專利名稱：大氣半揮發(fā)性有機污染物的定向被動采樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大氣監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種大氣SVOC(Semi Volatile Organic Compound,半揮發(fā)性有機污染物)的定向被動采樣裝置。
背景技術(shù)：
大氣環(huán)境中svoc的濃度很低，常規(guī)的主動釆樣裝置通過氣泵等
裝置采集大量氣體樣品，經(jīng)收集裝置濃縮后進行分析測定，需要動力 來源，使得釆樣點在空間布設(shè)位置上受到客觀條件的限制。被動采樣 裝置基于分子擴散原理，選擇合適的吸收介質(zhì)，暴露于大氣環(huán)境一段 時間后測定其中待測物質(zhì)含量，并配合部分主動釆樣分析結(jié)果確定被 動釆樣裝置的釆樣效率，得到環(huán)境中待測物質(zhì)的濃度信息。半透膜釆
樣裝置曾被廣泛應(yīng)用于水體中污染物的被動釆集，首次被Petty應(yīng)用 于空氣被動釆樣中(Jimmie D. Petty, James N. Huckins, James L. Zajicek, Application of semipermeable membrane devices (SPMDs) as passive air samplers. Chemosphere, 1993(27): 1609-1624)。 Shoeib在被 動釆樣裝置比較研究中釆用聚氨酯泡沬(PUF)材料作為吸收介質(zhì) (Shoeib, M.; Harner， T.， Characterization and comparison of three passive air samplers for persistent organic pollutants, Environ. Sci. Technol. 2002(36):4142-4151),開發(fā)出PUF被動采樣裝置。
上述兩種被動釆樣裝置被廣泛應(yīng)用于大氣監(jiān)測與相關(guān)科學(xué)研究 中，其分別以甘油三油酸酯和聚氨酯泡沬材料為吸收介質(zhì)，放置在百 葉箱或半封閉裝置中進行大氣中SVOC的被動釆樣，釆樣結(jié)束后提取 吸收介質(zhì)中待測物質(zhì)、濃縮(必要時進行分離純化)，分析吸收介質(zhì) 中SVOC的含量，并配合主動釆樣結(jié)果，經(jīng)釆集效率標(biāo)定，計算得到
大氣中待測物的長期平均濃度。
在研究污染物跨界傳輸、長距離輸送與溯源分析研究中，污染物 來源方向是研究者非常關(guān)心的問題，目前的唯一解決辦法是大氣采樣 結(jié)合氣固軌跡反演模型獲得相關(guān)資料，但是這樣的間接方法不能得到 可靠的高分辨數(shù)據(jù)，因此希望能夠獲取到來自不同方向氣團中SVOC
的濃度信息。鑒于風(fēng)速對介質(zhì)對svoc的吸收過程具有較大影響，上
述現(xiàn)有技術(shù)的被動釆樣裝置設(shè)計中將吸收介質(zhì)材料放置在半封閉的 容器內(nèi)，形成相對的靜風(fēng)環(huán)境，以消除風(fēng)速對采樣效率的影響，因而
無法獲取特定風(fēng)向氣流中svoc濃度的信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種大氣半揮發(fā)性有機污染物的定向被動 采樣裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)的被動釆樣裝置無法獲取特定風(fēng)向氣流中 半揮發(fā)性有機污染物濃度信息的缺陷。
