基于渗透泵和固相萃取的水体污染物时间加权平均浓度采样器

摘要

本发明涉及基于渗透泵和固相萃取的水体污染物时间加权平均浓度采样器，包括内部填充吸附剂的固相萃取单元、采样体积确定单元和采样渗透泵；采样体积确定单元用于确定流经固相萃取单元的水样体积。采用渗透泵为采样动力，无需供电，且体积小、重量轻，因此可在水体中方便地布放。在采样渗透泵的蒸馏水中加入阴、阳离子交换树脂，吸附透过渗透膜进入蒸馏水中的离子，保证渗透膜两侧的渗透压值恒定不变，从而使采样渗透泵的采样速度保持稳定，得到的C

说明书

技术领域

本发明涉及水样采样器，更具体地说，涉及一种基于渗透泵和固相萃取的水体污染物时 间加权平均浓度采样器。

背景技术

水体污染物的时间加权平均浓度(time-weightedaverageconcentration，C_TWA)是指水体 污染物浓度随时间变化，通过对某段时间内的污染物浓度进行时间加权平均而得到的浓度， 其大小可以客观反映该段时间内水体中污染物的浓度水平，准确地表征水体的污染状况。

常用的获取C_TWA的方法是利用被动采样器进行采样。将被动采样器布放在水体中一段时 间后回收，测定采样器上所累积的污染物总量(m_采样器)，由布放时间(t)和预先在实验室测 得的采样速率(R_s)获取采集水样的总体积(V_水样)，由下式计算出C_TWA：

常用的被动采样器包括半透膜采样装置(SPMD)、梯度扩散薄膜(DGT)、化学捕收 器和极性有机物一体化采样器(POCIS)等，其一般由固体吸附剂、油脂或 有机溶剂等接收相和过滤膜组成，污染物完全通过扩散作用进入接收相为接收相所吸附或吸 收。被动采样器可以进行长期连续监测，无需外部动力，布放方便，目前在水环境监测中得 到广泛应用。然而，其采样速率R_s受实际环境条件如水流速度和温度的影响，此外生物在过 滤膜上生长造成的堵塞也会引起R_s的变化，最终导致采集水样的总体积V_水样的误差很大。目 前，利用被动采样器只能实现定性或半定量监测，极大地限制水体污染物C_TWA的准确获取。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种可获得水体污染物高准确度C_TWA的基 于渗透泵和固相萃取的水体污染物时间加权平均浓度采样器。

本发明的技术方案如下：

一种基于渗透泵和固相萃取的水体污染物时间加权平均浓度采样器，包括内部填充吸附 剂的固相萃取单元、采样体积确定单元和采样渗透泵；采样体积确定单元用于确定流经固相 萃取单元的水样体积，固相萃取单元、采样体积确定单元、采样渗透泵依次连接，或者固相 萃取单元、采样渗透泵、采样体积确定单元依次连接，或者固相萃取单元、一采样体积确定 单元、采样渗透泵、另一采样体积确定单元依次连接。

作为优选，采样体积确定单元为连接在采样渗透泵前端的蒸馏水盘管和/或连接在采样渗 透泵后端的试剂袋，蒸馏水盘管内预先填装蒸馏水。

作为优选，采样渗透泵包括密封外壳、渗透膜，渗透膜将密封外壳的内部空间分隔成蒸 馏水室与溶液室，蒸馏水室内填装蒸馏水及阴离子交换树脂、阳离子交换树脂，溶液室内填 装饱和盐溶液及盐固体。

作为优选，固相萃取单元的前端连接过滤器，水样流经过滤器后进入固相萃取单元。

作为优选，固相萃取单元中的吸附剂为C₁₈键合硅胶、HLB吸附剂或离子交换树脂。

作为优选，还包括至少一个试剂添加模块；试剂添加模块包括试剂渗透泵和试剂盘管； 试剂渗透泵包括密封外壳、渗透膜，渗透膜将密封外壳的内部空间分隔成蒸馏水室与溶液室， 蒸馏水室内填装蒸馏水及阴离子交换树脂、阳离子交换树脂，溶液室内填装饱和盐溶液及盐 固体；试剂盘管内填装具备已知的特定功能的功能试剂；试剂盘管的一端连接于试剂渗透泵 的溶液室，另一端与采样器的入口相连，功能试剂进入采样器并与水样混合。

作为优选，功能试剂包括杀生剂或酸碱溶液。

本发明的有益效果如下：

由体积确定单元得到的信息，即试剂袋中收集到的盐溶液的体积或者存储在蒸馏水盘管 中水样的体积，可准确地得到进入采样器并流过固相萃取单元的水样的体积，即采集水样的 总体积(V_水样)，因此测得的C_TWA极为准确。

