本發(fā)明涉及大氣監(jiān)測(cè)儀器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種大氣中有機(jī)污染物的采集器，尤其是一種被動(dòng)采樣器、其使用方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

持久性有機(jī)污染物(POPs)是具有全球遷移能力的半揮發(fā)性污染物。低溫的南、北極和青藏高原地區(qū)是POPs類物質(zhì)的主要聚集地。對(duì)大氣POPs的監(jiān)測(cè)有助于掌握POPs的全球遷移規(guī)律。

目前，監(jiān)測(cè)大氣POPs的工具主要有主動(dòng)采樣器和被動(dòng)采樣器兩種。主動(dòng)采樣器主要使用氣泵抽取空氣并攔截氣體中的有機(jī)蒸汽；被動(dòng)采樣器則基于有機(jī)高分子材料對(duì)有機(jī)物的吸附能力，依靠大氣與有機(jī)材料之間的POPs濃度梯度使污染物擴(kuò)散到有機(jī)材料上，從而起到采集污染物的效果。被動(dòng)采樣器因?yàn)椴恍枰?、造價(jià)低廉、無(wú)需人工操作等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于城市、區(qū)域、國(guó)家、洲際甚至全球尺度的大氣POPs監(jiān)測(cè)。如圖1所示，筒式苯乙烯-二乙烯基苯樹(shù)脂(XAD-2)被動(dòng)采樣器(XAD-PAS)為常用的一種大容量被動(dòng)采樣器，其采樣周期可達(dá)到1年。因此，XAD-PAS更適合于在偏遠(yuǎn)和人跡罕至的地區(qū)進(jìn)行大氣POPs的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

準(zhǔn)確確定被動(dòng)采樣器的采樣效率(PSR)是獲得準(zhǔn)確大氣POPs濃度的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，XAD-PAS外殼為下端開(kāi)口結(jié)構(gòu)，這一方面促使氣流自由進(jìn)入采樣器，另一方面也導(dǎo)致了在外界風(fēng)速變化的情況下，XAD-PAS的采樣效率波動(dòng)較大。如圖2所示，有風(fēng)情況下XAD-PAS的PSR顯著高于無(wú)風(fēng)狀況。此外，長(zhǎng)期的采樣過(guò)程中，空氣中的瞬時(shí)湍流具有較大的時(shí)空不確定性。由風(fēng)速和湍流所引起的XAD-PAS采樣效率誤差增加了對(duì)XAD-PAS大尺度和長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行相互對(duì)比的難度。因此，有必要對(duì)采樣器外殼進(jìn)行改造，既允許氣流充分進(jìn)入采樣器，又避免氣流的直接進(jìn)入，從而消除風(fēng)速和湍流對(duì)PSR的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于上述XAD被動(dòng)采樣技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明旨在提供一種被動(dòng)采樣器，以期解決上述技術(shù)問(wèn)題中的至少之一，從而滿足在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行大氣POPs長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種被動(dòng)采樣器，包括：

采樣器外殼，內(nèi)部設(shè)置有用于采樣的吸附樹(shù)脂填料，下部設(shè)置有開(kāi)口，空氣主要從所述開(kāi)口進(jìn)入所述采樣器外殼內(nèi)部與所述吸附樹(shù)脂填料接觸；

擾流板，位于所述開(kāi)口處，用于使從所述開(kāi)口處進(jìn)入所述采樣器外殼的空氣以擴(kuò)散方式進(jìn)入。

作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種如上所述的被動(dòng)采樣器的使用方法，包括以下步驟：

將用于采樣的吸附樹(shù)脂填料使用甲醇、丙酮和二氯甲烷分別提取48小時(shí)，之后裝入不銹鋼紗網(wǎng)柱芯中，制作成采樣柱芯；

將所述采樣柱芯干燥，并放入密封鋁管中儲(chǔ)存；

在采樣點(diǎn)，將所述被動(dòng)采樣器固定在距地面1.5-2米的位置處，擾流板朝下；并將所述采樣柱芯放入所述被動(dòng)采樣器中；

進(jìn)行采樣2-12個(gè)月后，取出所述采樣柱芯進(jìn)行后續(xù)處理和計(jì)算，得到采樣結(jié)果。

作為本發(fā)明的還一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種如上所述的被動(dòng)采樣器在大氣氣態(tài)持久性有機(jī)污染物(POPs)和多環(huán)芳烴(PAHs)類污染物的大空間尺度和長(zhǎng)時(shí)間采集中的應(yīng)用。

