一种用于水体被动式采样的半透膜连续采样装置

摘要

本发明涉及一种用于水体被动式采样的半透膜连续采样装置，它包括一流速控制单元、至少三个平行通道采样箱和一温度控制单元；待采样水体通过供水管道进入所述流速控制单元的入口端，所述流速控制单元的出口端连接一管道接头的入口端，所述管道接头的出口端分别并联连接各所述平行通道采样箱的进水口，各所述平行通道采样箱的出水口均连通外界；每一所述平行通道采样箱内部均设置有一用于实时采集内部水体温度的温度传感器和一用于为内部水体进行加热的加热元件，每一所述温度传感器均将采集的温度值实时发送给所述温度控制单元，所述温度控制单元将接收的温度值进行显示，并根据温度值控制所述加热元件对相应所述平行通道采样箱内的水体进行加热以达到设定温度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水体被动式采样装置，特别是关于一种用于水体被动式采样的半 透膜连续采样装置。

背景技术

在水体痕量有毒污染物监测技术中，被动式采样技术因其能降低污染物检测限、 测量时间加权平均浓度(Timeweightedaverageconcentration,TWAconcentration)、 经济高效等优点逐渐被重视而得到发展，代表性的被动式采样器有半透膜被动式采样 器(semi-permeablemembranedevices，SPMDs)、化学捕集采样器(Chemcatcher)、 极性有机物积分采样器(Polarorganicchemicalintegrativesampler，POCIS)、 膜梯度扩散技术(Diffusion-gradientinthin-film，DGT)、硅胶采样器(Silicon Rubber)等，这些被动式采样器富集的目标污染物不同，且具有各自的优缺点，目前 应用最为广泛的是三油酸酯-半透膜被动式采样器(Triolein-SPMDs)。上述的被动式采 样器采样周期均长达数周，其缓慢的采样速率极大地限制了其推广和应用。王子健等 人研发的三油酸甘油酯-醋酸纤维素复合膜(TECAM)被动式采样器具有较高的采样效率， 能将采样周期缩短到7天以内，因此TECAM被认为是半透膜被动式采样器的重要革新， 是主流的水体被动式采样技术之一。

在被动式采样的一系列模型和水体时间加权平均浓度估算中，采样速率是极为重 要的参数。在水体原位被动采样时，被动式采样器的采样速率会受到很多复杂因素的 影响，例如生物污染、生物阻塞以及水体的流速、温度、pH等物理化学条件，其中， 水体流速为现场应用中最难控制，且会对采样速率造成较大影响的因素。针对水体流 速对采样速率的影响，可以通过现场测定采样速率、效能参考化合物(Performance referencecompounds，PRCs)校正、控制野外流速条件等方法来解决，然而现场测定 采样速率方法可靠性较低，PRCs校正方法较为复杂，最直接可靠的方法就是控制野外 流速条件。因此，为了使半透复合膜被动式采样器更好地应用于野外现场监测，有必 要研究能控制现场采样条件的设备，以校正半透复合膜被动式采样器的采样速率。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够保证采样速率稳定，增加采样可靠 性的用于水体被动式采样的半透膜连续采样装置。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于水体被动式采样的半透膜 连续采样装置，其特征在于：它包括一流速控制单元、至少三个平行通道采样箱和一 温度控制单元；待采样水体通过供水管道进入所述流速控制单元的入口端，所述流速 控制单元的出口端连接一管道接头的入口端，所述管道接头的出口端分别并联连接各 所述平行通道采样箱的进水口，各所述平行通道采样箱的出水口均连通外界；每一所 述平行通道采样箱内部均设置有一用于实时采集内部水体温度的温度传感器和一用于 为内部水体进行加热的加热元件，每一所述温度传感器均将采集的温度值实时发送给 所述温度控制单元，所述温度控制单元将接收的温度值进行显示，并根据温度值控制 所述加热元件对相应所述平行通道采样箱内的水体进行加热以达到设定温度。

每一所述平行通道采样箱均包括一矩形箱体、一箱盖和一膜组件，所述膜组件包 括一矩形框架、一平板和一半透复合膜；所述矩形箱体两侧分别设置有一进水口和一 出水口，且所述进水口的水平位置低于所述出水口，所述矩形箱体内部设置一外腔和 一内腔，所述外腔通过管路与所述进水口连通，所述内腔一侧腔壁的顶部设置有一出 水槽，所述出水槽通过管路与所述出水口连通，设置有所述出水槽侧的所述内腔腔壁 上均匀设置有若干个通水孔，所述外腔内的水体通过各所述通水孔进入所述内腔；所 述内腔插设固定所述膜组件，所述平板固定在所述矩形框架上，所述平板与所述矩形 框架之间固定设置有所述半透复合膜，所述半透复合膜与所述通水孔相对设置；所述 矩形框架的顶部固定连接所述箱盖，所述箱盖与所述矩形箱体固定连接，构成密闭空 间。

