一種水生植物脂－乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具以及應用其的仿生被動採樣裝置的製作方法

2023-12-02 02:27:16

專利名稱：一種水生植物脂－乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具以及應用其的仿生被動採樣裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於環境科學、分析化學及地學領域，涉及一種水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具以及應用其的仿生被動採樣裝置，特別涉及一種水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具以及適用於湖泊、河流等水體中有機汙染物原位採樣的配套裝置。
背景技術：
有機汙染物在湖泊、河流等水體甚至飲用水源地中廣泛、持久存在，具有致癌、致畸、致突變等效應，對水生態系統構成了很大威脅，還可通過水生態系統傳遞、放大並進入食物鏈，危害人體健康，引起了世界衛生組織(WHO)及各國食品、衛生部門的高度關注。因此，亟待加強湖泊、河流尤其是其水源地中有機汙染物的監測，切實保障飲用水安全及居民健康。然而，目前水體中有機汙染物的採樣技術難以滿足湖泊、河流大面積監測便捷、原位、準確、連續等要 求，嚴重影響了有機汙染物的生態風險的準確評估及飲用水安全保障。通常認為只有自由溶解在水體或孔隙水中的有機汙染物才可被生物吸收並產生潛在的毒害作用，而水體中的自由溶解態有機汙染物可與溶解有機質、懸浮顆粒物及沉積物等結合，影響其真實濃度的測定及生態風險的準確評估。因此，準確、原位採集水體中自由溶解態的有機汙染物是開展其監測及生態風險評估的關鍵。主動採樣技術(如:化學提取法、物理方法等)目前被廣泛應用於水體中有機汙染物的採集，其中化學提取法使用更為廣泛，但需要採集、運輸、儲存大量的水樣或沉積物樣品，費時費力，且通常獲得的是水體或孔隙水中有機汙染物的瞬時總濃度(含結合態濃度)，以此濃度反映有機汙染物的生物有效性就會高估其生態風險；物理方法也被應用於水體中有機汙染物的採集，如:離心、層析，儘管使用較高的轉速，離心的方式仍難以排除溶解有機質對孔隙水中自由溶解態的幹擾。雖然層析可較好地分離自由溶解態與結合態的有機汙染物，但費時費力，難以滿足湖泊水源地高頻次、大批量監測便捷的要求。被動採樣技術(如:固相萃取、固相微萃取、離子液體萃取、半透膜採樣等)目前被廣泛應用於環境介質中自由溶解態有機汙染物的採集，其採集的濃度為時間加權平均濃度，達採樣平衡後採樣介質中濃度恆定不變，具有連續採樣、節省溶劑、減少淨化步驟、不破壞介質結構等優點。其中，固相微萃取技術(SPME)在水介質中自由溶解態有機物的採集方面使用較為廣泛，但較少應用於水體原位採樣，此外需要使用商業化的萃取纖維，實驗成本較高，難以滿足水源地高頻次、大批量監測低成本的要求；固相萃取技術也被廣泛應用於水樣中有機汙染物的採集，但水樣中有機汙染物富集到固相萃取柱並洗脫需要較長時間，且商業化的固相萃取柱實驗成本較高，也難以實現水體有機物原位監測的目標；離子液體萃取技術近年在水樣中有機物的採集方面也有較多的應用，但也難以滿足水體中有機汙染物原位監測的要求。前期研究及相關研究均表明:(1)生物脂在生物富集疏水性有機汙染物的過程中發揮了關鍵作用(水、纖維素、糖類、蛋白質等極性組分對有機汙染物的富集量貢獻很小)；(2)生物(包括動物及植物)對非離子型有機汙染物的富集以被動擴散為主要途徑；(3)生物膜發揮了分子篩作用。因而可採用含生物脂或類脂的半滲透膜材料模擬生物富集有機汙染物的過程。根據該設想，近年研究者陸續研製了多種含脂(類脂)的仿生被動米樣材料。其中，Huckins 等(Huckins, J.N.; Tubergen, M.ff.; Manuweera, G.K.Semipermeable membrane devices containing model lipid: A new approach tomonitoring the bioavailability of lipophilic contaminants and estimating theirbioconcentration potential.Chemosphere, 1990, 20, 533 - 552.)