一种被动采样器、其使用方法及应用与流程

本发明涉及大气监测仪器技术领域，更具体地涉及一种大气中有机污染物的采集器，尤其是一种被动采样器、其使用方法及应用。

背景技术：

持久性有机污染物(POPs)是具有全球迁移能力的半挥发性污染物。低温的南、北极和青藏高原地区是POPs类物质的主要聚集地。对大气POPs的监测有助于掌握POPs的全球迁移规律。

目前，监测大气POPs的工具主要有主动采样器和被动采样器两种。主动采样器主要使用气泵抽取空气并拦截气体中的有机蒸汽；被动采样器则基于有机高分子材料对有机物的吸附能力，依靠大气与有机材料之间的POPs浓度梯度使污染物扩散到有机材料上，从而起到采集污染物的效果。被动采样器因为不需要电、造价低廉、无需人工操作等优点而被广泛用于城市、区域、国家、洲际甚至全球尺度的大气POPs监测。如图1所示，筒式苯乙烯-二乙烯基苯树脂(XAD-2)被动采样器(XAD-PAS)为常用的一种大容量被动采样器，其采样周期可达到1年。因此，XAD-PAS更适合于在偏远和人迹罕至的地区进行大气POPs的长期监测。

准确确定被动采样器的采样效率(PSR)是获得准确大气POPs浓度的关键。在结构设计上，XAD-PAS外壳为下端开口结构，这一方面促使气流自由进入采样器，另一方面也导致了在外界风速变化的情况下，XAD-PAS的采样效率波动较大。如图2所示，有风情况下XAD-PAS的PSR显著高于无风状况。此外，长期的采样过程中，空气中的瞬时湍流具有较大的时空不确定性。由风速和湍流所引起的XAD-PAS采样效率误差增加了对XAD-PAS大尺度和长时间监测数据进行相互对比的难度。因此，有必要对采样器外壳进行改造，既允许气流充分进入采样器，又避免气流的直接进入，从而消除风速和湍流对PSR的影响。

技术实现要素：

基于上述XAD被动采样技术的缺点，本发明旨在提供一种被动采样器，以期解决上述技术问题中的至少之一，从而满足在偏远地区进行大气POPs长期监测的需要。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种被动采样器，包括：

采样器外壳，内部设置有用于采样的吸附树脂填料，下部设置有开口，空气主要从所述开口进入所述采样器外壳内部与所述吸附树脂填料接触；

扰流板，位于所述开口处，用于使从所述开口处进入所述采样器外壳的空气以扩散方式进入。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种如上所述的被动采样器的使用方法，包括以下步骤：

将用于采样的吸附树脂填料使用甲醇、丙酮和二氯甲烷分别提取48小时，之后装入不锈钢纱网柱芯中，制作成采样柱芯；

将所述采样柱芯干燥，并放入密封铝管中储存；

在采样点，将所述被动采样器固定在距地面1.5-2米的位置处，扰流板朝下；并将所述采样柱芯放入所述被动采样器中；

进行采样2-12个月后，取出所述采样柱芯进行后续处理和计算，得到采样结果。

作为本发明的还一个方面，本发明还提供了一种如上所述的被动采样器在大气气态持久性有机污染物(POPs)和多环芳烃(PAHs)类污染物的大空间尺度和长时间采集中的应用。

基于上述技术方案可知，本发明的被动采样器具有如下有益效果：

(1)结构简单、操作方便，适合对偏远及无人值守地区大气POPs进行监测；

(2)可以进行长期采样，采样周期可达2-12个月；

(3)相对于传统的XAD-PAS，本发明的采样效率不易受到风速、湍流的影响，因而降低了采样过程中的误差；

(4)本发明的采样效率可以根据每个采样点的实际情况(温度和气压)，使用经验公式直接估算。

附图说明

图1为传统的XAD-PAS样式及结构示意图；

图2为不同风速条件下传统的XAD-PAS采样效率曲线图；

图3为本发明的被动采样器的结构示意图和外形示意图；

图4为增加扰流板和未加扰流板的被动采样器的内外风速比较曲线图。

附图标记含义如下：1.筒帽，2.筒身，3.采样柱芯，4.采样柱芯支架和柱托，5.扰流板，6.固定扰流板用螺母和螺栓，7.不锈钢扎带。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种被动采样器，包括：

