一种被动式土壤气体采集装置及采集系统与气体采集方法
【专利摘要】本发明公开了一种被动式土壤气体采集装置及采集系统与气体采集方法，被动式土壤气体采集装置包括：壳体，壳体具有供土壤气体通过的微孔；气体吸附柱芯，气体吸附柱芯固定在壳体内；悬挂件，悬挂件与壳体连接。土壤气体采集系统包括：套管，套管的管壁具有气孔；管塞，管塞安装在套管的顶部；被动式土壤气体采集装置；连接线，连接线连接将被动式土壤气体采集装置悬挂在套管内。本发明被动式土壤气体采集装置及系统具有体积小，携带使用方便，成本低，适用于粘土等低渗透性、高含水率场地土壤气体采集的优点；同时，气体采集方法采集数据的精确度高，能采集长时间的土壤气体，其数据在计算风险评价时更能反映土壤气浓度对人体造成的危害。
【专利说明】
一种被动式土壤气体采集装置及采集系统与气体采集方法
技术领域
[0001] 本发明属于污染场地调查与健康风险评估技术领域，特别是涉及一种被动式土壤 气体采集装置、气体采集系统及气体采集方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国工农业的快速发展，土壤和地下水污染日益严重。土壤和地下水不仅是 重要的农业生产资源，也是重要的环境要素，是人类赖以生存的基础。不但越来越制约农业 生产、工业发展，也影响着人们的身体健康。其中，有机污染以其持久性、高毒性、积聚性、流 动性为特征，会长期累积，很难通过自然降解过程去除，也会在自然或人为条件下迀移到其 他环境中，危害性极大。
[0003] 目前场地土壤中的有机污染物主要来源于以下三个方面:第一，化工厂、农药厂等 化学品污染企业，在生产车间、分装车间、药品储存仓库和厂区内运输途中造成的原料和药 品泄露，以及印刷、建材、喷涂等行业排放的原料和废水;第二，在石油勘探与开采、储存与 运输过程中，由于操作不当或事故泄露造成的石油排放或外溢;第三，石油、化工生产区、加 油站等地形成的落地油、含油生产污水排放和输油管道的渗漏。
[0004] 如果不进行及时检测及治理，则会导致更加严重的污染，将来治理的费用和难度 将会成倍增加。目前国内对于污染场地中挥发性有机污染物气体的采集主要是建立气井， 然后用真空栗将井内的挥发性有机物气体(土壤气)抽到空气采样罐或者装有吸附剂的吸 附管中。由于其需要额外的电力，操作繁琐，设备复杂，只能采集短时间的样品，成本昂贵， 故其在采集土壤气中越来越暴露出其弊端。同时，对于以黏土等地渗透性为主的场地以及 地下水埋深较浅的场地，现有的主动式土壤气采样方法并不适用。
【发明内容】
[0005] 本发明的第一目的是提供一种被动式土壤气体采集装置;本发明的第二目的是提 供一种被动式土壤气体采集系统；本发明的第三目的是提供一种被动式土壤气体采集方 法，以解决现有设备及方法操作繁琐、设备复杂、成本昂贵，只能采集短时间的样品以及不 适用于黏土等地渗透性与地下水埋深较浅的场地的问题。
[0006] 为了实现上述第一目的，本发明提供一种被动式土壤气体采集装置，其包括：
[0007] 壳体，所述壳体具有供土壤气体通过的微孔，同时微孔能够有效的阻止水气通过；
[0008] 气体吸附柱芯，气体吸附柱芯固定在所述壳体内，用于吸附土壤气体中的污染物；
[0009] 悬挂件，所述悬挂件与所述壳体连接。
[0010] 本发明如上所述的被动式土壤气体采集装置，进一步，所述壳体为柱状壳体，壳体 表面负载有多孔的防水性聚合物，防水性聚合物能够使土壤气体中的污染物通过其上的微 孔道进入壳体内，但同时又能有效阻止水汽进入壳体内。
[0011] 本发明如上所述的被动式土壤气体采集装置，进一步，所述悬挂件为U字形的挂 钩，所述挂钩安装在所述壳体的顶部。
[0012] 为了实现上述第二目的，本发明提供一种被动式土壤气体采集系统，其包括：
[0013] 套管，所述套管的管壁具有气孔；
[0014] 管塞，所述管塞安装在所述套管的顶部；
[0015] 被动式土壤气体采集装置，其包括:壳体，所述壳体表面负载具有微孔的防水聚合 物，所述聚合物具有微孔结构，能够使土壤气体中的污染物通过壳体进入壳内而阻止土壤 气体中的水汽进入壳内；气体吸附柱芯，气体吸附柱芯固定在所述壳体内，用于吸附土壤气 体中的污染物;悬挂件，所述悬挂件与所述壳体连接；
[0016] 连接线，所述连接线连接在管塞与被动式土壤气体采集装置的悬挂件之间，将被 动式土壤气体采集装置悬挂在套管内。
[0017] 本发明如上所述的被动式土壤气体采集系统，进一步，所述管塞下端安装有连接 勾，供连接线连接。
[0018] 本发明被动式土壤气体采集装置及采集系统的优点是：
[0019] 本发明土壤气体采集装置及采集系统为被动式采样器，具有体积小，携带使用方 便，现场安装简单，成本低的优点，并且由于成本低廉可以适用于大面积的污染场地调查。 同时，也适用于以黏土为主的地渗透性场地以及地下水埋深较浅的场地。由于去除了真空 栗等主动抽气设备，使本发明装置或系统能够采集长时间的样品，能计算出时间加权的浓 度，故对于人体健康风险评估来说，更能反映长时间暴露对人体健康的影响。
[0020] 为了实现上述第三目的，本发明提供一种被动式土壤气体采集方法，包括以下步 骤：
[0021] S1，准备土壤采样孔；
[0022] 步骤1，将待测场地所选监测点的表层土去除;使用钻具制备采样孔；
[0023]步骤2,将多孔套管放入采样孔内；
[0024]步骤3，用管塞将套管上口密封，管塞上面覆盖一层土；
[0025]步骤4、采样孔密封好以后，稳定48h以上；
[0026] S2,采集土壤采样孔内的气体；
[0027]打开管塞，将被动式土壤气体采集装置放入采样孔内，放入深度大概在采样孔深 的一半，所述被动式土壤气体采集装置为如上所述的土壤气体采集装置;在采集时间段内 进行土壤气体采集；
