一種水體自由態汙染物被動採樣裝置及採樣方法與流程
2023-05-05 00:35:16 3
本發明屬於水質環境監測技術領域，具體地涉及一種水體自由態汙染物被動採樣裝置及採樣方法。
背景技術：
被動採樣技術是基於目標化合物在環境介質與採樣器吸附相之間不同的分配係數及結合能力所產生的遷移現象而建立。這種採樣技術可在不影響主體溶液的情況下進行原位採樣，在數天到幾個月時間尺度內得到被測體系中汙染物的平衡濃度或時間權重平均濃度，以此評估有毒汙染物的生物累積效應，廣泛應用於大氣、水體和土壤等介質中無機、有機汙染物的濃度監測。這種技術也逐漸成為全球水環境中持久性有機汙染物的監測技術。被動採樣技術可以連續採樣，不需要像傳統方法採集大量樣品以滿足痕量分析要求，顯著降低採樣過程的時間、物力和人力消耗；而且這種技術可以及時收集汙染物信息，比較真實反映不斷變化的汙染狀況；它還可以避免因在採樣及樣品轉運過程中汙染物形態發生變化而影響分析結果的準確性；另外被動採樣技術主要是評價或監測環境介質中汙染物的自由態濃度，反映的是汙染物在環境介質中直接生物有效性的濃度，與汙染物的生物富集、代謝轉化、遷移降解等環境行為過程相關。目前最常用的被動採樣技術有半滲透膜萃取(spmd)、固相微萃取(spme)、薄膜梯度擴散技術(dgt)以及極性有機化合物綜合採樣(pocis)等。但這些被動採樣技術的研究主要集中吸附材料的選擇設計和計算模型的構建，尚未對吸附相模塊外在的加載裝置進行設計優化，容易引起吸附相模塊的堵塞和損壞，顯著影響吸附相模塊的採樣能力和採樣穩定性。同時，複雜的水文條件和外界環境，對採樣吸附過程產生複雜的影響，研究人員往往需要進行反覆的田間校正計算模型中的環境參數，才能獲取較為準確的結果，嚴重製約了被動採樣技術的應用。
技術實現要素：
有鑑於此，本發明的主要目的在於提供一種水體自由態汙染物被動採樣裝置及採樣方法。
為實現上述目的，作為本發明提供的水體自由態汙染物被動採樣裝置，包括：不鏽鋼保護腔體、水流方向舵、吸附相模塊、水環境參數監測傳感器、流量計、水流加速器、gprs信號發射器、浮標、鐵錨；
所述不鏽鋼保護腔體尾端與所述水流方向舵固定連接，所述吸附相模塊可360度旋轉連接於所述不鏽鋼保護腔體內部，所述水環境參數監測傳感器固定連接於所述不鏽鋼保護腔體內壁頂部後端，所述流量計貫穿固定於不鏽鋼保護腔體前端，所述水流加速器固定於所述不鏽鋼保護腔體內梯形圓柱體腔體後端，所述浮標與所述不鏽鋼保護腔體上側連接，所述gprs信號發射器內置於所述浮標中，所述鐵錨與所述不鏽鋼保護腔體下側連接；
其中，所述不鏽鋼保護腔體為不鏽鋼圓柱型腔體拼接梯形圓柱體腔體組合而成，其中所述圓柱形腔體長80釐米，直徑30釐米；所述梯形圓柱體腔體長25釐米，最大直徑30釐米，最小直徑20釐米；所述不鏽鋼圓柱形腔體一側有活動門，門的弧度與圓柱體一致，門長50釐米，寬20釐米；所述不鏽鋼保護腔體前後兩端有網孔大小為2釐米×2釐米的保護網；所訴不鏽鋼梯形圓柱體腔體內部後端安裝一個水流加速器；
上述水流加速器為四葉片組合式的水流推進裝置，其旋轉半徑為12釐米；
其中，所述水流方向舵為魚尾型不鏽鋼尾翼，與所述不鏽鋼梯形圓柱體固定連接，控制不鏽鋼保護腔體方向與水流方向始終一致；
其中，所述吸附相模塊由固定密封環、保護膜和吸附材料組成；所述吸附相模塊數量視採樣要求設定，等間距安裝於所述不鏽鋼保護腔體內部；所述吸附相模塊與所述不鏽鋼保護腔體之間通過可360度旋轉掛鈎連接，實現吸附相模塊自由旋轉和方便組裝/拆卸；
上述固定密封環為圓環型結構，圓環上均勻布有四個固定螺絲，能將所述保護膜和吸附材料固定在圓環內；
上述吸附材料可根據目標汙染物選擇，如親水親脂平衡共聚物(hlb)，三油酸甘油酯等，均勻壓製成直徑為18釐米、厚度為1釐米的薄圓餅狀；