采用渗透泵为采样动力，无需供电，且体积小、重量轻，因此可在水体中方便地布放。

在采样渗透泵的蒸馏水中加入阴、阳离子交换树脂，吸附透过渗透膜进入蒸馏水中的离 子和来自水样中的离子，保证渗透膜两侧的渗透压值恒定不变，从而使采样渗透泵的采样速 度保持稳定，得到的C_TWA更有代表性。

通过基于渗透泵的试剂添加模块往采样器中加入多种试剂，既可杀死微生物，消除其影 响，提高准确度，又可通过试剂调整pH值，实现对不同形态污染物的高效采集。

附图说明

图1是本发明的结构示意图(采样体积确定单元只设置蒸馏水盘管，且未设置试剂添加 模块)；

图2是本发明的结构示意图(采样体积确定单元只设置试剂袋，且未设置试剂添加模块)；

图3是本发明的结构示意图(采样体积确定单元设置蒸馏水盘管和试剂袋，且未设置试 剂添加模块)；

图4是本发明的结构示意图(图3所示的实施例的基础上，增加设置过滤器和一个试剂 添加模块)；

图5是本发明的结构示意图(图3所示的实施例的基础上，增加设置过滤器和两个试剂 添加模块)；

图中：10是固相萃取单元，11是蒸馏水盘管，12是采样渗透泵，13是试剂袋，14是过 滤器，15是试剂渗透泵，16是试剂盘管，17是密封外壳，18是渗透膜，19是蒸馏水室，20 是溶液室，21是盐固体，22是阴离子和阳离子交换树脂，23是气泡。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

本发明提供一种基于渗透泵和固相萃取的水体污染物时间加权平均浓度采样器，包括固 相萃取单元10、采样体积确定单元、采样渗透泵12。固相萃取单元10位于采样器的前端， 其形状可以是小柱(cartridge)也可以是圆盘(disk)。固相萃取单元10内装有固体吸附剂， 用于吸附流过的水样中的污染物，这些吸附剂包括C₁₈键合硅胶、HLB或离子交换树脂等。 采样体积确定单元是用于确定采样体积的部件，包括蒸馏水盘管11、试剂袋13或两者组合 设置；根据其结构特点，本发明所述的采样器中，固相萃取单元10、蒸馏水盘管11、采样渗 透泵12依次连接，如图1所示；或者固相萃取单元10、采样渗透泵12、试剂袋13依次连接， 如图2所示；或者固相萃取单元10、蒸馏水盘管11、采样渗透泵12、试剂袋13依次连接， 如图3所示。

蒸馏水盘管11的两端分别连接固相萃取单元10的后端和采样渗透泵12的前端，蒸馏水 盘管11内预先填装蒸馏水，同时在蒸馏水盘管11与固相萃取单元10的连接点处设置一段气 泡，实际应用时蒸馏水盘管11内的气泡会往采样渗透泵12的方向移动，气泡的终止位置至 起始位置的一段盘管中所储存水样体积即为采样体积(V_水样)。蒸馏水盘管11还起为渗透泵 提供蒸馏水的作用。

试剂袋13连接在采样渗透泵12后端，即采样渗透泵12的出口，接收从采样渗透泵12 流出的盐溶液，从试剂袋13中的盐溶液的体积扣除盐的影响后，可得到采样体积(V_水样)。

当蒸馏水盘管11和试剂袋13同时设置时，如图3、图4和图5所示，采样体积(V_水样) 可由两种采样体积确定单元的任意一种确定。蒸馏水盘管11中也可不设置气泡23，此时， 采样体积(V_水样)由试剂袋13确定，蒸馏水盘管11只起为渗透泵提供蒸馏水的作用。

采样渗透泵12是采样器的采样动力，包括密封外壳17、渗透膜18，渗透膜18将密封外 壳17的内部空间分隔成蒸馏水室19与溶液室20；溶液室20内填装饱和盐溶液(NaCl溶液) 及盐固体21(NaCl固体)，保证工作期间NaCl溶液一直保持饱和状态；蒸馏水室19内填 装蒸馏水及阴离子交换树脂、阳离子交换树脂22，以吸附透过渗透膜18进入蒸馏水中的离 子和来自水样中的离子，保证采样期间渗透膜18两侧溶液离子强度的差值恒定不变，从而稳 定渗透泵的流速。