基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的被動(dòng)采樣器具有如下有益效果：

(1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，適合對(duì)偏遠(yuǎn)及無(wú)人值守地區(qū)大氣POPs進(jìn)行監(jiān)測(cè)；

(2)可以進(jìn)行長(zhǎng)期采樣，采樣周期可達(dá)2-12個(gè)月；

(3)相對(duì)于傳統(tǒng)的XAD-PAS，本發(fā)明的采樣效率不易受到風(fēng)速、湍流的影響，因而降低了采樣過(guò)程中的誤差；

(4)本發(fā)明的采樣效率可以根據(jù)每個(gè)采樣點(diǎn)的實(shí)際情況(溫度和氣壓)，使用經(jīng)驗(yàn)公式直接估算。

附圖說(shuō)明

圖1為傳統(tǒng)的XAD-PAS樣式及結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為不同風(fēng)速條件下傳統(tǒng)的XAD-PAS采樣效率曲線圖；

圖3為本發(fā)明的被動(dòng)采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖和外形示意圖；

圖4為增加擾流板和未加擾流板的被動(dòng)采樣器的內(nèi)外風(fēng)速比較曲線圖。

附圖標(biāo)記含義如下：1.筒帽，2.筒身，3.采樣柱芯，4.采樣柱芯支架和柱托，5.擾流板，6.固定擾流板用螺母和螺栓，7.不銹鋼扎帶。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明公開(kāi)了一種被動(dòng)采樣器，包括：

采樣器外殼，內(nèi)部設(shè)置有用于采樣的吸附樹(shù)脂填料，下部設(shè)置有開(kāi)口，空氣主要從開(kāi)口進(jìn)入采樣器外殼內(nèi)部與吸附樹(shù)脂填料接觸；

擾流板，位于開(kāi)口處，用于使進(jìn)入采樣器外殼的空氣以擴(kuò)散方式進(jìn)入。

作為優(yōu)選，采樣器外殼為圓筒形，作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，其直徑例如為10.5cm、高例如為29.5cm；作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，圓筒頂部可以有一個(gè)高9.5cm、直徑15.5cm、頂部密封的圓柱體筒帽，該筒帽內(nèi)嵌一直徑與筒身一致的圓柱體(即筒帽內(nèi)腔)用于與筒身相連接。該內(nèi)腔頂部可以開(kāi)有小孔，氣流可從筒帽與筒帽內(nèi)腔之間的空隙進(jìn)入并通過(guò)內(nèi)腔頂部小孔進(jìn)入采樣器。

作為優(yōu)選，采樣器筒身下端開(kāi)口處可以裝有鐵絲網(wǎng)，既方便氣流自由出入，又防止一些小動(dòng)物等進(jìn)入采樣器外殼內(nèi)部干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

作為優(yōu)選，擾流板為2-5塊，進(jìn)一步優(yōu)選為4塊；作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，擾流板為直徑15.5cm的圓形不銹鋼平板，板上均勻分布直徑為6mm的圓孔。四塊擾流板上圓孔的數(shù)量不同，圓孔數(shù)量自上而下遞減，每?jī)蓧K板之間的減幅為25％。

擾流板與采樣器本體之間例如采用螺接或粘結(jié)固定。作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)使用螺栓和螺母固定時(shí)，將三個(gè)螺母焊于筒身下沿外側(cè)，以用于固定螺栓。此時(shí)，將四塊擾流板套于螺栓上，用螺母固定。每?jī)蓧K擾流板之間的板間距例如為0.8-1.2cm。