研製的三油酸甘油酯一低密度聚乙烯半透膜採樣裝置(SPMD)是在低密度聚乙烯膜表面塗上動物脂的主要成分一三油酸甘油酯。雖然SPMD目前已實現了商業化且被廣泛應用於連續採集水體中的有機汙染物，但由於其使用疏水性強的低密度聚乙烯為外膜材料、呈現「三明治」(sandwich)結構，因而存在脂分散不均勻、採樣平衡時間長等缺陷。隨後，較多研究者圍繞著含脂半滲透膜採樣裝置的外膜材料進行了改進，如:王子健等在SPMD的基礎上以親水性的乙酸纖維素為外膜材料，製備出了三油酸甘油酯一乙酸纖維素半滲透膜採樣裝置(TECAM) (Xu, Y.;Wang, Z.; Ke, R.; Khan, S.Accumulation of organochlorine pesticides from waterusing triolein embedded cellulose acetate membranes.Environ.ScL Technol.,2005，39，1152 - 1157.)，但其使用商品化的三油酸甘油酯，實驗成本較高。水生植物是湖泊、河流等水體中大量分布的有機碳源，其莖葉發達、根系不發達，體內含有較多的C16，C18, C24等不飽和脂肪酸及其酯，對疏水性有機汙染物具有較強的富集能力，在水質淨化方面發揮了重要作用(Dhir, B.; Shamila, P.; Saradhi,P.P.Potential of aquatic macrophytes for removing contaminants from theenvironment.Crit.Rev.Env.ScL TechnoL , 2009，39，754 - 781.)，其體內的汙染物濃度在一定程度上可反映水環境質量的變化。與水生動物相比，水生植物是水體有機汙染物天然的原位監測體及蓄積體，在有機汙染物原位監測方面更具優勢。然而，物種差異大、重現性差、難以生存等缺陷制約了水生植物在水體有機汙染物原位監測方面的應用。因此，篩選出可溶解多數疏水性有機汙染物且對有機汙染物具有較高脂-水分配係數的原生水生植物脂，將其製備成含 植物脂仿生半滲透膜採樣裝置是替代水生植物監測、發展含脂半滲透膜被動採樣技術並實現水源地原位、準確、便捷、低成本監測的一個很好的思路。
發明內容本實用新型的目的是提供一種用於製備上述水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，便於此複合半滲透膜的大規模製備和應用。本實用新型的第二個目的是提供一種適用於湖泊、河流等水體中有機汙染物原位採樣的配套外裝置，內部裝有上述水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜，實現原位監測。本實用新型通過以下技術方案來實現:一、一種水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，包括刮刀和鋼化玻璃板，鋼化玻璃板上面有長方體型玻璃凹槽，刮刀的下沿能夠架在長方體型玻璃凹槽的兩側邊上。所述的刮刀為長方體型，下沿為楔形。[0013]所述的長方體型玻璃凹槽由鋼化玻璃條首尾連接而成。所述的鋼化玻璃條的厚度為50 - 200 Um0所述的長方體型玻璃凹槽兩側分別設置平行於玻璃凹槽的長方體型的鋼化玻璃擋槽。所述的鋼化玻璃擋槽高出鋼化玻璃板0.2 -1 cm。二、一種適用於湖泊、河流等水體中有機汙染物原位採樣的配套外裝置，包括不鏽鋼圓柱體以及兩端的不鏽鋼旋蓋，旋蓋與不鏽鋼圓柱體之間為螺紋連接，旋蓋上有小孔，內部焊接有不鏽鋼網，不鏽鋼網的孔徑為75 - 150 Pm;不鏽鋼圓柱體縱向平均分成兩半，兩半之間放置水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜。所述的不鏽鋼圓柱體上縱向對稱焊接有兩顆不鏽鋼螺母。採用上述技術方案的積極效果:本實用新型研製的製備工具，便於此複合半滲透膜的大規模製備和應用，而配套外裝置可以實現原位監測，其中所使用的複合半滲透膜採用了乙酸纖維素代替了 H uckins等研製的三油酸甘油酯一低密度聚乙烯半透膜採樣裝置(SPMD)使用的低密度聚乙烯外膜材料，親水性增強，使得外膜材料與生物脂、助溶劑等溶於一體、分散均勻，比表面積更大，極大的縮短了水體中疏水性有機汙染物採集所需的平衡時間；同時，由於研製的複合半滲透膜採用了廉價的、原生的水生植物脂為原料，替代了王子健等研發的三油酸甘油酯一乙酸纖維素半滲透膜採樣裝置(TECAM)使用的商業化的三油酸甘油酯，大大降低了原材料成本，而且可以實現模擬水生植物對水體中的有機汙染物的原位、準確、便捷、低成本監測。

