．聚四氟乙烯筛板19．砾石层 20．土壤层 21、21’．土壤柱循环液进口22、22’．土壤柱循环液出口 23．恒温循环水浴的循环液出口24．恒温循环水浴的循环液进口 25．气体采样管标准磨口进气口26．气体采样管出气 27．气体采样管吸附剂 28．气体采样管填充剂29、29’．多孔旋塞 30．渗滤液采样器步进电机 31．渗滤液采样器导管32．渗滤液采样孔 33．漏斗 34．渗滤液采样瓶 35．聚四氟乙烯O形圈36．聚四氟乙烯孔塞 37．中通孔 38．紧固螺栓 39．法兰盘40．布水器进水管 41．粘合剂 42．降水导管 43．布水板小孔44．气体采样管主体管 45．恒温循环水浴内置泵46．渗滤液采样器支架 47、47’．预留孔 48、48’．预留孔
实施例1
本发明的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置包括：
一个提供空气源的设备A1，如空气钢瓶；
通用的气体流量计A3,A3’，控制气体流量在15-90ml/min；气体流量计A3,A3’各自对应一条气相通路；
一个恒温循环水浴V3，如图7，具有加热和制冷功能，体积为24升，循环液是水和乙二醇的混合液，其体积比例为1∶1。恒温循环水浴内置循环水泵45，后部有循环液进口24、循环液出口23，上部面板上有液相进口3和3’、液相出口4和4’、气相进口14、14’和气相出口15、15’。每个土壤柱分别对应一组气相进口和出口14和15或14’和15’、液相进口和出口 3和4或3’和4’，循环液温度在5℃～35℃范围内可调，误差±0.1℃，从而控制土壤柱温度在5℃～35℃，误差±0.1℃，受温度控制的进入土壤柱的流体均在各自的管路中流动，这些管路的热交换段浸在循环液中；
其中提供空气源的设备A1、气体流量计A3、A3’和恒温循环水浴V3之间以管路相连，并且气体流量计A3及A3’与恒温循环水浴V3的气相进口14、14’相连，三者的位置关系能保证流体顺畅流动；恒温循环水浴V3采用美国Cole-parmer公司的P-12111-10型恒温循环水浴；
一个提供纯净水源的设备V1，采用蒸馏水水槽；
一个可变速多通道蠕动泵V2，可同时提供相同或不同流量的多路水源，每一个土壤柱对应一条水源通路。它是液相通路的动力源，控制液体流量在0-20ml/min，误差为最大流量的±6％；其中可变速多通道蠕动泵的进口1、1’与提供纯净水源的设备V1以管路相连，出口2、2’与恒温循环水浴V3的液相进口3、3’以管路相连；蠕动泵选用美国Cole-Parmer公司的MasterFlex7523-37型。
土壤柱T1或T2，如图2，为圆柱形，其内径D=100mm，外径D’=150mm。分为柱盖和柱体，柱盖形状为半球形，其高度H1=70mm，柱盖顶端有进水口5或5’，内置布水器B，通过导管6或6’与恒温循环水浴V3的液相出口4或4’相连，布水器布水板7夹在柱盖和柱体之间，其上下均垫以聚四氟乙烯O形圈，为保证密封，聚四氟乙烯O形圈外缠聚四氟乙烯生料带，柱盖和柱体之间通过法兰盘8和紧固螺栓9紧固密封；
其中布水器B，如图3，上部是进水管40，下部是布水板7，布水板上分散有若干小孔43，小孔个数的选择以使布水均匀为目的，小孔与进水管之间由小导管42连接，小导管42用粘合剂41固定在进水管40底部；
柱体为双层保温结构，内层为土壤室10，内层与外层之间为保温层11；内层上部左右两侧分别设有进气口12或12’和出气口13或13’，进气口12或12’和出气口13或13’分别与恒温循环水浴V3上部面板上的气相出口15或15’和多孔旋塞29或29’相连，进气口12或12’和出气口13或13’在同一水平高度，其中进气口12或12’和出气口13或13’距法兰盘8的距离为H2=130mm；柱体中部间隔设有三个预留口16或16’、47或47’、48或48’，作为温度探头插入口，与温度计E相连，或作为土壤分层采样口，其位置基本均匀分布，保证能够分段采样或测温；内层底部设有渗滤液出口17或17’，渗滤液出口17或17’与渗滤液采样器W或W’相连；土壤室10下部置以聚四氟乙烯筛板18，以支撑砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)19和土壤层20，聚四氟乙烯筛板18与土壤柱T1或T2下沿的距离为H5=50mm，砾石层19高度为H4=20mm，粒径为4-6mm，土壤的高度H0为180-230mm，土壤表面与进气口12或12’或出气口13或13’的高度差为H3=30～80mm；
