專利名稱：基于膜萃取技術(shù)的天然水中污染物現(xiàn)場采樣裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于化學(xué)分析的采樣裝置領(lǐng)域，涉及一種基于膜萃取技術(shù)的現(xiàn)場采樣裝置的研制。該裝置由過濾器、泵、閥和膜萃取器組成。膜萃取器的聚四氟乙烯膜夾在兩塊帶螺旋線溝槽的圓盤形聚四氟乙烯本體之間，形成給體和受體兩個液流通道。根據(jù)目標(biāo)分析物的性質(zhì)不同，可進行連續(xù)流動液膜萃取或微孔膜液-液萃取操作。當(dāng)采集極性化合物時進行連續(xù)流動液膜萃取。此時，樣品經(jīng)過過濾器后由泵采集輸入流路系統(tǒng)，與試劑及少量有機溶劑在聚四氟乙烯盤管中混合，待萃取物被萃入有機相中?；旌弦毫鹘?jīng)膜萃取器的聚四氟乙烯溝槽與聚四氟乙烯膜組成的給體通道時，有機相因其疏水性自動附著并流經(jīng)聚四氟乙烯膜，待萃取物即滲透通過聚四氟乙烯膜，被反萃入另一由聚四氟乙烯膜和聚四氟乙烯塊的溝槽所組成的受體通道內(nèi)。保持受體液靜止而給體流動，即可達(dá)到采樣和分離富集的目的。一定時間后，用注射器將富集了目標(biāo)分析物的受體取出，供分析測定。當(dāng)采集非極性的有機污染物時進行微孔膜液-液萃取。此時，有機溶劑進入受體通道，而樣品和試劑在聚四氟乙烯盤管中混合后進入給體通道，待萃取物即滲透通過聚四氟乙烯膜，被萃入受體通道的有機溶劑中。本現(xiàn)場采樣裝置的特點是簡便、穩(wěn)定、選擇性高和成本低廉，特別適用于現(xiàn)場采集天然水中的污染物。
本技術(shù)領(lǐng)域的背景和發(fā)展現(xiàn)狀大致如下Gudjon Audunsson首次將原先主要用作工業(yè)生產(chǎn)和廢水處理中的支載液體膜技術(shù)用于分析目的——在流動系統(tǒng)中凈化和富集有機胺化合物。其設(shè)計的萃取裝置為在一塊長方形聚四氟乙烯和一塊長方形金屬鈦上分別刻有相同尺寸的U形溝槽，將U形溝槽相對固定且中間夾一聚四氟乙烯膜以形成兩個液流通道，聚四氟乙烯膜吸附有有機溶劑。有機胺化合物的堿性溶液流經(jīng)由金屬鈦和聚四氟乙烯膜組成的給體通道時，中性的有機胺化合物即通過液膜，被置于由聚四氟乙烯膜和聚四氟乙烯塊的溝槽所組成的受體通道內(nèi)的酸性溶液吸收，形成離子以阻止其返回有機液膜，達(dá)到分離富集的目的。后來，Jan Ake Jonsson及其同事改進了這種裝置，將金屬鈦改為聚四氟乙烯材料，U形溝槽改為螺旋形以增加單位面積內(nèi)溝槽的長度。他們用這種萃取裝置或富集系統(tǒng)分離富集環(huán)境水樣中的一些極性有機污染物如有機胺、氯酚、阿特拉津及磺酰脲類除草劑。并將這種裝置用于天然水中酸性除草劑的現(xiàn)場采樣。這種采樣裝置的優(yōu)點是高選擇性、高富集倍數(shù)、低成本、且可進行時間積分(time-integrating)采樣，能更加真實地反映污染情況。缺點是只能使用非極性、難揮發(fā)的有機溶劑進行萃取，富集速度一般較慢；只能采集弱酸弱堿類污染物和某些金屬離子，不能采集那些非極性的持久性有機污染物如有機氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等，因而其適應(yīng)范圍受到很大限制，至今尚無利用這一原理的商品采樣裝置出現(xiàn)。
近年來，Jan Ake Jonsson及其同事提出用微孔膜液-液萃取分離富集非極性有機污染物。即由泵輸送的有機溶劑進入受體通道，而樣品和試劑在聚四氟乙烯盤管中混合后進入給體通道，待萃取物即滲透通過聚四氟乙烯膜，被萃入受體通道的有機溶劑中。目前，這種萃取模式只應(yīng)用于實驗室分離富集某些分析物，尚未見用于現(xiàn)場采樣的報道。
最近，本發(fā)明者提出的一種可連續(xù)更新液膜的流通式支載液體膜萃取——連續(xù)流動液膜萃取裝置，很好地克服了以上缺點。該膜萃取裝置的特點是用作液膜的有機溶劑由一微量柱塞泵或注射泵連續(xù)輸送，因而可使用極性、揮發(fā)性的有機溶劑作為液膜，可大大提高富集速度，擴大了其適應(yīng)范圍。有關(guān)這方面的文獻(xiàn)可參見1.Gudjon Audunsson，Anal.Chem.，1986，58，2714-2723.2.Magnus Knutsson，Goran Nilve，Lennart Mathiasson，Jan Ake Jonsson，J.Agric.Food Chem.，1992，40，2413-2417.3.Jan Ake Jonsson，Lennart Mathiasson，J.Chromatogr.A，2000，902，205-225.4.Jing-Fu Liu，Jin-Bo Chao，Gui-bin Jiang，Anal.Chim.Acta，455/1(2002)93-101.