上述保護膜為水體及其溶劑質可自由透過的薄膜材料，可根據吸附材料的特性選擇，如聚醚碸、聚乙烯薄膜等；
其中，所述水環境參數監測器為溫度、ph值和電導率(ec值)傳感器組，固定於所述不鏽鋼保護腔體內壁頂部後段，並通過數據線將數據實時傳遞到所述gprs傳感器；
其中，所述流量計為水體流量監測器，為所述不鏽鋼腔體某一時間段內流過的水體體積，其數據通過數據線實時傳輸到所述gprs傳感器；
上述gprs信號發射器內置於所述浮標裝置中；
其中，所述浮標為懸浮裝置，通過繩索與所述不鏽鋼保護腔體上側連接，通過控制繩索長度控制所述不鏽鋼保護腔體下潛深度，實現不同深度採樣；
其中，所述鐵錨為固定裝置，通過繩索與所述不鏽鋼保護腔體下側連接，實現所述不鏽鋼保護腔體在水體中保持相對位置穩定狀態；
利用上述水體自由態汙染物被動採樣裝置進行被動採樣的方法為，所述gprs信號發射器為實時數據傳輸共享裝置，通過數據線將所述水環境參數監測器和流量計連接獲取實時數據，利用「通用分組無線服務技術」(gprs技術)遠程無線傳輸的gprs信號發射器，將數據實時傳輸到電腦伺服器，實現數據的實時監測；
與現有技術相比，本發明的有益效果在於：
本發明提供的水體自由態汙染物被動採樣裝置具有自由態汙染物被動採集過程的抗幹擾功能和水環境參數的實時記錄及遠程傳輸功能，能有效降低複雜的水環境條件對汙染物採集過程的影響，同時實現採樣過程的水環境條件實時跟蹤，克服傳統被動採樣器受外界環境影響大及濃度計算模型參數難以校正的難題，提高自由態汙染物被動採樣技術的穩定性和準確性。
附圖說明：
圖1為本發明水體自由態汙染物被動採樣裝置的剖面示意圖；
圖2a為本發明被動採樣裝置的不鏽鋼保護腔體外立面圖；
圖2b為本發明被動採樣裝置的不鏽鋼保護腔體內部結構圖；
圖3a為本發明被動採樣裝置的不鏽鋼保護腔體內部吸附相模塊示意圖；
圖3b為本發明吸附相模塊內部結構圖；
附圖標記含義說明：
1、不鏽鋼保護腔體；2、水流方向舵；3、弧形活動門；4、吸附相模塊；41、固定密封環；42、保護膜；43、吸附材料；5、腔體前端保護網；6、腔體末端保護網；7、水流加速器；8、溫度、ph值和電導率傳感器組；9、流量計；10、繩索及傳感器連接線組合線；11、浮標；12、繩索；13、鐵錨；14、組合式掛鈎；15、gprs信號發射器。
具體實施方式：
為使本發明的目的，技術方案和優點更加清晰明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
一種自由態汙染物被動採樣裝置，不鏽鋼保護腔體1、水流方向舵2、吸附相模塊4、水環境參數監測傳感器8、流量計9、gprs信號發射器15、浮標11、鐵錨13；所述不鏽鋼保護腔體1尾端與所述水流方向舵2固定連接，所述吸附相模塊4可360度旋轉連接於所述不鏽鋼保護腔體1內部，所述水環境參數監測傳感器8固定連接於所述不鏽鋼保護腔體1內壁頂部後端，所述流量計9貫穿固定於不鏽鋼保護腔體1前端，所述水流加速器7固定於所述不鏽鋼保護腔體1內梯形圓柱體腔體後端，所述浮標11與所述不鏽鋼保護腔體1上側連接，所述gprs信號發射器15內置於所述浮標11中，所述鐵錨13與所述不鏽鋼保護腔體1下側連接。
其中，所述不鏽鋼保護腔體1為不鏽鋼圓柱型腔體拼接梯形圓柱體腔體組合而成，所述不鏽鋼保護腔體1一側有弧形活動門3，所述弧形活動門3的弧度與圓柱體一致，所述不鏽鋼保護腔體1前後裝有腔體前端保護網5、腔體後端保護網6。
其中，所述水流方向舵2為魚尾型不鏽鋼尾翼，與所述圓形不鏽鋼保護腔體1尾端固定連接。
其中，所述吸附相模塊4由固定密封環41、保護膜42和吸附材料43組成，等間距安裝於所述不鏽鋼保護腔體1內部；所述吸附相模塊4與所述不鏽鋼保護腔體1之間通過可360度旋轉掛鈎連接。