柱体夹层作为保温层11，其下侧端设有循环液进口21或21’，与恒温循环水浴循环液出口23相连；上侧端设有循环液出口22或22’，与恒温循环水浴的循环液进口24相连；
土壤柱T1或T2的总容积V=3.22升，其中土壤段的有效容积为1.57升；
土壤柱T1或T2通体采用玻璃制成，所有导管均采用聚四氟乙烯管；
气体采样管，如图4，为子弹形玻璃管，其主体管44直径为1厘米，长度L为8厘米，一端为标准磨口的进气口25，另一端为出气口26，其直径为4毫米，进气口25通过导管和多孔旋塞29、29’与土壤柱T1或T2的出气口13、13’相连；气体采样管P1、P2、P3和P4内置对目标污染物有良好选择性的GDX-502树脂吸附剂27，吸附剂27两端填有玻璃棉填充剂28；每个土壤柱T1或T2至少有两个气体采样管P1和P2或P3和P4，气体通过多孔旋塞29或29’可在两个或多个气体采样管P1和P2或P3和P4之间进行切换，以保证整个装置的密闭性、选择性和连续性，
渗滤液采样器W或W’，如图5.1和图5.2，为圆盘式，直径为36厘米，其中心带有一步进电机30，步进电机30上固定一导管31，其一端与土壤柱的渗滤液出口17,17’通过聚四氟乙烯导管相连，另一端对准渗滤液采样孔32的上方，圆盘周边环状排列24个采样孔32，每个采样孔中放置一个漏斗33，每个漏斗33下方配一个渗滤液采样瓶34，漏斗33与渗滤液采样瓶34间通过聚四氟乙烯导管相连；渗滤液采样器W或W’的步进电机30驱动导管31，将土壤柱T1或T2流出的渗滤液经由环状排列的采样孔32，送入渗滤液采样瓶34中，实现实时、连续、自动采样，采样时间间隔可在1-9999秒范围内设定；或在人工控制下，以任意时间间隔连续采集。采样瓶34体积不小于采样时间间隔与相应降水速率的乘积。每个土壤柱T1或T2对应一个渗滤液采样器W或W’。
温度计E或E’，为通用的数字式温度计，每个土壤柱T1或T2对应一个温度计E或E’；其温度探头通过预留孔16、47、48或16’、47’、48’插入土壤柱T1或T2中，监测土壤温度；
若为了空气的纯净，可在提供空气源的设备A1和气体流量计A3、A3’之间串联一通用的气体净化器A2；
土壤柱的进气口12和12’、出气口13和13’、预留孔16、47、48或16’、47’、48’、进水口5和5’及渗滤液出口17和17’均采用球形磨口与聚四氟乙烯O形圈35和聚四氟乙烯孔塞36三者吻合密闭，并用法兰盘39和紧固螺栓38固定；聚四氟乙烯孔塞36上预留中通孔37，为温度探头或水、气导管的插入口。聚四氟乙烯孔塞36上具有螺纹，插入的探头或导管用螺帽和密封垫圈密封。
整个装置为密闭型。
实施例2
实验目的：验证本发明的土壤污染实时模拟系统的密闭性，及抗吸附干扰的性能；并利用该模拟系统对进入土壤中的氯苯类化合物的迁移行为进行研究，测定目标化合物的挥发量、渗滤量及在土壤中的残留分布，以验证系统的科学性和实用性，采用实施例1的装置。
对人工配置的受污染土壤采用均匀施入法：
配制氯苯类化合物的混合物水溶液，投加量如表1所示，加入4公斤的土壤中，搅拌均匀待用；向土壤柱T1和T2中置入聚四氟乙烯筛板18，加入砾石层19，砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)19的高度为20mm，将搅拌均匀的4公斤含氯苯类化合物的混合物的土壤平均分为两份，分别加入土壤柱T1和T2中，土壤表面与进气口12、12’和出气口13、13’的高度差为30mm，迅速密闭土壤柱T1和T2。
