CN102944449A - 一种多组分大气有机污染物被动采样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多组分大气有机污染物被动采样装置，属于空气中有机污染物的采样装置领域。它包括顶部挂钩和采样装置本体组成，还包括挡板、连接杆和内嵌式筛筒，所述的采样装置本体为由N个挡板上下叠加而成的层状结构，挡板之间通过采样装置本体中部的连接杆连接固定；所述的挡板为中间向上突起、四周下垂的帽状结构；最上层的挡板与连接杆的连接通过螺纹连接；所述的内嵌式筛筒竖直放置在采样装置本体内部。本发明能实现对不同类型有机污染物进行收集，并能够同时获取大气的平行样本，满足对挥发性组分和半挥发性组分多环芳烃等化工类污染场地特征污染物的污染调查和监测需求，具有成本低廉，操作简便，便于携带的优点。

Description

一种多组分大气有机污染物被动采样装置

技术领域

本发明属于空气中有机污染物的采样装置领域，更具体地说，涉及一种利用分子扩散和渗透原理可以同时采集室内、外空气中挥发性、半挥发性等多组分有机污染物的被动采样装置。

背景技术

随着我国近年来城市规模不断扩大和经济结构的调整，城市大气污染表现出具有区域性和复合型的污染特征，给城市人群健康安全带来诸多危害。其中，大气中的有毒有机组分从种类上可以分为挥发性组分和半挥发性组分，但现有的大气监测技术多需要辅助的电源动力提供，设备昂贵，无法满足现有室内、室外大尺度、多污染组分的监测需求。例如，当前在国内已发布的相关标准与技术规范中，涉及的大气监测的标准规范主要包括：《GB3095-2012环境空气质量标准》、《NY/T 397-2000 农区环境空气质量监测技术规范》和《HJ/T 194-2005 环境空气质量手工监测技术规范》，这些规范中多采用主动式监测装置进行大气污染组分的采集。目前针对大气中半挥发性有机污染物，如有机氯杀虫剂这一类有毒持久性有机污染物的监测方法未见相关报道。最新版的环境空气质量标准（GB 3095-2012）中对室外空气中的大气飘尘、二氧化硫、氮氧化物、一氧化碳、臭氧等组分的测定方法主要采用的是玻璃注射器、空气采样袋、吸收管、吸附管、滤膜、采样罐等装置进行采集，这些装置多为主动式自动采样方式，而注射器、采样袋、采样罐等手动式采样装置仅能采集数十毫升至数升固定体积、单一组分的空气样品，无法满足目前复杂大气环境的采样要求。

当前用于室内、外大气监测的技术按照监测方式主要分为主动式和被动式。主动式监测技术包括使用人力、电力驱动设备仪器等主动式监测设备来实现环境样品的采集和分析，是使用最为广泛的一种环境监测技术，但这种技术应用于室内、外大气监测存在诸多问题。首先，由于空气中由于污染物浓度较低，通常在ng/m³或pg/m³级，为获得足够的分析量则需要采集数百立方的空气，常规的主动采样器需要电力驱动下连续运行数十小时。其次，由于主动采样器体积大，且配置精密的切割器、无刷电机等设备，价格较昂贵，不便于移动，因此对采样操作人员有一定技术要求，使用时需有人值守，应用于室内、外大气监测耗费大量的人力、物力，对于开展大范围的空气监测调查非常困难。

而被动式监测技术是基于分子扩散原理或渗透原理采集溶媒中气（液）态或蒸气态污染物的一种监测技术，其样品的采集通过被动式采样装置来实现。被动式采样装置通常按照物质分子进入吸收层途径的不同，可分为扩散型被动式采样（Diffusion Passive）装置和渗透型被动式采样（Permeation Passive）装置两类。按照采集样品的种类不同，可分为气体被动式采样装置、液体被动式采样装置、固体被动式采样装置三类。