采样器外壳，内部设置有用于采样的吸附树脂填料，下部设置有开口，空气主要从开口进入采样器外壳内部与吸附树脂填料接触；

扰流板，位于开口处，用于使进入采样器外壳的空气以扩散方式进入。

作为优选，采样器外壳为圆筒形，作为一个优选实施例，其直径例如为10.5cm、高例如为29.5cm；作为一个优选实施例，圆筒顶部可以有一个高9.5cm、直径15.5cm、顶部密封的圆柱体筒帽，该筒帽内嵌一直径与筒身一致的圆柱体(即筒帽内腔)用于与筒身相连接。该内腔顶部可以开有小孔，气流可从筒帽与筒帽内腔之间的空隙进入并通过内腔顶部小孔进入采样器。

作为优选，采样器筒身下端开口处可以装有铁丝网，既方便气流自由出入，又防止一些小动物等进入采样器外壳内部干扰实验结果。

作为优选，扰流板为2-5块，进一步优选为4块；作为一个优选实施例，扰流板为直径15.5cm的圆形不锈钢平板，板上均匀分布直径为6mm的圆孔。四块扰流板上圆孔的数量不同，圆孔数量自上而下递减，每两块板之间的减幅为25％。

扰流板与采样器本体之间例如采用螺接或粘结固定。作为一个优选实施例，当使用螺栓和螺母固定时，将三个螺母焊于筒身下沿外侧，以用于固定螺栓。此时，将四块扰流板套于螺栓上，用螺母固定。每两块扰流板之间的板间距例如为0.8-1.2cm。

用于采样的吸附树脂填料例如使用苯乙烯-二乙烯基苯树脂(XAD-2树脂)，该树脂优选使用不锈钢纱网柱装取，从而形成XAD-2树脂采样柱芯。作为一个优选实施例，该纱网柱长度为20cm，直径2cm，柱侧面为孔径0.2mm纱网，纱网柱两端使用铝帽封紧。

在采样器本体内部安装有支架和柱托用于支撑该XAD-2树脂采样柱芯。支架和柱托共2组，一组为采样柱芯下部的柱托，柱托下使用不锈钢丝将柱托焊于采样器底部的铁丝网上；另一组位于筒身内上部1/3处，其核心部分为一不锈钢圆环，圆环用三根不锈钢丝固定于垂直于柱托的位置，三根不锈钢丝均与筒壁相连。

本发明还公开了一种如上所述被动采样器的使用方法，包括以下步骤：

本发明主要依赖采样柱芯进行大气有机污染物的采集，柱芯填料为XAD-2树脂；该填料在采样前可以使用甲醇、丙酮和二氯甲烷分别提取48小时，之后装入不锈钢纱网柱芯；采样柱芯可以使用真空干燥器干燥并放入密封的铝管中保存和运输。采样开始前，使用不锈钢扎带将采样器垂直悬挂于树干或柱子上，采样器距地面高度为1.5-2米，扰流板5朝下。将采样柱芯放入采样器中间的采样柱芯支架和柱托上，盖好采样器筒帽，即开始采样。采样周期通常为2-12个月。采样结束后，取出采样柱芯并放入密封的铝管中运回实验室。