本發(fā)明的目的是提供一種基于膜萃取技術(shù)的現(xiàn)場采樣裝置，根據(jù)被采集的目標(biāo)化合物的性質(zhì)，可采用連續(xù)流動液膜萃取或微孔膜液-液萃取模式進行分離富集，其穩(wěn)定性和重復(fù)性完全符合定量分析的要求。
完成本發(fā)明的技術(shù)方案是通過下述方式實現(xiàn)的。

圖1是基于膜萃取技術(shù)的現(xiàn)場采樣裝置示意圖。當(dāng)采集極性化合物如多氯酚、雙酚-A和阿特拉津等時，采用連續(xù)流動液膜萃取模式。此時，將連接有過濾器的樣品管置于欲采集的天然水體中。過濾器為一T形管，其一端與采樣管入口相連，另外兩端用濾網(wǎng)封口。樣品(S)和試劑(R)分別由蠕動泵(P1)送入混合盤管(MC)中，再與由微量注射泵(P2)輸送的有機溶劑(O)混合。它們在聚四氟乙烯盤管(EC)中自動萃取，目標(biāo)物被萃取入有機相中?；旌弦毫鹘?jīng)膜萃取器(ME)螺旋線形聚四氟乙烯溝槽與聚四氟乙烯膜組成的給體通道時，有機相因其疏水性自動附著并流經(jīng)聚四氟乙烯膜，此時待萃取物即透過聚四氟乙烯膜而被反萃入置于由聚四氟乙烯膜和螺旋線形聚四氟乙烯溝槽組成的受體通道內(nèi)，用注射器將受體液(A)推入受體通道內(nèi)。通過閥V1和V2的切換，保持受體液靜止而樣品等供體液流流動時，即可達(dá)到采樣和富集的目的。經(jīng)過一定時間后，將閥V1置于旁路，而閥V2處于注射位置，用注射器將富集了目標(biāo)分析物的受體推入一小容器中，供分析測定。
當(dāng)采集非極性的有機污染物如有機氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等時，采用微孔膜液-液萃取模式，其操作方法與連續(xù)流動液膜萃取模式基本相同，只是將輸送的有機溶劑的微量注射泵(P2)關(guān)閉，受體液改為正己烷等非水溶性有機溶劑。
圖1中虛線框所示為膜萃取器(ME)的放大圖，圖中1為聚四氟乙烯塊主體，2為聚四氟乙烯膜，3為鋁支撐體，4為刻在聚四氟乙烯塊主體上的阿基米德螺旋線?，F(xiàn)對其各部件作詳細(xì)描述聚四氟乙烯塊為一直徑φ120mm、厚8mm的圓盤，上面刻有阿基米德螺旋線形萃取槽，其槽深0.3mm，寬2.0mm，長160cm，體積為960μL。溝槽兩端加工有φ1mm的連接孔，在半徑為55mm的圓周上均布有8個φ4mm的通孔作固定用。鋁支撐體也是直徑φ120mm、厚8mm的圓盤，在與聚四氟乙烯塊溝槽兩端的φ1mm的連接孔相對應(yīng)的位置處加工有M6的螺孔，在半徑為55mm的圓周上均布有8個φ4mm的通孔作固定用。所用聚四氟乙烯膜是直徑φ90mm商品聚四氟乙烯膜，以帶支撐網(wǎng)的聚四氟乙烯膜(如Millipore FG膜)為宜。膜越薄、孔率越大，萃取效率越高，膜孔徑在0.2-1.0范圍內(nèi)影響不大。當(dāng)聚四氟乙烯膜帶支撐網(wǎng)時，將支撐網(wǎng)朝受體可獲得更高的萃取率。安裝時，先將聚四氟乙烯膜夾在聚四氟乙烯塊之間，再將它們夾在兩鋁塊之間，用8個M4的螺栓和螺母擰緊固定。
聚四氟乙烯盤管包括混合盤管和萃取盤管，均為內(nèi)徑為φ0.5mm的聚四氟乙烯管。混合盤管MC的長度一般為30-60cm；萃取盤管EC的長度據(jù)被萃取化合物而定，一般為30-300cm。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明主要有以下優(yōu)點1.由于可采用連續(xù)流動液膜萃取或微孔膜液-液萃取兩種分離富集模式進行采樣，本現(xiàn)場采樣裝置既可用于采集弱酸弱堿類極性化合物，也可用于采集非極性的持久性有機污染物如有機氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等。