用于采樣的吸附樹(shù)脂填料例如使用苯乙烯-二乙烯基苯樹(shù)脂(XAD-2樹(shù)脂)，該樹(shù)脂優(yōu)選使用不銹鋼紗網(wǎng)柱裝取，從而形成XAD-2樹(shù)脂采樣柱芯。作為一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，該紗網(wǎng)柱長(zhǎng)度為20cm，直徑2cm，柱側(cè)面為孔徑0.2mm紗網(wǎng)，紗網(wǎng)柱兩端使用鋁帽封緊。

在采樣器本體內(nèi)部安裝有支架和柱托用于支撐該XAD-2樹(shù)脂采樣柱芯。支架和柱托共2組，一組為采樣柱芯下部的柱托，柱托下使用不銹鋼絲將柱托焊于采樣器底部的鐵絲網(wǎng)上；另一組位于筒身內(nèi)上部1/3處，其核心部分為一不銹鋼圓環(huán)，圓環(huán)用三根不銹鋼絲固定于垂直于柱托的位置，三根不銹鋼絲均與筒壁相連。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種如上所述被動(dòng)采樣器的使用方法，包括以下步驟：

本發(fā)明主要依賴采樣柱芯進(jìn)行大氣有機(jī)污染物的采集，柱芯填料為XAD-2樹(shù)脂；該填料在采樣前可以使用甲醇、丙酮和二氯甲烷分別提取48小時(shí)，之后裝入不銹鋼紗網(wǎng)柱芯；采樣柱芯可以使用真空干燥器干燥并放入密封的鋁管中保存和運(yùn)輸。采樣開(kāi)始前，使用不銹鋼扎帶將采樣器垂直懸掛于樹(shù)干或柱子上，采樣器距地面高度為1.5-2米，擾流板5朝下。將采樣柱芯放入采樣器中間的采樣柱芯支架和柱托上，蓋好采樣器筒帽，即開(kāi)始采樣。采樣周期通常為2-12個(gè)月。采樣結(jié)束后，取出采樣柱芯并放入密封的鋁管中運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

上述方法中，被動(dòng)采樣器的采樣效率PSR可以使用公式PSR＝0.16T^1.75/P-2.14得到，式中T為溫度(單位為K)，P為大氣壓(單位為mb)。

本發(fā)明還公開(kāi)了一種如上所述被動(dòng)采樣器在在大氣氣態(tài)持久性有機(jī)污染物(POPs)和多環(huán)芳烴(PAHs)類污染物的大空間尺度和長(zhǎng)時(shí)間采集中的應(yīng)用。

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行進(jìn)一步闡述說(shuō)明。

作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如圖1、3所示，本發(fā)明公開(kāi)了一種不受風(fēng)速和湍流影響的XAD-PAS，可以滿足在偏遠(yuǎn)地區(qū)進(jìn)行大氣POPs長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的需要。更具體地，本發(fā)明的被動(dòng)采樣器采取的技術(shù)方案為：如圖1、3所示，采樣器為筒式，包括筒帽1、筒身2、吸附樹(shù)脂的采樣柱芯3、柱芯支架4和擾流板5五部分。筒帽內(nèi)腔少量開(kāi)孔，筒身下端開(kāi)口并配有擾流板5?？諝獬倭繌牟蓸悠魃隙诉M(jìn)入外，主要由采樣器下端進(jìn)入。擾流板5阻礙氣流從采樣器下端直接進(jìn)入采樣器內(nèi)部，即采樣器內(nèi)部風(fēng)速不隨外部風(fēng)速發(fā)生變化(圖4)，從而減小風(fēng)速及湍流對(duì)PSR的影響。

下面通過(guò)對(duì)本發(fā)明的被動(dòng)采樣器在不同環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用來(lái)驗(yàn)證本發(fā)明的有益效果。

應(yīng)用實(shí)施例1

情況說(shuō)明：本實(shí)施例用于驗(yàn)證在低風(fēng)速條件下擾流板不會(huì)降低被動(dòng)采樣器的采樣效率。

試驗(yàn)、采樣地點(diǎn)：本實(shí)施例的實(shí)施地點(diǎn)為位于西藏自治區(qū)林芝地區(qū)魯朗鎮(zhèn)的中國(guó)科學(xué)院藏東南高山環(huán)境觀測(cè)研究站。該觀測(cè)站海拔3326米，因地處藏東南林區(qū)內(nèi)，試驗(yàn)期間平均風(fēng)速僅為1.1m/s。