相对于主动监测技术，被动式监测技术可以实现在采样过程中无需电力，设备廉价，采样过程中无需人为干预，更便于实现大尺度区域大气环境调查和同步监测。

近年来出现的被动式采样技术主要集中于以聚乙烯、聚氨酯泡沫（PUF）材料为主的采样装置，此类材料主要用于吸附多环芳烃物质，且采样装置受限于吸附剂种类，每个装置每次采样仅能采集一类污染物质，无法实现多组分有机污染物和平行样品的同时采集（通常要求三个平行样本）。如：中国专利号：200910077064.0，公开日2009年07月08日，公开了一份名称为一种被动式半挥发性大气有机污染物采样装置的专利文件，该专利公开的一款采样装置使用了PUF材料仅能对多环芳烃类物质进行采集，无法收集挥发性有机污染物。中国专利号01249842.4，公开日 2002年04月10日，公开了一份名称为被动式大气有机污染物采样器的专利文件，该专利公开的装置中采用了溶液体系作为吸收剂，用于室外采样。由于采用液体吸附剂的采样装置不易携带且易导致吸收液的损耗，也无法同时收集挥发及半挥发性等多组分有机污染物的缺陷。而我国目前大气中的污染物，尤其是化工、农药类高风险污染场地则会同时存在以多环芳烃、有机氯杀虫剂、苯系物等为主的半挥发组分和挥发性物质同时存在的状况，因此需要开发一种能够同时监测六六六、滴滴涕、苯、甲苯、二甲苯等多组分有机污染物的采样装置。

发明内容

要解决的问题

本发明主要针对传统的被动式采样装置无法同时采集空气中多种类有机污染物的缺点，提供了一种多组分大气有机污染物被动采样装置，该采样装置可用于室内、外环境中能同时富集大气中挥发性、半挥发性有机污染物组分的被动式采集，具有无动力、低成本、安全便携式等优点，适合我国当前复杂大气环境被动式大气监测技术。

技术方案  

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种多组分大气有机污染物被动采样装置，包括顶部挂钩和采样装置本体组成，所述的顶部挂钩位于采样装置本体上部，还包括挡板、连接杆和内嵌式筛筒，所述的采样装置本体为由N个挡板上下叠加而成的层状结构，挡板之间通过采样装置本体中部的连接杆连接固定；所述的N取3-15；所述的挡板为中间向上突起、四周下垂的帽状结构；最上层的挡板与连接杆的连接通过螺纹连接；所述的内嵌式筛筒竖直放置在采样装置本体内部。挡板的设计用于遮挡雨水和防尘。最上层的挡板与连接杆的连接通过螺纹连接，最上层的挡板可以方便的安装和拆卸，是为了方便放入和取出内嵌式筛筒。

进一步地，所述的采样装置本体底部的挡板的下表面为圆形水平结构。

进一步地，所述中间部位的N-2个挡板的中部有通孔，内嵌式筛筒穿过挡板中部的通孔。中间部位的N-2个挡板是指除了最上面的挡板和最下面的挡板以外的其他所有挡板。

进一步地，所述的内嵌式筛筒的高度小于最上层挡板与最底部挡板之间的距离。

进一步地，所述的内嵌式筛筒为圆柱形结构，顶部有螺旋盖。顶盖打开后可放入吸附材料。

进一步地，所述的内嵌式筛筒内部的填充料为活性炭、分子筛、硅胶或高分子多孔树脂吸附剂中的一种。

更进一步地，所述的内嵌式筛筒有1-16个。

更进一步地，所述的挡板、连接杆和内嵌式筛筒的材质为不锈钢。

进一步地，所述的挡板之间的距离为2-3cm。

有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）本发明采样装置本体整体的结构和挡板的特殊设计，使得本发明具有防雨和防尘的作用，样品采集期间无需电力供应可持续进行样品采集，满足野外无电源动力条件下的大气样品的采集要求，适合室内、外等野外污染场地环境监测需求；

（2）本发明最上层的挡板与连接杆的连接通过螺纹连接，放入和取出内嵌式筛筒十分方便，操作简单；

（3）本发明内嵌式筛筒内部的填充料为活性炭、分子筛、硅胶或高分子多孔树脂吸附剂中的一种，内嵌式筛筒有1-16个，即可实现同时对不同类型有机污染物的收集，并能够同时获取大气的平行样本，满足对挥发性组分苯、甲苯和半挥发性组分多环芳烃等化工类污染场地特征污染物的污染调查和监测需求；