為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案提出 一種大氣半揮發(fā)性有 機污染物的定向被動釆樣裝置，包括進氣口、出氣口及外殼，該裝置
還包括
前置單向閥及后置單向閥，設(shè)于所述外殼內(nèi)，用于在特定風(fēng)向條
件下打開使氣流進入；
吸收介質(zhì)，設(shè)于所述前置單向閥及后置單向閥之間，垂直于所述 進氣口的平面放置，并與進氣方向平行。
上述的定向被動釆樣裝置中，所述吸收介質(zhì)為多片間隔設(shè)置的聚 氨酯泡沬。
上述的定向被動釆樣裝置中，所述前置、后置單向閥在風(fēng)向垂直 于所述進氣口的平面時打開。
上述的定向被動采樣裝置中，所述前置、后置單向閥的材質(zhì)選用 聚丙烯薄膜。
上述的定向被動采樣裝置中，所述出氣口垂直于所述進氣口向下
設(shè)置。
上述的定向被動釆樣裝置中，所述外殼是截面為正方形的管道， 側(cè)面為直角梯形。
上述的定向被動釆樣裝置中，所述進氣口設(shè)置于所述外殼的前 端，所述出氣口設(shè)置于所述外殼的底面末端。
上述的定向被動釆樣裝置中，所述外殼的材質(zhì)選用不銹鋼。 本發(fā)明的技術(shù)方案通過在釆樣裝置中設(shè)置單向閥，可以獲取特定
風(fēng)向氣流中半揮發(fā)性有機污染物濃度的信息；同時能夠保證釆樣裝置 內(nèi)部氣流的穩(wěn)定性及足夠的釆樣效率。


圖1為本發(fā)明大氣SVOC的定向被動釆樣裝置實施例示意圖； 圖2為外部環(huán)境風(fēng)速與本發(fā)明釆樣裝置實施例內(nèi)部氣流流速的曲 線關(guān)系示意圖3為不同風(fēng)速條件下風(fēng)向夾角與本發(fā)明釆樣裝置實施例內(nèi)部氣 流流速的曲線關(guān)系示意圖4a 4b為氣流流速、溫度與本發(fā)明釆樣裝置實施例釆樣效率的 曲線關(guān)系示意圖5a 5c為不同目標(biāo)化合物的吸收動力學(xué)研究示意圖。
具體實施例方式
以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
圖1為本發(fā)明大氣svoc的定向被動釆樣裝置實施例示意圖，如
圖所示，本實施例的定向被動釆樣裝置包括進氣口 11、出氣口 12、 外殼13;以及，前置單向閥14及后置單向閥i5,其設(shè)于外殼13內(nèi)， 用于在特定風(fēng)向條件下打開使氣流進入；吸收介質(zhì)161、 162，設(shè)于 前置單向閥14及后置單向閥15之間，垂直于進氣口 11的平面放置，
本實施例的釆樣裝置選擇聚氨酯泡沬(PUF)作為吸收介質(zhì)，在
吸收介質(zhì)161、 162前后分別安裝單向闊14、 15控制選擇風(fēng)向，在某 一特定風(fēng)向條件下閥門打開，其余情況下關(guān)閉，以達到定向采集的目 的。實際應(yīng)用中如想釆集來自不同方向氣團中SVOC，即可在不同方
外殼13是一截面為正方形(50 x 50 mm2)的管道，側(cè)面為直角 梯形，上端長200mm，下端長度為250 mm，材質(zhì)選用不銹鋼材料， 以避免造成本底污染。
本實施例的釆樣裝置內(nèi)部安裝2片聚氨酯泡沬(50 x 70 x 10 mm3,密度0.024 g/cm3)作為吸收介質(zhì)，垂直于左右兩側(cè)進氣口平面 與底面放置，與進氣方向平行，二者之間間隔15cm。
吸收介質(zhì)161、 162前后分別安裝單向閥14、 15,材質(zhì)選用聚丙 烯薄膜(0.073 mm, 1.07 g/cm3)，當(dāng)風(fēng)向垂直于進氣口 11平面時，單 向閥14、 15打開，流動氣體攜帶目標(biāo)化合物進入采樣裝置內(nèi)部，與
吸收介質(zhì)發(fā)生接觸；其他情況下處于關(guān)閉狀態(tài)，以消除靜風(fēng)條件下或
來自其他方向氣流中待測物的干擾。
