CN212110863U - 海水中有机污染物原位萃取富集采样装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于海洋环境调查技术领域，涉及一种应用于海水有机污染物的原位萃取富集采样装置及方法。一种海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，包括样品萃取富集单元、进样单元、排水单元、压力平衡单元、样品洗脱单元、样品转移单元及控制电路板总成；所述进样单元、排水单元、压力平衡单元、样品洗脱单元、及样品转移单元均与所述样品萃取富集单元连接，各单元在所述控制电路板总成的控制下，完成海水中有机污染物的进样、萃取、富集。本实用新型的装置采样过程采用闭‑开‑闭的方式，有效的解决了采样装置下潜过程中不同水层间的交叉污染问题。搭配水深传感器，可实现任意目标水位的样品采集，能够真实反应出原位污染的情况，对海水剖面调查十分有利。

Description

海水中有机污染物原位萃取富集采样装置

技术领域

本实用新型属于海洋环境调查技术领域，具体地说，是涉及一种应用于海水有机污染物的原位萃取富集采样装置。

背景技术

多环芳烃(Polycyclic aromatic hydrocarbons，简称简称 PAHs) 是一类广泛存在于环境中具有两个或两个以上苯环的持久性有机污染物。海洋环境中的有机污染物主要来自石油泄漏、污水排放、大气沉降以及地表径流等途径，这些污染物很容易在鱼、贝类等海洋生物体中蓄积，并最终通过食物链影响人类健康。近年来，随着海洋污染的加剧，PAHs的监测越来越引起人们的重视。

目前水体中有机污染物污染监测多以原位传感器监测和调查取样-实验室分析为主。鉴于海水中，尤其是深远海中有机污染物 的绝对含量非常低，前者受制于监测方法通常无法检出。而后者为了提高其被检出的几率，通常需要采集大量样品，这给采集、转运等带来了很大不便。此外，样品在实验室分析之前需经过复杂的萃取浓缩处理。传统预处理过程(液液萃取(LLE)、固相萃取(SPE)等)存在洗脱液用量大、萃取柱容易堵塞等问题，并具有较大的时滞性。目前，现有技术中尚没有可直接用于水下原位萃取富集的采样装置。

实用新型内容

为了解决现有的水下原位萃取富集监测技术存在的问题，本实用新型提供一种海水中有机污染物原位萃取富集采样装置。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：一种海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，包括样品萃取富集单元、进样单元、排水单元、压力平衡单元、样品洗脱单元、样品转移单元及控制电路板总成；所述进样单元、排水单元、压力平衡单元、样品洗脱单元、及样品转移单元均与所述样品萃取富集单元连接，各单元在所述控制电路板总成的控制下，完成海水中有机污染物的进样、萃取、富集。

作为本实用新型的一种优选方式，所述的样品萃取富集单元主要包括样品处理罐、搅拌电机、搅拌架；所述样品处理罐上设有多个接口，所述接口用于连接其他单元；所述搅拌电机通过接口安装在所述样品处理罐上，并与样品处理罐内部的搅拌架连接；样品处理罐内部底端设有锥形收口；所述锥形收口的下方设有样品洗脱腔。

进一步优选地，所述搅拌架由圆柱型密封轴、环形板式结构和螺旋轴组成；所述圆柱形密封轴设置在环形板式结构的顶部，螺旋轴设置在环形板式结构的底部；所述螺旋轴的螺旋方向为自下向上；所述环形板式结构的下部为锥形，与所述样品处理罐的锥形收口贴合。

进一步优选地，所述样品处理罐的内壁涂覆有特氟龙涂层。

作为本实用新型的另一种优选方式，所述的进样单元主要由第一流量计、第一电动球阀、第一水泵组成；第一水泵的出水口通过管道与所述样品处理罐上的接口连接；所述管道上依次连接第一电动球阀、第一流量计。

进一步优选地，所述第一水泵的头部设有过滤罩，包裹起入水口

进一步优选地，所述控制电路板总成监测所述第一流量计的信号，当达到设定值时，关闭第一电动球阀和第一水泵。

作为本实用新型的另一种优选方式，所述排水单元主要由第二流量计、第二电动球阀、第二水泵、过滤网组成；所述过滤网安装在所述样品处理罐的接口内，并与其紧密相贴合；所述第二水泵通过管道与所述样品处理罐的接口连接，所述管道上依次连接第二电磁阀、第二流量计。