空气从空气钢瓶A1中流出，经气体净化器A2净化，再经气体流量计A3调节测定空气流量50ml/min，然后流经恒温循环水浴V3调节温度20℃，由土壤柱进气口12和12’分别进入土壤柱T1和T2中，流经土壤表层，再分别从土壤柱T1和T2出气口13和13’流出，气体通过聚四氟乙烯三通旋塞29和29’可在两对气体采样管P1、P2和P3、P4之间切换，从而实现连续采样。流出气中的目标化合物被气体采样管P1、P2和P3、P4的GDX-502树脂吸附剂27吸附。这样携带挥发性氯苯类化合物的混合气体经气体采样管P1、P2、P3和P4采集后，尾气排空。
空气由空气钢瓶A1提供，与使用气泵相比，可保证稳定及洁净气源，不产生噪声。气体流量经空气钢瓶A1上的减压阀和气体流量计A3上的调节阀控制。
恒温循环水浴V3采用美国Cole-parmer公司的P-12111-10型恒温循环水浴；气体采样管P1,P2,P3和P4各内置1克国产GDX-502树脂。
水从蒸馏水槽V1流经蠕动泵V2，控制液体流量0.5ml/min，再经恒温循环水浴V3控制温度在20℃，分别由土壤柱T1和T2盖顶的进水口5和5’经布水器B注入土壤柱T1和T2，再分别经土壤柱T1和T2的渗滤液出口17和17’，收集于渗滤液采样器W和W’中并进行分析。设定渗滤液采样器的采样时间间隔3600秒，可以24小时自动、连续采集24个样品。
蠕动泵选用美国Cole-Parmer公司的MasterFlex7523-37型。
循环液经恒温循环水浴V3预热或预冷，控制温度在20℃，经恒温循环水浴V3内置循环水泵45依次流经土壤柱T1或T2保温层11后，再从末端土壤柱T2循环液出口22’回到恒温循环水浴V3中，循环使用。循环液是水和乙二醇的混合液，其体积比为1∶1。
运转期间，气体样品的采样时间为第0.4、1.25、3.2、7.25及15.25天，对气体采样管中的吸附剂27进行流出气中目标化合物挥发总量分析；渗滤液采样时间为第3.0、6.0、9.0、12.0、15.0天，共采集5个样，进行渗滤液样品中目标化合物的分析；16天运转结束后，土壤按高度平均分为五层，依次取出，每层取两个平行样进行分析。
采用常规方法，对于气体样品，分析方法为溶剂洗脱，净化和气相色谱分析；对于渗滤液样品，分析方法为吸附剂富集，溶剂洗脱，净化，最后气相色谱分析；对于土壤样品，采用索氏提取，净化和气相色谱分析。实验结果如表1。
表1氯苯类化合物在土壤、流出气和渗滤液中的分布
| 氯苯类化合物 | 氯苯类化合物浓度(μg/kg土壤) | 土壤中总量(μg)* (％)** | 渗滤液中总量(μg)* (％)** | 流出气中总量(μg)* (％)** | 总回收率(％) | |||
| 1,3-二氯苯 | 6.14×103 | 9.03×103 | 98.65 | 0.11 | 0.001 | 123.71 | 1.35 | 74.6 |
| 1,2-二氯苯 | 9.22×103 | 16.27×103 | 98.69 | - | - | 215.80 | 1.31 | 88.5 |
| 1,3,5-三氯苯 | 385.0 | 559.1 | 99.17 | - | - | 4.69 | 0.83 | 73.2 |
| 1,2,4-三氯苯 | 1.56×103 | 2.44×103 | 99.67 | - | - | 8.10 | 0.33 | 78.5 |
| 1,2,3-三氯苯 | 453.66 | 865.71 | 99.53 | 0.13 | 0.001 | 4.09 | 0.47 | 95.9 |
| 1,2,3,5-四氯苯 | 441.73 | 815.91 | 99.55 | 0.071 | 0.01 | 3.60 | 0.44 | 92.8 |
| 1,2,3,4-四氯苯 | 300.43 | 573.86 | 99.36 | 0.006 | 0.001 | 3.69 | 0.64 | 96.1 |
| 五氯苯 | 105.29 | 193.85 | 99.56 | 0.04 | 0.02 | 0.82 | 0.42 | 92.5 |
| 六氯苯 | 200.09 | 387.43 | 99.84 | 0.02 | 0.01 | 0.59 | 0.15 | 97.0 |
●*各氯苯类化合物总量
●**各氯苯类化合物在固、气、液三相中含量占回收总量的百分比
●平均回收率=86.57％
实施例3
对人工配置的受污染土壤采用表面施入法：