所述管道接头、矩形箱体、矩形框架和所述平板采用不锈钢材料或者特氟龙材料 制备而成。

所述半透复合膜采用TECAM。

所述流速控制单元采用蠕动泵，且所述蠕动泵的入口端设置有一过滤网。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明包括流速控制单元、 平行通道采样箱和温度控制单元，操作人员可以通过流速控制单元和温度控制单元人 为控制平行通道采样箱内水流的流速和温度，使得采样装置无论是在实验室条件，还 是在野外现场条件下都处在一个稳定、一致的环境下，因此可以有效控制环境基质干 扰，保证采样速率的稳定，增加采样的可靠性。2、本发明包括至少三个平行通道采样 箱，每一平行通道采样箱均包括矩形箱体、箱盖和膜组件，多个平行通道采样箱可以 保证采样数据的可靠性，矩形箱体包括外腔和内腔，外腔的水体通过内腔一侧腔壁上 的通水孔进入内腔，水体在内腔内形成紊流与半透膜充分接触，因此可以充分模拟野 外现场条件。3、本发明管道接头、矩形框架、平板和矩形箱体采用不锈钢材料或者特 氟龙材料制备而成，可以防止长期接触水体生锈或者析出污染物影响采样效果，从而 充分保证水体从现场水体环境进入平行通道采样箱不会受到污染，提高采样的准确性。 4、本发明半透复合膜采用TECAM，因此可以缩短采样周期，提高采样效率。5、本发 明流速控制单元采用蠕动泵，蠕动泵可以防止倒吸，可以干转，有利于采样装置运行 的稳定性，且蠕动泵的入口端设置有过滤网，过滤网可以滤去待采样水体中的浮游植 物、浮游动物和不溶性悬浮物，因此防止对管道和平行通道采样箱内的水流通道造成 物理性阻塞和生物性淤塞。本发明可以广泛应用于水体被动式采样过程中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明平行通道采样箱的结构示意图，其中，(a)是整体结构示意图，(b) 是箱盖和膜组件分解结构示意图；

图3是本发明矩形箱体内部结构示意图，其中，(a)是矩形箱体的俯视图，箭头 表示水流方向，(b)是矩形箱体外腔内腔一连接面的正视图；

图4是实施例中采用两种不同方法测定的水体中芘的浓度，其中，“·”表示 C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样单次测定的浓度，表示C₁₈小柱固相萃取多点 瞬时采样计算的7天时间加权平均浓度，表示本发明的半透复合膜TECAM 连续采样7天时间加权平均浓度；

图5是实施例中采用两种不同方法测定的水体中多环芳烃的7天时间加权平均浓 度，其中，表示C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样检出的10种PAHs的7天时间 加权平均浓度，表示本发明的半透复合膜TECAM检出的12种PAHs的7天时 间加权平均浓度。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供的用于水体被动式采样的半透膜连续采样装置，它包括 一流速控制单元1、至少三个平行通道采样箱2和一温度控制单元3。

待采样水体通过供水管道进入流速控制单元1的入口端，流速控制单元1用于控 制供水管道内水流的速度，流速控制单元1的出口端连接一管道接头4的入口端，管 道接头4的出口端分别并联连接各平行通道采样箱2的进水口，各平行通道采样箱1 的出水口均连通外界。每一平行通道采样箱1内部均设置有一用于实时采集内部水体 温度的温度传感器(图中未示出)和一用于为内部水体进行加热的加热元件(图中未 示出)，每一温度传感器均将采集的温度值实时发送给现有的温度控制单元3，温度控 制单元3将接收的温度值进行显示，并根据温度值控制加热元件对相应平行通道采样 箱1内的水体进行加热以达到设定温度，从而使每一平行通道采样箱1内的水流流速 和温度都处在一个稳定、一致的环境下。

在一个优选的实施例中，如图2、图3所示，每一平行通道采样箱2均包括一矩 形箱体2-1、一箱盖2-2和一膜组件，膜组件包括一矩形框架2-3、一平板2-4和一半 透复合膜2-5。