（4）本发明成本低廉，操作简便，便于携带，为开展大空间尺度的区域环境调查提供可能；

（5）本发明完成采集后，便于与实验室各种通用型前处理设备（例如顶空、吹扫捕集、快速溶剂萃取、超声波萃取）、大型分析仪器（例如气相色谱、液相色谱、气质联用仪等）进行快速便捷的方法对接，便于对样品中不同种类污染物的定性、定量检测分析，保证检测结果的准确性；

（6）本发明安装拆卸简单，保证了采样装置中的吸附组件能够快速的装卸，最大程度的避免采样过程中可能受到的污染。

附图说明

图1、本发明的主视图；

图2、本发明图1的A-A剖视图；

图3、本发明的斜视图；

图4、本发明采样装置对苯的吸附曲线；

图5、本发明采样装置对甲苯的吸附曲线；

图6、本发明采样装置对萘的吸附曲线；

图7、本发明采样装置对菲的吸附曲线。

图中：1、顶部挂钩；2、挡板；3、连接杆；4、内嵌式筛筒。

具体实施方式

下面结合具体附图对本发明进行详细描述。

如图1、图2、图3所示，一种多组分大气有机污染物被动采样装置，包括顶部挂钩1和采样装置本体组成，顶部挂钩1位于采样装置本体上部，采样装置本体底部的挡板2的下表面为圆形水平结构。本发明还包括挡板2、连接杆3和内嵌式筛筒4，采样装置本体为由N个挡板2上下叠加而成的层状结构，挡板2之间的距离为2-3cm，每层挡板2之间的间隙便于外界空气与内嵌式筛筒4间的空气流通。挡板2之间通过采样装置本体中部的连接杆3连接固定；N取3-15，具体的数量根据安装的内嵌式筛筒4的高度确定，即内嵌式筛筒4越高，需要的挡板2的数量越多；挡板2为中间向上突起、四周下垂的帽状结构；最上层的挡板2与连接杆3的连接通过螺纹连接；内嵌式筛筒4竖直放置在采样装置本体内部。挡板2的形状设计用于遮挡雨水和防尘。内嵌式筛筒4内部的填充料为活性炭、分子筛、硅胶或高分子多孔树脂吸附剂中的一种。内嵌式筛筒4为圆柱形结构，顶部有螺旋盖。这样的设计是为了方便吸附剂的取放。内嵌式筛筒4有1-16个。内嵌式筛筒4的数量根据所需采集的样本实际需要来确定，1-16个都可以，根据需要采集的样品种类和需要的平行样本的数量确定。最上层的挡板2与连接杆3的连接通过螺纹连接，最上层的挡板2可以方便的安装和拆卸，是为了方便放入和取出内嵌式筛筒4。中间部位的N-2个挡板2的中部有通孔，最上层和最底层的挡板2不用开通孔。内嵌式筛筒4穿过挡板2中部的通孔。内嵌式筛筒4的高度小于最上层挡板2与最底部挡板2之间的距离。挡板2、连接杆3和内嵌式筛筒4的材质为不锈钢，能避免大气对本装置的腐蚀。

本发明可以通过顶部挂钩1采用悬挂方式固定于阳台、树木等稳定物上，也可直接放置于固定平面上。采样装置对苯、甲苯、萘和菲的吸收量与时间的关系如图4、图5、图6和图7所示。

下面结合具体实施例对本发明进一步进行描述。

实施例1

如图1、图2、图3所示，一种多组分大气有机污染物被动采样装置，包括顶部挂钩1和采样装置本体组成，顶部挂钩1位于采样装置本体上部，采样装置本体底部的挡板2的下表面为圆形水平结构。还包括挡板2、连接杆3和内嵌式筛筒4，采样装置本体为由6个挡板2上下叠加而成的层状结构，挡板2之间通过采样装置本体中部的连接杆3连接固定；挡板2之间的距离为2cm。挡板2为中间向上突起、四周下垂的帽状结构；最上层的挡板2与连接杆3的连接通过螺纹连接；中间部位4个挡板2的中部有通孔。内嵌式筛筒4穿过采样装置本体的挡板2中部的通孔中，内嵌式筛筒4有4个，如果需要平行样本，也可以采用8个、12个或者16个，使用方法不变。内嵌式筛筒4为圆柱形结构，顶部有螺旋盖，内部的填充料分别为活性炭、分子筛、硅胶和高分子多孔树脂吸附剂。挡板2、连接杆3和内嵌式筛筒4的材质为不锈钢。