如圖所示，外殼13的左端為進氣口 II,右端為出氣口 12，出氣 口 12的設(shè)計方向向下，B即為裝置的出氣方向，從而可以避免逆向 氣流發(fā)生倒灌現(xiàn)象。
下面通過一個實驗了解上述本發(fā)明實施例的效果。
1) 風(fēng)速對釆樣裝置內(nèi)部氣流的影響
釆用軸流風(fēng)機(森朗，3000mVh， SFG3-2R)模擬不同風(fēng)速條件， 直吹條件下，風(fēng)速分別設(shè)定14個水平(變化范圍0.7-14 m/s)， 使用 熱式風(fēng)速計Kanomax-6004 ( 0.1-20 m/s，經(jīng)DEM6 ( 0.2-35 m/s )校正)
測定釆樣裝置內(nèi)部風(fēng)速。
2) 風(fēng)向?qū)Σ蓸友b置內(nèi)部氣流的影響
釆用軸流風(fēng)機(森朗，3000m3/h, SFG3-2R)模擬不同風(fēng)速條件， 風(fēng)速分別設(shè)定在2.4 m/s、 6.1 m/s、 10.8 m/s水平，風(fēng)向設(shè)定分別與釆
樣裝置中軸線呈0、 15、 30、 45、 60、 75、卯度，使用熱式風(fēng)速計 Kanomax-6004 (0.1-20 m/s,經(jīng)DEM6 (0.2-35 m/s)校正)測定采樣
裝置內(nèi)部風(fēng)速。
3) 風(fēng)速與溫度對采樣效率的影響
目標(biāo)化合物選用多環(huán)芳烴(16種)naphthalene (NAP), acenaphthene ( ACE ) ， acenaphthylene ( ACY ) ， fluorene ( FLO ), phenanthrene ( PHE )， anthracene ( ANT), fluoranthene ( FLA )， pyrene
(PYR ) ， benz [a] anthracene ( BaA ) , chrysene ( CHR ), benzo[b]fluoranthene ( BbF ) ， benzo[k]fluoranthene ( BkF ), benzo[a]pyrene ( BaP ) , indeno[l，2,3-cd]pyrene ( IcdP ), dibenz[a,h]anthracene (DahA)， benzo[g,h,i]perylene ( BghiP )。
風(fēng)速分別設(shè)定5個水平，范圍O-ll m/s,溫度分別設(shè)定在7.8士 1.1 °C、 16.0±0.7°C、 26.3±0.6°C。在被動釆樣的過程中同時使用主動釆 樣裝置進行采樣速率的校正，氣態(tài)與顆粒結(jié)合態(tài)多環(huán)芳烴分別選用 PUF(Supelco，直徑22mm，厚度7.6 cm,使用前用正己烷索提8小時) 與玻璃纖維濾膜(GFFs，直徑22mm,使用前450'C高溫加熱3小時)， 真空泵(TMP 1500)抽氣速度1.2L/min。
4) 動力學(xué)研究
風(fēng)速控制在l.l-1.3m/s水平情況下，釆樣時間分別設(shè)定為0、 3、 6、 9、 12、 15、 18、 21天，以檢驗釆樣介質(zhì)吸收是否符合線性模式。
樣品采集與分析方法釆樣結(jié)東后，立即將PUF與GFFs進行索氏 提取，(正己烷+環(huán)己烷，1: 1, 10小時)。提取液旋蒸至l ml左右后 直接上機分析(Agilent 6890+ MSD Agilent 5973， HP-5MS毛細(xì)柱， 30 m x 0.25 mm i.d. x 0.25 (im film thickness )。載氣He流速為l ml/min，升溫程序為起始60。C,升溫速度6。C/min，至'J28(TC后持續(xù)20 分鐘，監(jiān)測選用SIM模式。內(nèi)標(biāo)法定量(2-fluoro-l，l'-biphenyl and p-terphenyl-d14， J&K Chemical, USA， 2.0 (ig/ml )。