矩形箱体2-1两侧分别设置有一进水口2-6和一出水口2-7，且进水口2-6的水 平位置低于出水口2-7，矩形箱体2-1内部设置一外腔2-8和一内腔2-9，外腔2-8 通过管路与进水口2-6连通，内腔2-9一侧腔壁的顶部设置有一出水槽2-10，出水槽 2-10通过管路与出水口2-7连通，设置有出水槽2-10侧的内腔2-9腔壁上均匀设置 有若干个通水孔2-11，(本实施例中，设置有四个，以此为例，但不限于此)，外腔2-8 内的水体通过各通水孔2-11进入内腔2-9。内腔2-9插设固定膜组件，矩形框架2-3 上设置有若干个凸起，与凸起相配合使用，平板2-4设置有相应数量的圆孔，通过凸 起和圆孔相配合使平板2-4固定在矩形框架2-3上，平板2-4与矩形框架2-3之间固 定设置有半透复合膜2-5，半透复合膜2-5与通水孔2-11相对设置，由于外腔2-8和 内腔2-9的压力差，使外腔2-8内的水体通过通水孔2-11沿垂直于半透复合膜2-5 的方向进入内腔2-9，并平行于半透复合膜2-5向上流动，最终从出水槽2-10流出， 在内腔2-9内形成湍流(紊流)，并充分与半透复合膜接触。矩形框架2-3的顶部固定 连接箱盖2-2，箱盖2-2与矩形箱体2-1通过螺栓固定连接，构成密闭空间。

在一个优选的实施例中，管道接头4、矩形箱体2-1、矩形框架2-3和平板2-4 可以采用不锈钢材料或者特氟龙材料制备而成，以防止长期接触水体生锈或者析出污 染物影响采样效果。

在一个优选的实施例中，半透复合膜2-5可以采用TECAM。

在一个优选的实施例中，流速控制单元1可以采用蠕动泵，且蠕动泵的入口端设 置有一过滤网，过滤网用于滤去待采样水体中的浮游植物、浮游动物和不溶性悬浮物， 从而防止对管道和平行通道采样箱2内的水流通道造成物理性阻塞和生物性淤塞。

下面结合实施例对本发明的用于水体被动式采样的半透膜连续采样装置进行详细 描述：

本实施例中，半透复合膜2-5采用TECAM，选择北京某污水处理厂排污河流进行 野外现场应用，调整流速控制单元1和温度控制单元3，使平行通道采样箱2内的水 流速度和温度与实验室模拟条件一致。在野外条件下暴露7d(天)后，半透复合膜2-5 表面呈微黄色，有轻微的生物膜形成，但经过前处理后的透析液，色谱图清晰，没有 明显的干扰峰。结果表明，在水样与膜样中检出大量的多环芳烃(PAHs)。本实施例中， 还同步采用现有的C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样的方法进行采样，分别在第1、2、4、 7天采集4次样品，其中，C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样检出PAHs为10种，半透复 合膜2-5检出PAHs为12种，分别为Naph(萘)、Aceph(苊)、Ace(苊烯)、Fl(芴)、 Phe(菲)、An(蒽)、Flu(荧蒽)、Pyr(芘)、BaA(苯并[a]蒽)、Chr(屈)、BbF(苯 并[b]荧蒽)和BkF(苯并[k]荧蒽)。

通过C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样的方法来获得水体污染物时间加权浓度信息 时比较困难，特别是当水体中污染物浓度随时间有所波动的情形下。而提高C₁₈小柱固 相萃取多点瞬时采样的频率有可能提高C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样得到的时间加 权平均浓度。如图4所示，C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样用常规固相萃取方法得到的 水体浓度具有较大的波动性(“·”代表固相萃取数据)，其中，芘的4次瞬时采样 浓度范围在17.0～68.5ng/L之间，最高值是最低值的4.0倍，表明C₁₈小柱固相萃取 多点瞬时采样所得浓度存在较大偏差。

C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样所得到的时间加权平均值与半透复合膜2-5检测出 的TWA浓度较为接近(如图5所示)，其中，半透复合膜2-5所得到的10种多环芳烃的 TWA浓度是C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样计算值的0.3～2.2倍，例如，半透复合膜 2-5检测出芘的TWA浓度是C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样TWA浓度的0.86倍，两种 方法所得到的TWA浓度具有很好的吻合。事实上，半透复合膜2-5的TWA浓度是更为 准确地预测了水体中疏水性有机物的浓度，因为固相萃取(SPE)所吸附的有机物还包 括一部分与可溶性有机碳结合的化合物。值得注意的是，C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采 样得到的C_TWA(时间加权平均浓度)具有较大的偏差；半透复合膜2-5连续采样检出了痕 量浓度的强疏水性PAHs——苯并[b]荧蒽和苯并[k]荧蒽，其C_TWA分别为4.9ng/L和 3.8ng/L，而同步开展的C₁₈小柱固相萃取多点瞬时采样中均未检出这两种污染物，表 明半透复合膜2-5富集效率高，一定程度上能显著提高强疏水性化合物的方法检测限。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都 是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。