进一步地，所述控制电路板总成监测所述第二流量计的信号，当无信号输出时，关闭第二电动球阀和第二水泵。

作为本实用新型的另一种优选方式，所述的压力平衡单元主要包括平衡气罐、平衡塞、防脱盖；平衡气罐为带底的容器并且底部设有通气孔；所述通气孔通过管道与所述样品处理罐的接口连接；所述防脱盖安装于平衡气罐的顶部；所述平衡塞安装在所述平衡气罐内部，随着外部水压或者内部气压的变化在平衡气罐内上下移动。

作为本实用新型的另一种优选方式，样品洗脱单元包括第一电动推杆、第一注射器、单向阀；第一注射器的活塞杆尾部与第一电动推杆连接，其内部预先填充了洗脱液；第一注射器的头部通过聚四氟液管与单向阀相连；所述单向阀终端通过管道与样品处理罐的接口连接，单向阀的开通方向由注射器一端指向样品处理罐。

作为本实用新型的另一种优选方式，样品转移单元包含转接头、多通阀、采样瓶、第二电动推杆、第二注射器；多通阀的其中一路通过转接头与所述样品洗脱腔的出口连接；一路通过聚四氟液管与第二注射器的注射端相连，一路与排液管相连；至少有一路连接一个采样瓶；第二注射器的活塞杆尾部与第二电动推杆连接；第二电动推杆由控制电路板总成操控。

进一步地，本实用新型的装置还包括压力传感器，所述压力传感器用于采集装置所处水深的压力值。

与现有技术相比，本实用新型的优点和有益效果是：本实用新型专门针对海水中痕量有机污染物给出了一套集原位采样、萃取、富集功能为一体的设备，整个过程均在水下原位完成，最终获得高倍浓缩的样品，可与实验室的气相液相分析设备无缝链接。采样过程采用闭-开-闭的方式，有效的解决了采样装置下潜过程中不同水层间的交叉污染问题。搭配水深传感器，可实现任意目标水位的样品采集，能够真实反应出原位污染的情况，这对于海水剖面调查十分有利。

附图说明

图1是本实用新型所提出的海水中有机污染物原位萃取富集采样方法的一种实施例的整体外观图；

图2的局部结构剖视图；

图3是图1中去掉外壳后内部主要部件的连接示意图；

图4是样品处理罐的结构示意图；

图5是搅拌架结构示意图；

其中，各附图标记如下：

1.样品处理罐；2.密封壳；3.控制电路板总成；4.第三电动球阀；5.平衡气罐；6.平衡塞；7.防脱盖；8.第一流量计；9.第一电动球阀；10.第一水泵；11.过滤罩；12.搅拌电机；13.搅拌架；14.过滤网；15.过滤膜；16.转接头；17.多通阀；18.采样瓶；19.第一电动推杆；20.第一注射器；21.单向阀；22.第二电动推杆；23.第二注射器；24.压力传感器；25.水密连接器、26.吊环、27.第二流量计、28.第二电动球阀、29.第二水泵、30.排液管。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。附图中给出了本实用新型的较佳的实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。

本实施例为了减少海水中有机污染物样品的采样及转运的工作量，同时能够真实反映目标水位的污染情况和满足后续实验室分析设备的要求，提出了一种在海水中原位萃取富集的采样装置，并且采用纳米粒子萃取富集海水中目标物质的方法，通过闭开闭的采样、搅拌、洗脱等一系列处理手段，最终获得体积较小的高富集样品。

本实用新型提供的其中一个实施例是：一种用于海水中有机污染物原位萃取富集采样的装置。

如图2和3所示，本实施例的海水中有机污染物原位萃取富集采样的装置（以下简称富集采样装置）主要由样品萃取富集单元、进样单元、排水单元、压力平衡单元、样品洗脱单元、样品转移单元、控制电路板总成、密封壳、压力传感器、水密连接器等组成。

样品萃取富集单元，主要包含样品处理罐1、搅拌电机12、搅拌架13。

其中，样品处理罐1为圆柱型中空容器，如图4所示，在样品处理罐1的侧壁上依次设有平衡气接口101、样品入口102、样品出口103、洗脱液入口106；样品处理罐1的顶部设有搅拌电机连接口104，底部设置样品洗脱腔107，样品洗脱腔107的下端设置转接头安装口108。平衡气接口101、样品入口102、洗脱液入口106均与样品处理罐1的内腔连通。