分析方法的質(zhì)量控制方法檢出限，0.85 (NAP) - 6.8 (BghiP) ng/ml (針對提取液)；方法回收率，76% - 124% (被動釆樣)、83.0-"7.9%(主動釆樣)；平行雙樣變異系數(shù)，12%(氣態(tài))、13%(顆粒
結(jié)合態(tài))。
背景空白分析結(jié)果均低于樣品分析結(jié)果一個數(shù)量級以上，所有分 析結(jié)果經(jīng)空白校正。圖2為外部環(huán)境風(fēng)速與本發(fā)明釆樣裝置實施例內(nèi) 部氣流流速的曲線關(guān)系示意圖，如圖所示的實驗結(jié)果表明，釆樣裝置 內(nèi)部氣流流速與外部環(huán)境中風(fēng)速成正比關(guān)系，可用以下公式計算不同
風(fēng)速條件下釆樣裝置內(nèi)部氣流流速的變化。 K, = 0.6458 K" — 0.3294, 廠2 = 0.939
式中K,為外界環(huán)境風(fēng)速，K,為釆樣裝置內(nèi)部氣流流速。
圖3為不同風(fēng)速條件下風(fēng)向夾角與本發(fā)明采樣裝置實施例內(nèi)部氣
流流速的曲線關(guān)系示意圖，如圖所示，當(dāng)風(fēng)向與采樣裝置中軸線夾角
小于30度時，釆樣裝置內(nèi)部氣流流速較為穩(wěn)定，當(dāng)風(fēng)向與采樣裝置中
軸線夾角大于30度時，釆樣裝置內(nèi)部氣流流速迅速下降?？捎靡韵鹿?br> 式計算不同風(fēng)向夾角下釆樣裝置內(nèi)部氣流流速的變化。
式中^為給定風(fēng)向夾角為^時采樣裝置內(nèi)部氣流流速，^為夾角 為O時裝置內(nèi)部氣流流速，"為風(fēng)向夾角。
通過上述公式，可以估算不同風(fēng)速與風(fēng)向夾角條件下釆樣裝置內(nèi) 部氣流流速。
風(fēng)速與溫度將影響采樣裝置的釆樣效率。圖4a 4b為氣流流速、 溫度與本發(fā)明釆樣裝置實施例釆樣效率的曲線關(guān)系示意圖。其中，圖 4a的目標(biāo)化合物為ACY,圖4b的目標(biāo)化合物為CHR,溫度均分別為7.8 。C、 16.(TC和26.3X:。如圖所示的實驗結(jié)果表明，釆樣速率與溫度、 風(fēng)速之間的關(guān)系可以用下式很好地擬合
其中V為采樣速率，單位為mV(device.min); c為無限大風(fēng)速下的 釆樣效率，單位為m"(device.min); W為風(fēng)速，單位為m/s， A:為釆樣速 率常數(shù)，單位為s/m。 A的取值決定于溫度與化合物性質(zhì)，可用以下經(jīng) 驗公式計算
logA; = 0.04r-0.521og尺。廣8.34, 一 =0.90,
式中r為溫度，單位為k;《a4為正辛醇-空氣分配系數(shù)(無量綱)。 圖5a 5c為不同目標(biāo)化合物的吸收動力學(xué)研究示意圖，圖5a的目 標(biāo)化合物為NAP,圖5b的目標(biāo)化合物為PHE，圖5c的目標(biāo)化合物為2 環(huán)以上的12種多環(huán)芳烴。如圖所示的釆樣裝置動力學(xué)研究結(jié)果表明， 4種2環(huán)物質(zhì)(NAP， ACY， ACE和FLO)在釆樣期間(21天)內(nèi)到達 平衡，其他目標(biāo)化合物均在線性范圍內(nèi)。因此，釆樣設(shè)備針對3環(huán)以 及3環(huán)以上物質(zhì)有效，如欲測定低環(huán)揮發(fā)性強的物質(zhì)，裝置還需要進 一步改進。