圖1是本實用新型中製備工具的結構示意圖；圖2是本實用新型中配套外裝置的結構示意圖；圖3是本實用新型中配套外裝置的縱剖視圖；圖4是本實用新型中配套外裝置的使用狀態示意圖。圖中:1刮刀，2鋼化玻璃板，3玻璃凹槽，4鋼化玻璃條，5鋼化玻璃擋槽，6不鏽鋼圓柱體，7旋蓋，8半滲透膜，9不鏽鋼網，10螺母，11浮球，12重物。
具體實施方式
下面結合實施例和試驗例對本發明的技術方案做進一步的說明，但不應理解為對本發明的限制:實施例一水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具的製作圖1是本實用新型中製備工具的結構示意圖，如圖所示:(I)採用光滑的鋼化玻璃板2為底座，在鋼化玻璃板2的上表面使用四條寬度為5mm、厚度為50 - 200 U m的薄鋼化玻璃條4，首尾先結，構出長度為15 cm、寬度為12 cm、深度為50 - 200 Pm的長方體型玻璃凹槽3，根據實際需要的半滲透膜的厚度，對應調整玻璃凹槽3的深度；(2)採用具有一定重量的鋼化玻璃或金屬材料研製出製備半滲透膜所需的刮刀1，刮刀I呈長方體型，刮刀I的寬度為12 cm，高度為5 - 10 cm，厚度為0.5 -0.8 cm，刮刀I的下沿為楔形；刮刀I的下沿能夠架在長方體型玻璃凹槽3的兩側邊上。(3)玻璃凹槽3的左右最外沿分別設置平行於玻璃凹槽3的長方體型的鋼化玻璃擋槽5。鋼化玻璃擋槽5高出鋼化玻璃底座0.2 -1 cm，用於防止半滲透膜製備過程中刮刀左右移動。實施例二水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備按照質量比為9:1:1:40:5的比例分別稱取乙酸纖維素、順-9，12-十八碳-二烯酸、無水高氯酸鎂、丙酮及1，4- 二氧六環，將各種材料攪拌混合後放入超聲波清洗器中振蕩I小時，之後於25 ° C下以100轉/分鐘恆溫振蕩不少於24小時，直至鑄膜溶液混合均勻，此時鑄膜溶液澄清，不含任何氣泡和固體雜質。取出少量混勻後的原材料倒入鋼化玻璃板2上的長方體型玻璃凹槽3，使其均勻的分散為長條狀，寬度為1- 2 cm。將刮刀I放入左右兩塊鋼化玻璃擋槽5之間，將刮刀I楔形下沿緊貼著玻璃凹槽3上方，通過刮刀I的自身重量，勻速刮出半滲透膜。在潔淨的通風櫥中放置1- 3分鐘，隨後在室溫下放入蒸餾水中浸泡3 - 5分鐘。從長方體型玻璃凹槽3中揭下凝固的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜。待丙酮完全揮發後，製備出的半滲透膜中順_9，12-十八碳-二烯酸的含量為6.25%，膜厚為100 Mm，平均密度為30 mg cm_2。還可根據實際採樣的需要，適當的調整半滲透膜中的順_9，12-十八碳-二烯酸的含量及半滲透膜的厚度。實施例三適用於湖泊、河流等水體中有機汙染物原位採樣的配套外裝置的製作圖2是本實用新型中配套外裝置的結構示意圖，圖3是本實用新型中配套外裝置的縱剖視圖，結合圖2、圖3所示，該配套外裝置，包括不鏽鋼圓柱體6以及兩端的旋蓋7，旋蓋7與不鏽鋼圓柱體6之間為螺紋連接，旋蓋7上有小孔，內側焊接有不鏽鋼網9，不鏽鋼網9的孔徑為75 - 150 Pm，便於水體流入並阻止生物及顆粒物等幹擾。不鏽鋼圓柱體6縱向平均分成兩半，兩半之間放置水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜8，對水體中的有機汙染物進行富集。 通過測定採集平衡後的半滲透膜8中的有機汙染物的含量，實現有機汙染物的原位、準確、便捷、低成本監測。不鏽鋼圓柱體6上縱向對稱焊接有兩顆不鏽鋼螺母10，主要是為了供採樣繫繩固定使用。圖4是本實用新型中配套外裝置的使用狀態示意圖，如圖4所示，採樣時按照不鏽鋼圓柱體6的外徑和長度，裁剪出對應尺寸的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜8，將半滲透膜8平整的夾在兩片不鏽鋼圓柱體6之間，旋緊兩端的帶有小孔並焊接有不鏽鋼網9的旋蓋7。鏍母10系上尼龍繩，尼龍繩的另一端系上泡沫浮球11，根據水體深度和欲採樣的深度，適當調整泡沫浮球與採樣裝置之間的距離即可進行採樣。