向土壤柱T1和T2中置入聚四氟乙烯筛板18、砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)19，砾石层19的高度为20mm，将受试土壤加入土壤柱T1和T2中，使土壤表面与土壤柱进气口或出气口13或13’的高度差为30-80mm，将预先配制好污染化合物的混合物水溶液均匀洒在土壤表面，迅速密闭土壤柱。
模拟环境条件改为低温低气流：温度5℃，气体流量15ml/min，降水速率3ml/min。其余方法同实施例2。该条件模拟了环境中气温较低的季节，风速、降水或灌溉量均较小的情况。实验结果如表2。
表2 低温低气流条件下的化合物分配
| 氯苯类化合物 | 加入氯苯类化合物浓度(μg/kg土壤) | 土壤中总量(μg)* (％)** | 渗滤液中总量(μg)* (％)** | 流出气中总量(μg)* (％)** | 总回收率(％) | |||
| 1,3-二氯苯 | 7.38×103 | 10.85×103 | 99.25 | 0.60 | 0.01 | 81.27 | 0.74 | 75.1 |
| 1,2-二氯苯 | 9.51×103 | 14.84×103 | 99.31 | 1.35 | 0.01 | 102.24 | 0.68 | 78.6 |
| 1,3,5-三氯苯 | 377.20 | 535.96 | 99.52 | 0.02 | 0.004 | 2.56 | 0.48 | 71.4 |
| 1,2,4-三氯苯 | 0.88×103 | 1.25×103 | 99.70 | 0.33 | 0.03 | 3.49 | 0.28 | 74.6 |
| 1,2,3-三氯苯 | 306.80 | 565.61 | 99.81 | 0.066 | 0.01 | 1.03 | 0.18 | 92.4 |
| 1,2,3,5-四氯苯 | 341.67 | 611.16 | 99.89 | 0.046 | 0.01 | 0.63 | 0.10 | 89.6 |
| 1,2,3,4-四氯苯 | 240.0 | 419.88 | 99.90 | 0.043 | 0.01 | 0.38 | 0.09 | 87.6 |
| 五氯苯 | 101.41 | 186.29 | 99.95 | 0.034 | 0.02 | 0.06 | 0.03 | 91.9 |
| 六氯苯 | 154.23 | 292.94 | 99.96 | 0.093 | 0.03 | 0.01 | 0.003 | 95.0 |
* 各氯苯类化合物总量
**各氯苯类化合物在固、气、液三相中含量占回收总量的百分比平均回收率=84.02％
实施例4
直接采用受污染土壤：
向土壤柱T1或T2中置入聚四氟乙烯筛板18、砾石层(包括砾石，细砂和玻璃棉)19，砾石层19的高度为20mm，将受污染的土壤加入土壤柱T1或T2中，使土壤表面与土壤柱T1或T2进气口或出气口13或13’的高度差为30-80mm，迅速密闭土壤柱。
环境条件采用高温大气流条件：温度35℃，气体流量90ml/min，降水速率20ml/min。其余方法同实施例2。该条件模拟了高温季节常出现的大风暴雨的天气条件。实验结果如表3。
表3 高温大气流条件下化合物的分配
| 氯苯类化合物 | 土壤中总量(μg)* (％)** | 渗滤液中总量(μg)* (％)** | 流出气中总量(μg)* (％)** | |||
| 1,3-二氯苯 | 9.12×103 | 97.66 | 9.68 | 0.10 | 209.23 | 2.2 |
| 1,2-二氯苯 | 13.24×103 | 97.87 | 18.39 | 0.14 | 270.31 | 2.0 |
| 1,3,5-三氯苯 | 518.16 | 98.43 | 0.047 | 0.01 | 8.23 | 1.6 |
| 1,2,4-三氯苯 | 1.31×103 | 98.99 | 0.52 | 0.04 | 12.83 | 1.0 |
| 1,2,3-三氯苯 | 502.10 | 99.28 | 0.102 | 0.02 | 3.52 | 0.7 |