当水体中的颗粒较多时，可在采样器的固相萃取单元10前面加上过滤器14，水样从过 滤器14进入，可避免颗粒物进入采样器。

本发明还包括至少一个试剂添加模块，如图4、图5所示。试剂添加模块包括试剂渗透 泵15、试剂盘管16，试剂盘管16用于储存功能试剂，试剂渗透泵15推动盘管中的功能试剂 进入采样器。试剂渗透泵15的结构与采样渗透泵12相同，其流速远小于采样渗透泵12。试 剂渗透泵15包括密封外壳17、渗透膜18，渗透膜18将密封外壳17的内部空间分隔成蒸馏 水室19与溶液室20；溶液室20内填装饱和盐溶液(NaCl溶液)及盐固体21(NaCl固体)， 保证工作期间NaCl溶液一直保持饱和状态；蒸馏水室19内填装蒸馏水及阴离子交换树脂、 阳离子交换树脂22；试剂盘管16内填装具备已知的特定功能的试剂。当不设置过滤器14时， 试剂盘管16的一端连接于固相萃取单元10的前端；当有设置过滤器14时，试剂盘管16的 一端连接于过滤器14的前端。试剂盘管16的另一端连接于试剂渗透泵15的溶液室20。试 剂渗透泵15推动试剂盘管16中的功能试剂进入采样器并与水样混合。

可根据需要添加多个功能试剂，试剂盘管16中的功能试剂包括用于杀生的氯化汞或甲醛 等杀生剂，以及用于调节pH值的酸碱溶液。

实施例1

本实施例包含一个试剂添加模块，如图4所示，过滤器14中装有孔径为0.45微米的滤 膜，用于去除水中的颗粒物。固相萃取单元10中的吸附剂为C₁₈键合硅胶。蒸馏水盘管11 为软质PVC管。采样渗透泵12的密封外壳17采用有机玻璃加工；常用于水处理的反渗透膜 如陶氏(DOW)反渗透膜作为渗透膜18，渗透膜18的大小由需要的采样流速和采样时间等 因素确定；阴离子交换树脂、阳离子交换树脂可采用抛光树脂如陶氏DOWEX^TM。试剂袋13 采用容量为1升的PE袋。试剂渗透泵15的结构和所用的材料同采样渗透泵12，但体积和流 速较小。试剂盘管16为FEP或PTFE塑料管，内装杀生剂如饱和氯化汞溶液。

本实施例的采样器用于采集水中的非极性污染物如多环芳烃、多氯联苯、多溴联苯醚等。

本发明的运行过程如下：

将采样器布放于被测水体中。在渗透压的作用下，采样渗透泵12中的蒸馏水会以一定的 速度通过渗透膜18，进入另一侧的饱和NaCl溶液中，从而提供动力，将水样吸入采样器中。 在采样渗透泵12的作用下，水样通过过滤器14滤除颗粒，进入固相萃取单元10中，水中的 目标污染物如多环芳烃、多氯联苯、多溴联苯醚等被固相萃取单元10中的吸附剂C₁₈键合硅 胶所吸附，流出液进入蒸馏水盘管11中，蒸馏水盘管11中存贮的蒸馏水则进入采样渗透泵 12的入口，从采样渗透泵12的出口流出的饱和NaCl溶液被试剂袋13所收集。

在采样的同时，试剂渗透泵15推动试剂盘管16中的杀生剂如饱和氯化汞溶液进入采样 器，并与水样混合。杀生剂可以杀死水样中存在的各种微生物，防止微生物在滤膜上生长造 成堵塞以及消除微生物对吸附在固相萃取单元10上的目标物可能造成影响。

布放结束后将本发明回收，洗脱固相萃取单元10内的吸附剂上的目标污染物，并用相应 的仪器测定所吸附的污染物总量(m_采样器)，同时根据试剂袋13中收集到的饱和NaCl溶液的 量或蒸馏水盘管11中储存的水样的体积，确定进入采样器中的水样的总体积即采样体积(V _水样)，由公式计算得到采样器布放期间水体中目标污染物的C_TWA。

实施例2

本实施例中，固相萃取单元10中的吸附剂为离子交换吸附剂如Chelex-100，试剂盘管 16中内装杀生剂甲醛溶液，用于采集水中的重金属离子等。

其他部分与实施例1相同。

实施例3

本实施例包含两个试剂添加模块，如图5所示，两个试剂盘管16中的功能试剂分别为盐 酸溶液、饱和氯化汞溶液。固相萃取单元10中的吸附剂为HLB吸附剂。本实施例的采样器 用于采集极性污染物如酚类、羧酸类化合物。盐酸溶液的加入可降低样品的pH值，使污染 物呈分子状态，容易为吸附剂所吸附。

其他部分与实施例1相同。

实施例4

本实施例中，两个试剂盘管16中的功能试剂分别为碱液、饱和氯化汞溶液。本实施例的 采样器用于采集极性污染物如苯胺类化合物。碱液的加入可提高样品的pH值，使污染物呈 分子状态，容易为吸附剂所吸附。

其他部分与实施例3相同。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技 术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。