還可以根據水體深度以及採樣需要，在採樣裝置底部加裝重物12，對採樣裝置的位置進行固定。試驗例一本發明裝置與國際上現有相關裝置的採樣效果比較(I)與Huckins等研製的三油酸甘油酯一低密度聚乙烯半滲透膜採樣裝置(SPMD)使用的低密度聚乙烯外膜材料相比，本發明使用了親水性的乙酸纖維素為外膜材料，使得外膜材料與生物脂、助溶劑等溶於一體，克服了 SPMD的「三明治」結構；單位體積脂被分散得更均勻(I mL水生植物脂被均勻的分散在15000 cm2的乙酸纖維素的表面，遠遠高於SPMD中I mL三油酸甘油酯分散在450 cm2低密度聚乙烯表面)，使得水體中較高疏水性有機汙染物的採集平衡時間縮短到一周內，遠遠低於SPMD所需的一個月的時間；本發明使用的脂來自於廉價的水生植物，成本遠遠低於商業化的三油酸甘油酯，大大降低了含脂半滲透膜採樣裝置野外大規模應用的成本；(2)與王子健等研製的三油酸甘油酯一乙酸纖維素半滲透膜採樣裝置(TECAM)相t匕，本發明使用的脂來自於廉價的水生植物，成本遠遠低於商業化的三油酸甘油酯，大大降低了含脂半滲透膜採樣裝置野外大規模應用的成本，還可以模擬水生植物對水體中有機汙染物進行原位 監測。
權利要求1.一種水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，其特徵在於:包括刮刀(I)和鋼化玻璃板(2)，鋼化玻璃板(2)上面有長方體型玻璃凹槽(3)，刮刀(I)的下沿能夠架在長方體型玻璃凹槽(3)的兩側邊上。
2.根據權利要求1所述的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，其特徵在於:所述的刮刀(I)為長方體型，下沿為楔形。
3.根據權利要求1所述的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，其特徵在於:所述的長方體型玻璃凹槽(3)由鋼化玻璃條(4)首尾連接而成。
4.根據權利要求3所述的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，其特徵在於:所述的鋼化玻璃條(4)的厚度為50 - 200
5.根據權利要求1所述的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，其特徵在於:所述的長方體型玻璃凹槽(3)兩側分別設置平行於玻璃凹槽(3)的長方體型的鋼化玻璃擋槽(5)。
6.根據權利要求5所述的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具，其特徵在於:所述的鋼化玻璃擋槽(5)高出鋼化玻璃板(2) 0.2 -1 cm.
7.—種水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜仿生被動採樣裝置，其特徵在於其配套外裝置:包括不鏽鋼圓柱體(6)以及兩端的不鏽鋼旋蓋(7)，旋蓋(7)與不鏽鋼圓柱體(6)之間為螺紋連接，旋蓋(7)上有小孔，內部焊接有不鏽鋼網(9)，不鏽鋼網(9)的孔徑為75 - 150 μ m ;不鏽鋼圓柱體(6)縱向平均分成兩半，兩半之間放置水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜(8)。
8.根據權利要求7所述的水生植物脂一乙酸纖維素複合半滲透膜仿生被動採樣裝置，其特徵在於:所述的不鏽鋼圓 柱體(6)上縱向對稱焊接有兩顆不鏽鋼螺母(10)。
專利摘要本實用新型涉及一種水生植物脂－乙酸纖維素複合半滲透膜的製備工具以及應用其的仿生被動採樣裝置。其製備工具，包括刮刀和鋼化玻璃板，鋼化玻璃板上面有長方體型玻璃凹槽，刮刀的下沿能夠架在長方體型玻璃凹槽的兩側邊上；其配套外裝置，包括不鏽鋼圓柱體以及兩端的不鏽鋼旋蓋，旋蓋與不鏽鋼圓柱體之間為螺紋連接，旋蓋上有小孔，內部焊接有不鏽鋼網；不鏽鋼圓柱體縱向平均分成兩半，兩半之間放置水生植物脂－乙酸纖維素複合半滲透膜。採用了廉價的、原生的水生植物脂為原料，大大降低了原材料成本，而且可以實現模擬水生植物對水體中的有機汙染物的原位、準確、便捷、低成本監測。
文檔編號B01D61/08GK203123842SQ201220567108
公開日2013年8月14日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月18日
發明者陶玉強 申請人:中國科學院南京地理與湖泊研究所