| 1,2,3,5-四氯苯 | 561.50 | 99.31 | 0.086 | 0.02 | 3.82 | 0.68 |
| 1,2,3,4-四氯苯 | 391.02 | 99.32 | 0.059 | 0.01 | 2.60 | 0.66 |
| 五氯苯 | 213.65 | 99.53 | 0.079 | 0.04 | 0.93 | 0.43 |
| 六氯苯 | 298.85 | 99.78 | 0.29 | 0.10 | 0.36 | 0.12 |
*各氯苯类化合物总量
**各氯苯类化合物在固、气、液三相中含量占回收总量的百分比实验结果表明：(1)土壤污染实时模拟装置对中度挥发性的氯苯类化合物平均回收率最高
可达86.57％，证明该系统密闭性良好；(2)该系统可以严格控制土壤温度、气流量和降水流量，实验误差在允许
范围内，可以进行化合物迁移行为的研究；(3)实验取得了有科学价值的结果：
a)在短期内施入土壤中的氯苯类化合物主要滞留在土壤相中，少量挥
发进入大气和随渗滤液进入地表及地下径流；
b)随氯原子取代数的增加，氯苯类化合物饱和蒸汽压及水溶性逐渐减
小，更倾向于滞留在土壤中。
Claims (9)
1、一种研究污染物在土壤中迁移和转化的方法，其特征在于步骤为：
A．将研究的污染物及土壤加入土壤柱中：
(1)．直接采用受污染土壤：
向土壤柱(T1)或(T2)中置入聚四氟乙烯筛板(18)、砾石层(19)，砾石层(19)的高度为20mm，将受污染的土壤加入土壤柱(T1)或(T2)中，使土壤表面与土壤柱(T1)或(T2)进气口或出气口(13)或(13’)的高度差为30-80mm，迅速密闭土壤柱；
或(2)．对人工配置的受污染土壤采用均匀施入法：
配制污染化合物的混合物水溶液，加入未被目标污染物污染的土壤中，搅拌均匀待用，土壤重量及污染化合物的浓度依研究需要而定；向土壤柱(T1)或(T2)中置入聚四氟乙烯筛板(18)、砾石层(19)，砾石层(19)的高度为20mm，将人工配置的受污染土壤加入土壤柱(T1)或(T2)中，使土壤表面与土壤柱(T1)或(T2)进气口或出气口(13)或(13’)的高度差为30-80mm，迅速密闭土壤柱；
或(3)．对人工配置的受污染土壤采用表面施入法：
向土壤柱(T1)或(T2)中置入聚四氟乙烯筛板(18)、砾石层(19)，砾石层(19)的高度为20mm，将未被目标污染物污染的土壤加入土壤柱(T1)或(T2)中，使土壤表面与土壤柱(T1)或(T2)进气口或出气口(13)或(13’)的高度差为30-80mm，迅速密闭土壤柱，将预先配制的污染物水溶液均匀洒在土壤表面，土壤重量及污染化合物的浓度依研究需要而定；
B．采用气相通路、液相通路和循环液通路收集经土壤柱流出的气体样品和渗滤液样品：
气相通路：空气从提供空气源的设备(A1)中流出，经气体流量计(A3)调节空气流量在15-90ml/min，然后流经恒温循环水浴(V3)调节温度在5-35℃，由土壤柱(T1)或(T2)进气口(12)或(12’)进入土壤柱(T1)或(T2)，流经土壤表层，再从土壤柱(T1)或(T2)出气口(13)或(13’)流出，气体通过聚四氟乙烯三通旋塞(29)或(29’)在两个气体采样管(P1)和(P2)或(P3)和(P4)之间切换，从而实现连续采样，流出气中的目标化合物被气体采样管(P1)和(P2)或(P3)和(P4)中的吸附剂(27)吸附，尾气排空；每个土壤柱(T1)或(T2)对应一条气相通路；
液相通路：水从提供纯净水源的设备(V1)流经蠕动泵(V2)，控制液体流量为0-20ml/min，再经恒温循环水浴(V3)控制温度范围在5-35℃，由土壤柱(T1)或(T2)盖顶的进水口(5)或(5’)经布水器(B)注入土壤柱(T1)或(T2)，再经土壤柱(T1)或(T2)的渗滤液出口(17)或(17’)，收集于渗滤液采样器(W)或(W’)中供分析；渗滤液采样器(W)或(W’)在自动采样模式下，采样时间间隔设定在1-9999秒范围内；或在人工控制下，以任意时间间隔连续采集；每个土壤柱对应一条液相通路；