上述方法中，被动采样器的采样效率PSR可以使用公式PSR＝0.16T^1.75/P-2.14得到，式中T为温度(单位为K)，P为大气压(单位为mb)。

本发明还公开了一种如上所述被动采样器在在大气气态持久性有机污染物(POPs)和多环芳烃(PAHs)类污染物的大空间尺度和长时间采集中的应用。

下面结合附图对本发明的技术方案进行进一步阐述说明。

作为本发明的一个实施例，如图1、3所示，本发明公开了一种不受风速和湍流影响的XAD-PAS，可以满足在偏远地区进行大气POPs长期监测的需要。更具体地，本发明的被动采样器采取的技术方案为：如图1、3所示，采样器为筒式，包括筒帽1、筒身2、吸附树脂的采样柱芯3、柱芯支架4和扰流板5五部分。筒帽内腔少量开孔，筒身下端开口并配有扰流板5。空气除少量从采样器上端进入外，主要由采样器下端进入。扰流板5阻碍气流从采样器下端直接进入采样器内部，即采样器内部风速不随外部风速发生变化(图4)，从而减小风速及湍流对PSR的影响。

下面通过对本发明的被动采样器在不同环境的实际应用来验证本发明的有益效果。

应用实施例1

情况说明：本实施例用于验证在低风速条件下扰流板不会降低被动采样器的采样效率。

试验、采样地点：本实施例的实施地点为位于西藏自治区林芝地区鲁朗镇的中国科学院藏东南高山环境观测研究站。该观测站海拔3326米，因地处藏东南林区内，试验期间平均风速仅为1.1m/s。

被动采样器：放置2台本发明的被动采样器，进行3期(每期2个月)的样品采集；同时，放置2台未加扰流板的被动采样器，与本发明的被动采样器同步进行采样，用以比较扰流板对采样效率的影响。通过与主动采样器浓度进行对比，计算被动采样器的采样效率。为方便比较，本实施例所报道的采样效率为所能测得的多种POPs类污染物的平均值。

主动采样器：使用中流量主动采样器采集气态POPs，每个样品采集2周，在每个样品采样期内隔天采集24小时，即每个样品累计采集7天。采样流量为0.1立方米/小时，每个样品采集约1000立方米空气。

试验测得：本发明被动采样器的采样效率为2.3±0.2立方米/天，而未加扰流板的被动采样器的采样效率为2.0±1.6立方米/天。两者并无显著性差异，但增加扰流板后采样效率表现出更明显的稳定性。这表明，在风速较小的情况下，扰流板不影响被动采样器的采样效率，且有助于增强采样器抵抗突发湍流的能力。

应用实施例2

情况说明：本实施例主要用于检验扰流板能否在高风速环境中抵抗风速和湍流的影响。

试验、采样地点：本实施例的实施地点为位于西藏自治区拉萨市当雄县的中国科学院纳木错多圈层综合观测研究站，该观测站位于纳木错湖东南岸，海拔4730米。试验期间风速为3.1-4.4m/s。

被动采样器：放置2台本发明的被动采样器，进行3期(每期2个月)的样品采集；同时，放置2台未加扰流板的被动采样器，与本发明的被动采样器同步进行采样，用以比较扰流板对采样效率的影响。通过与主动采样器浓度进行对比，计算被动采样器的采样效率。为方便比较，本实施例所报道的采样效率为所能测得的多种POPs类污染物的平均值。

主动采样器：使用中流量主动采样器采集气态POPs，每个样品采集2周，在每个样品采样期内隔天采集24小时，即每个样品累计采集7天。采样流量为0.1立方米/小时，每个样品采集约1000立方米空气。

试验测得：在平均风速分别为3.1、4.1和4.4m/s的条件下，本发明的采样效率分别为1.7±1.0、2.5±2.1和5.0±5.2立方米/天，远小于未加扰流板的5.2±2.5、12.9±9.9和22.6±11.4立方米/天。本发明的采样效率与基于温度、气压的理论公式(PSR＝0.16T^1.75/P-2.14，式中R为采样效率，T为温度，P为气压)计算的采样效率偏差小于30％。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。