被動(dòng)采樣器：放置2臺(tái)本發(fā)明的被動(dòng)采樣器，進(jìn)行3期(每期2個(gè)月)的樣品采集；同時(shí)，放置2臺(tái)未加擾流板的被動(dòng)采樣器，與本發(fā)明的被動(dòng)采樣器同步進(jìn)行采樣，用以比較擾流板對(duì)采樣效率的影響。通過(guò)與主動(dòng)采樣器濃度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算被動(dòng)采樣器的采樣效率。為方便比較，本實(shí)施例所報(bào)道的采樣效率為所能測(cè)得的多種POPs類污染物的平均值。

主動(dòng)采樣器：使用中流量主動(dòng)采樣器采集氣態(tài)POPs，每個(gè)樣品采集2周，在每個(gè)樣品采樣期內(nèi)隔天采集24小時(shí)，即每個(gè)樣品累計(jì)采集7天。采樣流量為0.1立方米/小時(shí)，每個(gè)樣品采集約1000立方米空氣。

試驗(yàn)測(cè)得：本發(fā)明被動(dòng)采樣器的采樣效率為2.3±0.2立方米/天，而未加擾流板的被動(dòng)采樣器的采樣效率為2.0±1.6立方米/天。兩者并無(wú)顯著性差異，但增加擾流板后采樣效率表現(xiàn)出更明顯的穩(wěn)定性。這表明，在風(fēng)速較小的情況下，擾流板不影響被動(dòng)采樣器的采樣效率，且有助于增強(qiáng)采樣器抵抗突發(fā)湍流的能力。

應(yīng)用實(shí)施例2

情況說(shuō)明：本實(shí)施例主要用于檢驗(yàn)擾流板能否在高風(fēng)速環(huán)境中抵抗風(fēng)速和湍流的影響。

試驗(yàn)、采樣地點(diǎn)：本實(shí)施例的實(shí)施地點(diǎn)為位于西藏自治區(qū)拉薩市當(dāng)雄縣的中國(guó)科學(xué)院納木錯(cuò)多圈層綜合觀測(cè)研究站，該觀測(cè)站位于納木錯(cuò)湖東南岸，海拔4730米。試驗(yàn)期間風(fēng)速為3.1-4.4m/s。

被動(dòng)采樣器：放置2臺(tái)本發(fā)明的被動(dòng)采樣器，進(jìn)行3期(每期2個(gè)月)的樣品采集；同時(shí)，放置2臺(tái)未加擾流板的被動(dòng)采樣器，與本發(fā)明的被動(dòng)采樣器同步進(jìn)行采樣，用以比較擾流板對(duì)采樣效率的影響。通過(guò)與主動(dòng)采樣器濃度進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算被動(dòng)采樣器的采樣效率。為方便比較，本實(shí)施例所報(bào)道的采樣效率為所能測(cè)得的多種POPs類污染物的平均值。

主動(dòng)采樣器：使用中流量主動(dòng)采樣器采集氣態(tài)POPs，每個(gè)樣品采集2周，在每個(gè)樣品采樣期內(nèi)隔天采集24小時(shí)，即每個(gè)樣品累計(jì)采集7天。采樣流量為0.1立方米/小時(shí)，每個(gè)樣品采集約1000立方米空氣。

試驗(yàn)測(cè)得：在平均風(fēng)速分別為3.1、4.1和4.4m/s的條件下，本發(fā)明的采樣效率分別為1.7±1.0、2.5±2.1和5.0±5.2立方米/天，遠(yuǎn)小于未加擾流板的5.2±2.5、12.9±9.9和22.6±11.4立方米/天。本發(fā)明的采樣效率與基于溫度、氣壓的理論公式(PSR＝0.16T^1.75/P-2.14，式中R為采樣效率，T為溫度，P為氣壓)計(jì)算的采樣效率偏差小于30％。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。