循环液通路：循环液经恒温循环水浴(V3)预热或预冷，控制温度范围在5-35℃，从而控制土壤柱(T1)或(T2)温度在5-35℃，循环液经恒温循环水浴(V3)内置循环水泵(45)，依次以串联形式流经土壤柱(T1)和(T2)保温层(11)后，再从末端土壤柱(T2)循环液出口(22’)回到恒温循环水浴(V3)中，循环使用；
C．分析样品研究污染物在土壤中迁移和转化：
运转结束后，采用常规方法，对气体采样管(P1)和(P2)或(P3)和(P4)中的吸附剂(27)进行流出气中目标化合物挥发总量分析；对于渗滤液样品及土壤中的目标化合物进行渗滤量及残留量分析。
2．如权利要求1所述的研究污染物在土壤中迁移和转化的方法，其特征在于空气从提供空气源的设备(A1)中流出后经气体净化器(A2)净化再流入气体流量计(A3)。
3．如权利要求1-2所述的一种研究污染物在土壤中迁移和转化的装置，其特征在于包括
一个提供空气源的设备(A1)；
一个通用的气体净化器(A2)；
通用的气体流量计(A3)，每个气体流量计对应一条气相通路；
一个恒温循环水浴(V3)，内置循环水泵(45)，其后部有循环液进口(24)和循环液出口(23)，上部面板上有气相进口(14)或(14’)、液相进口(3)或(3’)和气相出口(15)或(15’)、液相出口(4)或(4’)；每个土壤柱(T1)或(T2)分别对应一组气相进出口(14)和(15)或(14’)和(15’)和液相进出口(3)和(4)或(3’)和(4’)；受温度控制的进入土壤柱(T1)或(T2)的流体均在各自的管路中流动，这些管路的热交换段浸在循环液中；
其中提供空气源的设备(A1)、气体净化器(A2)、气体流量计(A3)和恒温循环水浴(V3)之间以导管相连，并且气体流量计(A3)与恒温循环水浴(V3)的气相进口(14)或(14’)相连；三者(A1)、(A3)和(V3)的位置关系能保证流体顺畅流动；
一个提供纯净水源的设备(V1)；
一个可变速多通道蠕动泵(V2)，每一个土壤柱(T1)或(T2)对应一条水源通路；其进口(1)或(1’)和出口(2)或(2’)分别与提供纯净水源的设备(V1)和恒温循环水浴(V3)的液相进口(3)或(3’)以管路相连；
土壤柱(T1)或(T2)，为圆柱形；分为柱盖和柱体，柱盖形状为半球形，柱盖顶端有进水口(5)或(5’)，内置布水器(B)，通过导管(6)或(6’)与恒温循环水浴(V3)液相出口(4)或(4’)相连，布水器(B)布水板(7)夹在柱盖和柱体之间，其上下均垫以聚四氟乙烯O形圈，为保证密封，聚四氟乙烯O形圈外缠聚四氟乙烯生料带，柱盖和柱体之间通过法兰盘(8)和紧固螺栓(9)紧固密封；
其中布水器(B)上部是进水管(40)，下部是布水板(7)，布水板(7)上分散有若干小孔(43)，小孔(43)个数选择以使布水均匀为目的，小孔(43)与进水管(40)之间由小导管(42)连接，小导管(42)用粘合剂(41)固定在进水管(40)下部；
柱体为双层保温结构，内层为土壤室(10)，内层(10)与外层之间为保温层(11)；内层(10)上部左右两侧分别设有进气口(12)或(12’)和出气口(13)或(13’)，进气口(12)或(12’)和出气口(13)或(13’)分别与恒温循环水浴(V3)面板上的气相出口(15)或(15’)和多孔旋塞(29)或(19’)相连，进气口(12)或(12’)和出气口(13)或(13’)在同一水平高度；内层(10)中部间隔设有三个预留孔(16)、(47)和(48)或(16’)、(47’)和(48’)，作为温度探头插入口，与温度计(E)或(E’)相连，或作为土壤分层采样口，其位置基本均匀分布，保证能够分段采样或测温；内层(10)底部设有渗滤液出口(17)或(17’)，渗滤液出口(17)或(17’)与渗滤液采样器(W)或(W’)相连；土壤室(10)下部置聚四氟乙烯筛板(18)，以支撑砾石层(19)和土壤层(20)，砾石的粒径为4-6mm，土壤层(20)的高度(H0)为180mm-230mm，土壤表面与进气口(12)或(12’)或出气口(13)或(13’)的高度差(H3)为30mm～80mm；
柱体夹层作为保温层(11)，其下侧端设有循环液进口(21)或(21’)，与恒温循环水浴(V3)循环液出口(23)相连，上侧端设有循环液出口(22)或(22’)，与恒温循环水浴(V3)的循环液进口(24)相连；