應(yīng)用上述本發(fā)明定向被動釆樣裝置的一個實例如下 在某大樓樓頂(高度25米)安裝定向被動釆樣裝置4臺，分別指 向東、西、南、北四個方向。同時采用小型氣象站(HOBO，S-WCA-M003 + micro station, USA )記錄氣象數(shù)據(jù)，釆樣時間165小時，每十 五分鐘記錄平均風(fēng)速。實驗結(jié)果表明，根據(jù)小型氣象站記錄，瞬時最 大風(fēng)速為9.8m/s， 15分鐘平均風(fēng)速為1.3m/s，第25百分位數(shù)與第75百 分位數(shù)分別為0.93和2.04 m/s，盛行風(fēng)向為西北風(fēng)與北風(fēng)。通過上文 中公式計算此氣象條件下釆樣速率，進而計算來自各方向氣團中多環(huán) 芳烴的濃度。結(jié)果顯示，來自北、東、南、西方向氣團中多環(huán)芳烴的 濃度分別為354, 847， 321, 444ng/m3,平均濃度為492 ng/m3-。
以上為本發(fā)明的最佳實施方式，依據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域 的普通技術(shù)人員能夠顯而易見地想到一些雷同、替代方案，均應(yīng)落入 本發(fā)明保護的范圍。
權(quán)利要求
1、一種大氣半揮發(fā)性有機污染物的定向被動采樣裝置，包括進氣口、出氣口及外殼，其特征在于，該裝置還包括前置單向閥及后置單向閥，設(shè)于所述外殼內(nèi)，用于在特定風(fēng)向條件下打開使氣流進入；吸收介質(zhì)，設(shè)于所述前置單向閥及后置單向閥之間，垂直于所述進氣口的平面放置，并與進氣方向平行。
2、 如權(quán)利要求1所述的定向被動釆樣裝置，其特征在于，所述 吸收介質(zhì)為多片間隔設(shè)置的聚氨酯泡沬。
3、 如權(quán)利要求1所述的定向被動釆樣裝置，其特征在于，所述 前置、后置單向閥在風(fēng)向垂直于所述進氣口的平面時打開。
4、 如權(quán)利要求1或3所述的定向被動采樣裝置，其特征在于， 所述前置、后置單向閥的材質(zhì)選用聚丙烯薄膜。
5、 如權(quán)利要求1 3任一項所述的定向被動釆樣裝置，其特征在于，所述出氣口垂直于所述進氣口向下設(shè)置。
6、 如權(quán)利要求5所述的定向被動釆樣裝置，其特征在于，所述外殼是截面為正方形的管道，側(cè)面為直角梯形。
7、 如權(quán)利要求6所述的定向被動釆樣裝置，其特征在于，所述 進氣口設(shè)置于所述外殼的前端，所述出氣口設(shè)置于所述外殼的底面末端。
8、 如權(quán)利要求1~3任一項所述的定向被動釆樣裝置，其特征在 于，所述外殼的材質(zhì)選用不銹鋼。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種大氣半揮發(fā)性有機污染物的定向被動采樣裝置，包括進氣口、出氣口及外殼，該裝置還包括前置單向閥及后置單向閥，設(shè)于所述外殼內(nèi)，用于在特定風(fēng)向條件下打開使氣流進入；吸收介質(zhì)，設(shè)于所述前置單向閥及后置單向閥之間，垂直于所述進氣口的平面放置，并與進氣方向平行。本發(fā)明的技術(shù)方案通過在采樣裝置中設(shè)置單向閥，可以獲取特定風(fēng)向氣流中半揮發(fā)性有機污染物濃度的信息；同時能夠保證采樣裝置內(nèi)部氣流的穩(wěn)定性及足夠的采樣效率。
文檔編號G01N1/22GK101393088SQ20081022419
公開日2009年3月25日 申請日期2008年10月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月24日
發(fā)明者劉文新, 夢 季, 軍 曹, 暢 朗, 李本綱, 澍 陶 申請人:北京大學(xué)