本实施例应用于大气中苯、甲苯挥发性物质的样品采集，步骤如下：

（1）使用前对装填好吸附材料的内嵌式筛筒4进行净化处理以去除吸附剂中可能存在的有机物，根据不用的吸附剂特性采用热脱附或溶剂萃取净化方式。净化后的内嵌式筛筒4迅速装入40ml的棕色VOCs瓶中，密闭低温保存。

（2）将本发明携带至现场，在相应的采样点放置或挂置好本采样装置，从密封瓶中取出内嵌式筛筒放入采样装置的内嵌槽中，进行不同类型的组分采集。

（3）在污染区域采集，采集时间为8h，样品采集完成后，将内嵌式筛筒装入40ml棕色VOCs瓶中，4℃低温保存，尽快送至实验室进行分析。本实施例中使用标准曲线对采样器进行浓度校订的时间与采样器在实际环境中的采样时间保持一致。

（4）样品分析，样品采集后，将内嵌式筛筒4取出后，将其使用热脱附管脱附解析或使用吹扫捕集装置进行气体吹扫和样品捕集，使用气相色谱-质谱联用仪对样品进行苯、甲苯、二甲苯的定量分析。

实施例2

同实施例1，所不同的是本实施例应用于大气中多环芳烃等半挥发性物质的样品采集，挡板2之间的距离为3cm。内嵌式筛筒4有2个，内部填充的分别是碳化纤维树脂、XAD-2树脂。如果需要平行样本，也可以采用4个、6个或者8个，使用方法不变。样品采集完成后，将内嵌式筛筒取出后可使用超声波萃取或加速溶剂萃取装置进行样品萃取，根据分析目标物的性质选用正己烷/丙酮（1:1，体积比）或正己烷/二氯甲烷（1:9，体积比）的溶剂体系进行萃取。考虑到加速溶剂萃取装置更高的萃取效率，因此推荐使用此种萃取方式，而本采样器的内嵌式筛筒可直接放入66ml萃取池中进行萃取操作。萃取后的萃取液约为100ml，浓缩至1ml，使用气相色谱或气相色谱-质谱联用仪进行定量分析。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，并且本发明内嵌式筛筒4内部的填充料选择为活性炭、分子筛、硅胶或高分子多孔树脂吸附剂中的一种也是根据采集有机污染物种类示意性的选择了这四种，其他的吸附剂根据所要测量的有机污染物种类都可以选择，本申请文件不再一一嶅述。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种多组分大气有机污染物被动采样装置，包括顶部挂钩（1）和采样装置本体组成，所述的顶部挂钩（1）位于采样装置本体上部，其特征在于：还包括挡板（2）、连接杆（3）和内嵌式筛筒（4），所述的采样装置本体为由N个挡板（2）上下叠加而成的层状结构，挡板（2）之间通过采样装置本体中部的连接杆（3）连接固定；所述的N取3-15；所述的挡板（2）为中间向上突起、四周下垂的帽状结构；最上层的挡板（2）与连接杆（3）的连接通过螺纹连接；所述的内嵌式筛筒（4）竖直放置在采样装置本体内部。

2.根据权利要求1所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述的采样装置本体底部的挡板（2）的下表面为圆形水平结构。

3.根据权利要求1所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述中间部位的N-2个挡板（2）的中部有通孔，内嵌式筛筒（4）穿过挡板（2）中部的通孔。

4.根据权利要求3所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述的内嵌式筛筒（4）的高度小于最上层挡板（2）与最底部挡板（2）之间的距离。

5.根据权利要求3所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述的内嵌式筛筒（4）为圆柱形结构，顶部有螺旋盖。

6.根据权利要求1或3或4或5所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述的内嵌式筛筒（4）内部的填充料为活性炭、分子筛、硅胶或高分子多孔树脂吸附剂中的一种。

7.根据权利要求6所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述的内嵌式筛筒（4）有1-16个。

8.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述的挡板（2）、连接杆（3）和内嵌式筛筒（4）的材质为不锈钢。

9.根据权利要求1-5中任意一项所述的一种多组分大气有机污染物被动采样装置，其特征在于：所述的挡板（2）之间的距离为2-3cm。

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