其中，所述水流加速器7為四葉片組合式的水流推進裝置，其旋轉半徑為12釐米，實現加速不鏽鋼保護腔體1內水流流速，縮短採樣時間。
一種用上述自由態汙染物被動採樣裝置的自由態汙染物被動採樣方法為：利用gprs信號發射器15為實時數據傳輸共享裝置，通過數據線將所述水環境參數監測器和流量計連接獲取實時數據，利用遠程無線傳輸的gprs信號發射器，將數據實時傳輸到電腦伺服器，實現數據的實時監測。
選擇親水親脂平衡共聚物(hlb)為被動採集的吸附相材料，選擇聚乙烯薄膜作為保護膜，研究目標汙染物為抗生素。
實施例1
按附圖3a和3b示意圖將固定密封環41、保護膜42、吸附材料43組裝成目標汙染物的被動採樣模塊單元，並固定好螺絲，作為一個完整的吸附相模塊4；把吸附相模塊4裝入不鏽鋼保護腔體1中，載入的模塊數由實驗設計的重複數量確定，本實施例中設置數量為3，調試模塊與不鏽鋼保護腔體的連結部件，使整體模塊以連結點為支點可向四周靈活轉動；
根據計算模型的參數要求，在不鏽鋼保護腔體1內壁頂部後端裝入擬實時監測的溫度、ph值和電導率傳感器組8和流量計9，並通過數據線連接至gprs信號發射器15；調試gprs信號發射器15，使其能向外界接受伺服器(手機或電腦)傳輸傳感器監測信號；
安裝和固定不鏽鋼保護腔體前端保護網5和腔體末端保護網6；利用神索12和組合式掛鈎14連接浮標11和鐵錨13，完成被動採樣裝置的組裝；把採樣裝置至於監測水體中，根據水深、監測水層位置調節繩索及傳感器連接線組合線10長度；
根據預設的採樣時間24h，採樣完畢後收集採樣裝置，卸下吸附相模塊4，並冷藏帶回實驗室；小心拆開模塊，獲取吸附相材料，根據汙染物的理化性質進行淨化、濃縮和上機測定吸附相材料的抗生素濃度；根據抗生素的被動採樣過程模型，推算受試水體的抗生素汙染物自由態濃度。
水體抗生素自由態濃度計算過程如下：在假設水與採樣器之間的物質交換是各向同性，分布曲線是線性，且抗生素在吸附相上是單一相去除模式，那麼吸附相材料上的目標物累積質量(ms)與水環境抗生素自由態濃度的關係如下：
ms＝cw*rs*t(1)
式(1)中，cw為抗生素在水環境中的自由態濃度(μg/l)；rs為吸附相的採樣速率(l/d)；t為暴露時間(d)。
因此監測水體抗生素的自由態濃度cw為：
cw＝ms/rs/t＝cs*m/rs/t(2)
式(2)中，cs是採樣器中吸附相的上機(如採用hplc-ms/ms方法)測得的抗生素濃度(μg/g)，m為吸附相質量(g)。
對於一個固定體積固定汙染濃度的水體而言，某一時間點的水體抗生素自由態濃度cw(t)消減過程可以用一級動力學方程來計算：
cw(t)＝cw(0)*exp(-kt)或ln[cw(t)/cw(0)]＝-k*t(3)
式(3)中，cw(t)為t時間水體抗生素自由態濃度(μg/l)；cw(0)為水體自由態抗生素的初始濃度(μg/l)；k為抗生素在水體的消減速率常數，通過實驗室吸附過程模擬，根據ln[cw(t)/cw(0)]與暴露時間t的斜率求得。k主要由吸附相吸附抗生素的速率和抗生素在水體的自然消減速率兩部分組成，即：
k＝ku+kd(4)
式(4)中ku為吸附相吸附抗生素的速率(1/d)；kd為抗生素在水體的自然消減速率(1/d)，可通過參考文獻或實驗室模擬獲得。因此ku為：
ku＝k-kd(5)
因此，吸附相的抗生素採樣速率rs為：
rs＝ku*vt(6)
式(6)中vt為暴露系統的水體體積(l)。
獲得的rs值通過式(2)即可計算得到水體抗生素自由態濃度。
以上所述的具體實施例，對本發明的技術方案和有益效果進行了進一步說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替代、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。