2.本發(fā)明中有機溶劑由泵連續(xù)輸入，可使用極性和揮發(fā)性溶劑。因而，與現(xiàn)有的基于支載液體膜萃取的現(xiàn)場采樣裝置相比，本發(fā)明可在較寬范圍內(nèi)選擇合適的有機溶劑以獲得很高的萃取速率。3.可進行時間積分(time-integrating)采樣，能更加真實地反映污染情況。4.采樣與分離富集同時進行，可直接進行分離測定，省去了樣品前處理的麻煩。5.采集的目標(biāo)物被富集于小體積的溶液內(nèi)(約2mL)，便于保存和運輸。6.僅使用少量的有機溶劑，減少了污染，大大降低了成本。
在完成本發(fā)明的過程中，對新現(xiàn)場采樣裝置的各項性能指標(biāo)進行了反復(fù)測試，具有較好的穩(wěn)定性，其系統(tǒng)重現(xiàn)性RSD≤8％，聚四氟乙烯膜可長期連續(xù)使用。
權(quán)利要求
1.一種基于膜萃取技術(shù)的現(xiàn)場采樣裝置，該現(xiàn)場采樣裝置由過濾器、泵、閥和膜萃取器組成，其特點是根據(jù)被采集目標(biāo)化合物的性質(zhì)不同，可方便地采用不同的膜萃取模式。當(dāng)采集極性化合物如多氯酚、雙酚-A和阿特拉津等時，采用連續(xù)流動液膜萃取模式；當(dāng)采集非極性污染物如有機氯農(nóng)藥、多氯聯(lián)苯和多環(huán)芳烴等時，采用微孔膜液-液萃取模式。
2.按照權(quán)利1所述的現(xiàn)場采樣裝置，其包括一個過濾器。該過濾器為一T形管，其一端與采樣管入口相連，另外兩端用濾網(wǎng)封口，防止大的顆粒物和小動物進入采樣管道而堵塞流路系統(tǒng)。
3.按照權(quán)利1所述的現(xiàn)場采樣裝置，其包括一個圓盤形膜萃取器。該膜萃取器由兩塊帶溝槽的聚四氟乙烯本體、聚四氟乙烯膜以及聚四氟乙烯盤管組成，其特點是給體和受體通道為螺旋線形。
全文摘要
本發(fā)明屬于化學(xué)分析的采樣裝置領(lǐng)域,涉及一種基于膜萃取技術(shù)的現(xiàn)場采樣裝置的研制。該裝置由過濾器、泵、閥和膜萃取器組成。膜萃取器的聚四氟乙烯膜夾在兩塊帶螺旋線溝槽的圓盤形聚四氟乙烯本體之間,形成給體和受體兩個液流通道。根據(jù)目標(biāo)分析物的性質(zhì)不同,可進行連續(xù)流動液膜萃取或微孔膜液－液萃取操作。當(dāng)采集極性化合物時進行連續(xù)流動液膜萃取。此時,樣品經(jīng)過過濾器后由泵采集輸入流路系統(tǒng),與試劑及少量有機溶劑在聚四氟乙烯盤管中混合,待萃取物被萃入有機相中。混合液流經(jīng)萃取器的聚四氟乙烯溝槽與聚四氟乙烯膜組成的給體通道時,有機相因其疏水性自動附著并流經(jīng)聚四氟乙烯膜,此時待萃取物即滲透通過聚四氟乙烯膜,被反萃入另一由聚四氟乙烯膜和聚四氟乙烯塊的溝槽所組成的受體通道內(nèi)。保持受體液靜止而給體流動,即可達(dá)到采樣和分離富集的目的。一定時間后,用注射器將富集了目標(biāo)分析物的受體取出,供分析測定。采集非極性的有機污染物時進行微孔膜液－液萃取。此時,有機溶劑進入受體通道,而樣品和試劑在聚四氟乙烯盤管中混合后進入給體通道,待萃取物即滲透通過聚四氟乙烯膜,被萃入受體通道的有機溶劑中。本現(xiàn)場采樣裝置的特點是簡便、穩(wěn)定、選擇性高和成本低廉,特別適用于現(xiàn)場采集天然水中的污染物。
文檔編號B01D61/38GK1382969SQ02116560
公開日2002年12月4日 申請日期2002年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2002年4月9日
發(fā)明者劉景富, 江桂斌 申請人:中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心