土壤柱(T1)或(T2)的个数选择应使土壤柱(T1)或(T2)的散热或受热功率总和不大于恒温循环水浴(V3)的保温或冷却功率；
气体采样管(P1)、(P2)、(P3)或(P4)，为子弹形管，一端为标准磨口的进气口(25)，另一端为出气口(26)，该进气口(25)通过导管和多孔旋塞(29)或(29’)与土壤柱(T1)或(T2)的出气口(13)或(13’)相连，气体采样管(P1)、(P2)、(P3)或(P4)内置对目标污染物有良好选择性的吸附剂(27)，吸附剂(27)两端填有填充剂(28)，每个土壤柱(T1)或(T2)至少有两个气体采样管(P1)和(P2)或(P3)和(P4)；
渗滤液采样器(W)或(W’)，为圆盘式，直径为36厘米，其中心带有一步进电机(30)，步进电机(30)上固定一导管(31)，其一端与土壤柱的渗滤液出口(17)或(17’)通过聚四氟乙烯导管相连，另一端对准渗滤液采样孔(32)的上方，圆盘周边环状排列24个采样孔(32)，每个采样孔(32)中放置一个漏斗(33)，每个漏斗(33)下方配一个渗滤液采样瓶(34)，漏斗(33)与渗滤液采样瓶(34)间通过聚四氟乙烯导管相连；渗滤液采样器(W)或(W’)的核心是一个由步进电机(30)驱动的导管(31)，将土壤柱(T1)或(T2)流出的渗滤液经由环状排列的采样孔(32)，送入渗滤液采样瓶(34)中，每个土壤柱(T1)或(T2)对应一个渗滤液采样器(W)或(W’)；
温度计(E)或(E’)，为通用数字式温度计，每个土壤柱(T1)或(T2)对应一个温度计(E)或(E’)，其温度探头通过预留孔(16)、(47)、和(48)或(16’)、(47’)和(48’)插入土壤柱(T1)或(T2)中，监测土壤温度；
土壤柱(T1)或(T2)的进气口(12)或(12’)、出气口(13)或(13’)、预留孔(16)、(47)、和(48)或(16’)、(47’)和(48’)、进水口(5)或(5’)和渗滤液出口(17)或(17’)均采用球形磨口与聚四氟乙烯O形圈(35)和聚四氟乙烯孔塞(36)三者吻合密闭，并用法兰盘(39)和紧固螺栓(38)固定；聚四氟乙烯孔塞(36)上预留中通孔(37)，为温度探头或水、气导管的插入口；聚四氟乙烯孔塞(36)上具有螺纹，插入的探头或导管用螺帽和密封垫圈密封；
整个装置为密闭型。
4．如权利要求3所述的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置，其特征在于所述的提供空气源的设备(A1)为空气钢瓶，气体流量经空气钢瓶上的减压阀和气体流量计(A3)上的调节阀控制；提供水源的设备(V1)为蒸馏水水槽。
5．如权利要求3所述的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置，其特征在于所述的土壤柱(T1)或(T2)的总容积V=3.22升，其中土壤层(20)的有效容积为1.57升；
6．如权利要求3所述的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置，其特征在于所述的土壤柱(T1)或(T2)材质为玻璃，所有导管均为聚四氟乙烯管；气体采样管(P1)、(P2)、(P3)或(P4)材质为玻璃；渗滤液采样瓶(34)体积不小于采样时间间隔与相应降水速率的乘积。
7．如权利要求3所述的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置，其特征在于所述的吸附剂(27)为高分子大孔树脂；填充剂(28)为玻璃棉。
8．如权利要求3或7所述的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置，其特征在于所述的高分子大孔树脂为GDX-502树脂。
9．如权利要求3所述的研究污染物在土壤中迁移和转化的装置，其特征在于在提供空气源的设备(A1)和气体流量计(A3)或(A3’)之间串联一通用的气体净化器(A2)。
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