此外，样品处理罐1内部底端设有锥形收口105，锥形收口105的下端与样品洗脱腔107的上端相接，便于样品收集。样品出口103与样品洗脱腔107的上端连通。

搅拌架13设置在样品处理罐1的内腔，通过搅拌电机连接口104与搅拌电机12相连。搅拌电机12位于样品处理罐1的顶部。

本实施例中，搅拌架13的结构如图5所示，其顶部为圆柱型密封轴131，设有密封圈安装槽；其中部为一段与样品处理罐1内部的锥形收口105构造相贴合的环形板式结构130；其下部为一段螺旋柱132，螺旋柱13设置在环形板式结构130的底部中心，其螺旋方向自底向上。

本实施例中，样品萃取富集单元主要为海水样品提供一个存储、萃取、解吸目标物质的空间。工作时，样品处理罐1的内腔预先盛放足量的功能化纳米粒子。海水样品进入内腔后，通过搅拌的方式使两者充分接触混合，完成目标物质的吸附。为了防止目标污染物的粘附、残留，样品处理罐1的内腔均做了特氟龙涂层。

进样单元主要由第一流量计8、第一电动球阀9、第一水泵10、过滤罩11组成。过滤罩11安装于第一水泵10的头部，将其入水口包裹住。过滤罩11周向设有竖条切缝，有效过滤水体中的杂物和较大颗粒。

第一水泵10的出水口通过管道与样品入口102连接 ，并在管道上依次安装有第一电动球阀9、第一流量计8。

第一电动球阀9，受控制电路板总成3的控制，两头设有安装内螺纹，与管道螺纹连接，采用316L不锈钢材质。

第一流量计8为电磁感应流量计，用来计量进样的体积，两头设有安装外螺纹。

进样单元主要由水泵提供动力，电动球阀实现管路通断；流量计来记录海水样品体积，作为富集倍数的计算依据。当通过流量计计算的体积达到预设值时，控制电路板总成3可根据第一流量计8的反馈信号进而依次关闭第一水泵10、第一电动球阀9。

排水单元主要由第二流量计27、第二电动球阀28、第二水泵29、过滤网14组成。其中，过滤网14为中空圆柱结构，安装于样品洗脱腔107的内部，并于其内壁紧密相贴合，防止排水过程中纳米粒子随水流排出。

第二水泵29通过管道与样品出口103连接，并在管道上依次安装有第二电动球阀28、第二流量计27。

第二电动球阀28，受控制电路板总成3的控制，两头设有安装内螺纹，与管道螺纹连接，采用316L不锈钢材质。

此处的第二流量计27为电磁感应流量计，用来计量出样的体积，两头设有安装外螺纹。控制电路板总成3监测第二流量计27信号，当无信号输出时依次关闭第二水泵29、第二电动球阀28。

压力平衡单元作用是保持样品处理罐1的内外压力相当，使进样和排水过程顺畅进行。包括第三电动球阀4、平衡气罐5、平衡塞6、防脱盖7。平衡气罐5为带底的圆管结构，并且底部设有通气孔。通气孔通过管道与样品样品处理罐1的平衡气接口101连接。

平衡塞6设有密封圈安装槽，密封圈安装在安装槽内，使平衡塞6与平衡气罐5内壁之间达到密封效果。平衡塞6可以随着外部水压或者内部气压的变化在平衡气罐5底部和防脱盖7的限制下移动。

压力平衡单元的作用是保持采样时样品萃取富集单元的样品处理罐1内外压力平衡。萃取富集采样装置下放到一定水深，样品处理罐1外部压力必定大于内部。随着压力的变化，平衡塞6浮动，平衡压力，使进样和排水过程顺畅进行。此外，压力平衡单元可为样品处理罐1节省更多的储水空间。

样品洗脱单元由第一电动推杆19、第一注射器20、单向阀21组成。第一注射器20的活塞杆尾部与第一电动推杆19连接，其内部预先填充了洗脱液，用来洗脱纳米粒子吸附的目标物质。注射器的注射端通过聚四氟液管与单向阀21相连。单向阀21的开通方向由注射器一端指向样品处理罐1，其终端通过管道与洗脱液入口106直连。

第一电动推杆19由控制电路板总成3操纵，采用12V供电，行程为50mm，推进速度为5mm/s。

样品洗脱单元主要完成洗脱液的存储、往样品处理罐1内腔添加洗脱液的功能。

样品转移单元包含过滤膜15、转接头16、多通阀17、采样瓶18、第二电动推杆22、第二注射器23。过滤膜15为圆片形，钛合金材质。安装于转接头安装口108的底部，并由转接头16压紧。转接头16的一端设有外螺纹，一端为宝塔接口，轴心设有液体通道。

多通阀17至少为5路，一路通过聚四氟液管与转接头16的外螺纹相连，一路通过聚四氟液管与第二注射器23相连，一路与排液管30相连。另外两路分别连接一个采样瓶18。第二注射器23的活塞杆尾部与第二电动推杆22连接，注射器的注射端通过聚四氟液管与多通阀17相连。第二电动推杆22采用12V供电，行程为50mm，工作速度为5mm/s。通过控制电路板总成3操控第二电动推杆22往复运动，进而实现第二注射器23的抽拉与推进，实现残留样品或者洗脱液的转移。

样品转移单元主要用来转移解吸后的洗脱液，将其转移到采样瓶中。

压力传感器24采用MS5837-30BA芯片，采用316L不锈钢外壳，环氧树脂灌封，测量水深高达300m。采用压力传感器来监测控制目标水深，与岸基控制盒信息互传，搭配电动球阀、水泵等执行部件，实现采样装置闭开闭的采水模式，满足任意目标水位的采样需求的同时，能有效减少下放过程中的交叉污染，真实反映原位水样的污染情况。

在本实施例中，由于该装置需要下放到海水中，为了保证各单元仪器部件的正常工作，将各单元仪器部件均置于4密封壳2内。水泵、平衡气罐和压力传感器位于密封壳的外部。在密封壳2上设置有吊环26和水密连接器25。该吊环的作用是便于装置的投放。如图1所示。

本实用新型提供的富集装置，工作原理和过程包括以下步骤：

S601、准备工作。

称取足量的功能化纳米粒子（萃取介质），预先填充到样品处理罐1中。

装置上电，控制电路板总成3输出指令，打开第三电动球阀4，关闭第一电动球阀9、第二电动球阀28。第一电动推杆19回缩，第二电动推杆22伸出。

第一注射器20中预装洗脱液洗脱液，活塞杆尾部与第一电动推杆19头部相连。

第二注射器23的活塞推到头部，活塞杆尾部与第二电动推杆22头部相连。

S602、采集压力传感器24的信号。

海水中有机污染物原位萃取富集采样有两种工作模式：

一种是定水深模式，通过设定目标水深，当压力传感器24的信号与之匹配时，萃取富集采样工作自动运行。

另一种是任意水深的手动控制模式。通过实时采集压力传感器24的信号，在需要采样的水层，手动启动萃取富集采样工作。

S603、打开第一电动球阀9，延时一段时间，启动第一水泵10。

S604、实时读取第一流量计8信号，当通过流量计计算的样品体积达到预设值时，依次关闭第一水泵10、第一电动球阀9，完成一次进样过程。

每次执行该步骤时流量累计，总流量作为富集倍数的计算依据。

S605、关闭第三电动球阀4、启动搅拌电机12高速旋转。纳米粒子在搅拌架13的作用下，充分与海水样品接触，完成目标物质的萃取。等待设定时间倒计时结束搅拌。

S606、打开第三电动球阀4、第二电动球阀28，延时一段时间，启动第二水泵29。

S607、实时监控第二流量计27，当无流量信号输出时，依次关闭第二水泵29、第二电动球阀28，完成一次排水过程。

S608、重复执行S603～S607。重复次数通常由采样水域的目标物质含量水平来确定，以期获得合适的富集浓度样品，用于后续监测分析。

S609、多通阀17切换到样品罐1与第二注射器23管路联通。启动第二电动推杆22，第二注射器23在推杆的抽拉作用下，完成样品处理罐1中残留的水样的抽取。停止第二电动推杆22。

S610、多通阀17切换到排液管30与第二注射器23管路联通。启动第二电动推杆22，第二注射器23内的水样在推杆的推进下从排液管30中排出，完成样品处理罐1中残留的水样的排空。停止第二电动推杆22。

S611、启动第一电动推杆19，第一注射器20在推杆的推动下，将洗脱液注入到样品处理罐1中。

由于第一电动推杆19的推进速度确定，只需要控制推进时间就可控制洗脱液的添加量。停止第一电动推杆19。

S612、关闭第三电动球阀4、启动搅拌电机12低速旋转。纳米粒子在搅拌架13下部螺旋轴的作用下，充分与洗脱液接触，完成目标物质的解吸。至此，洗脱溶剂中包含了所需测量的目标物质。等待设定时间倒计时。计时时间到关停搅拌电机12。

S613、多通阀17切换到样品罐与第二注射器23管路联通。启动第二电动推杆22，第二注射器23在推杆的抽拉作用下，完成样品处理罐1中洗脱液的抽取。停止第二电动推杆22。

S614、多通阀17切换到采样瓶18与第二注射器23管路联通。启动第二电动推杆22，第二注射器23内的洗脱液在推杆的推动下进入采样瓶18中，完成样品处理罐1中目标物质的转移。停止第二电动推杆22。

可视情况将洗脱液装进一个采样瓶中，或者分装进两个样品瓶中，作为平行样使用。至此，目标物质的萃取富集采样工作处理过程完成。

基于本实用新型开发的萃取富集采样装置相比于传统的调查手段，避免了大量水样的采集、运输、样品交叉污染，有效降低了运输保存成本，并提高了分析结果的准确性。采样过程采用闭-开-闭的方式，有效的解决了采样装置下潜过程中不同水层间的交叉污染问题。搭配水深传感器，可实现任意目标水位的样品采集，能够真实反应出原位污染的情况，这对于海水剖面调查十分有利。

Claims (10)

1.一种海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：包括样品萃取富集单元、进样单元、排水单元、压力平衡单元、样品洗脱单元、样品转移单元及控制电路板总成；所述进样单元、排水单元、压力平衡单元、样品洗脱单元、及样品转移单元均与所述样品萃取富集单元连接，各单元在所述控制电路板总成的控制下，完成海水中有机污染物的进样、萃取、富集。

2.根据权利要求1所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：所述的样品萃取富集单元主要包括样品处理罐、搅拌电机、搅拌架；所述样品处理罐上设有多个接口，所述接口用于连接其他单元；所述搅拌电机通过接口安装在所述样品处理罐上，并与样品处理罐内部的搅拌架连接；样品处理罐内部底端设有锥形收口；所述锥形收口的下方设有样品洗脱腔。

3.根据权利要求2所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：所述搅拌架由圆柱形密封轴、环形板式结构和螺旋轴组成；所述圆柱形密封轴设置在环形板式结构的顶部，螺旋轴设置在环形板式结构的底部；所述环形板式结构的下部为锥形，与所述样品处理罐的锥形收口贴合。

4.根据权利要求2所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：所述的进样单元主要由第一流量计、第一电动球阀、第一水泵组成；第一水泵的出水口通过管道与所述样品处理罐上的接口连接；所述管道上依次连接第一电动球阀、第一流量计。

5.根据权利要求4所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：所述控制电路板总成监测所述第一流量计的信号，当达到设定值时，关闭第一电动球阀和第一水泵。

6.根据权利要求2所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：所述排水单元主要由第二流量计、第二电动球阀、第二水泵、过滤网组成；所述过滤网安装在所述样品处理罐的接口处，并与其紧密相贴合；所述第二水泵通过管道与所述样品处理罐的接口连接，所述管道上依次连接第二电磁阀、第二流量计。

7.根据权利要求6所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：所述控制电路板总成监测所述第二流量计的信号，当无信号输出时，关闭第二电动球阀和第二水泵。

8.根据权利要求2所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：所述的压力平衡单元主要包括平衡气罐、平衡塞、防脱盖；平衡气罐为带底的容器，底部设有通气孔；所述通气孔通过管道与所述样品处理罐的接口连接；所述防脱盖安装于平衡气罐的顶部；所述平衡塞安装在所述平衡气罐内部，随着外部水压或者内部气压的变化在平衡气罐内上下移动。

9.根据权利要求2所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：样品洗脱单元包括第一电动推杆、第一注射器、单向阀；第一注射器的活塞杆尾部与第一电动推杆连接；第一注射器的注射端通过聚四氟液管与单向阀相连；所述单向阀终端通过管道与样品处理罐的接口连接，单向阀的开通方向由注射器一端指向样品处理罐；第一电动推杆由控制电路板总成操控。

10.根据权利要求2所述的海水中有机污染物原位萃取富集采样装置，其特征在于：样品转移单元包含转接头、多通阀、采样瓶、第二电动推杆、第二注射器；多通阀的其中一路通过转接头与所述样品洗脱腔的出口连接；一路通过聚四氟液管与第二注射器的注射端相连，一路与排液管相连；至少有一路连接一个采样瓶；第二注射器的活塞杆尾部与第二电动推杆连接；第二电动推杆由控制电路板总成操控。

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