[0028] S3,土壤气体浓度检测；
[0029] 步骤1，采集结束后取出土壤气体采集装置，将气体吸附柱芯装于密封的塑料袋或 者玻璃管中，外面再用透明的聚乙烯袋子包裹密封；
[0030] 步骤2，采样孔继续用管塞密封，上层覆盖一层土，做好标记；
[0031] 步骤3,将气体吸附柱芯送往实验室进行检测。
[0032] 在本发明如上所述的土壤气体采集方法中，优选地:在S2中，采集时间段按照公式 1计算确定；
[0034] 在上述公式1中：
[0035] t为采样时间(min);
[0036] Mmin为目标化合物的实验室检出限(pg);
[0037] CRBSL为人体健康风险筛选值(yg/m3);
[0038] UR1为化合物的实验室吸收速率(ml/min)。
[0039]在本发明如上所述的被动式土壤气体采集方法中，优选地:还包括以下步骤:在制 备采样孔的过程中，在待测场地建立气井，按照传统方式测量土壤气体浓度C，气井数量为 采样孔数量为的10%~20% ;
[0040]利用式2校正被动式土壤气采样装置在待测场地的吸收速率：
[0042] 在上述公式2中：
[0043] UR2为场地校正的吸收速率；
[0044] m为被动式采样器吸收的土壤气的质量；
[0045] C1为传统方法测得的土壤气浓度；
[0046] t为采样时间；
[0047]最后利用式3计算土壤气浓度C2:
[0049] 本发明被动式土壤气体采集方法的有益效果是：
[0050] 由于使用了本发明上述的被动式土壤气体采集及系统，去除了真空栗等主动抽气 设备，使本发明采集方法能够采集长时间的样品，能计算出时间加权的浓度，故对于人体健 康风险评估来说，更能反映长时间暴露对人体健康的影响。此外，由于使用场地校正的吸收 速率UR2对土壤气体浓度进行计算，能够使计算结果更加准确。
[0051] 本方法中使用的被动采样器简单、便携，其使用不需要进行特别培训，在大面积污 染场区使用中能大大减小设备成本以及人工成本。本发明中的采集方法能够采集污染区域 内更有代表性、更能反映真实情况的挥发性有机气体样品，使污染场地的调查及风险评价 更客观、科学，满足了对污染场地进行更客观的污染调查及健康风险评价的需要。
【附图说明】
[0052]通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述和/或其他方面和优点将变得 更清楚和更容易理解，这些附图只是示意性的，并不限制本发明，其中：
[0053]图1为本发明一种实施例的被动式土壤气体采集装置示意图；
[0054]图2为本发明一种实施例的被动式土壤气体采集系统示意图；
[0055] 图3为本发明一种实施例的被动式土壤气体采集方法流程图。
[0056] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0057] 10、被动式土壤气体采集装置，1、壳体，2、气体吸附柱芯，3、悬挂件，4、套管，5、气 孔，6、管塞，7、连接线，8、连接勾。
【具体实施方式】
[0058]在下文中，将参照附图描述本发明的被动式土壤气体采集装置、气体采集系统及 气体采集方法的实施例。
[0059] 在此记载的实施例为本发明的特定的【具体实施方式】，用于说明本发明的构思，均 是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的 实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而 易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的 替换和修改的技术方案。
[0060] 本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状 及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间 并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。
[0061] 图1示出本发明一种实施例的被动式土壤气体采集装置10,其包括：
[0062] 壳体1，所述壳体1表面负载防水聚合物，防水性聚合物为多孔结构，能够使土壤气 中的污染物通过其进入壳能而防止水汽进入;所述壳体为柱状，其截面形状可以是圆形、椭 圆形、正方形等。在优选的实施例中，如图1所示，所述壳体1为柱状壳体，其截面形状可以是 圆形。壳体1的材质为塑料材质，壳体开有孔洞，壳体表面负载多孔性防水性聚合物，覆盖所 述孔洞。例如壳体采用聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚合物(ABS)材质，防水性聚合物主要为聚二甲基硅氧烷。
[0063]气体吸附柱芯2,气体吸附柱芯2固定在所述壳1体内，用于吸收土壤气体中的污染 物;现场应用过程中，将根据场地土壤气体中的目标污染物选择相应的吸附柱芯，如对于苯 系物和氯代烃可选择活性炭，对于酚类化合物可以选择Tenaxe TA作为吸附柱芯，1，3-丁二 稀/异戊二稀可以选择Carbopack X作为吸附柱芯。
[0064] 悬挂件3,所述悬挂件3与所述壳体1连接。在优选的实施例中，如图1所示，所述悬 挂件为U字形的挂钩，所述挂钩安装在所述壳体的顶部。
[0065] 上述实施例中，壳体的第一种作用是提供安装气体吸附柱芯的空腔，防止气体吸 附柱芯的直接与土壤接触收到污染，第二种作用是通过微孔使气体通过，便于气体吸附柱 芯吸收。
[0066] 在一种具体实施例中，壳体60mm高，外径为16mm，尺寸的不同设计，可以产生出不 同的吸收速率。气体吸附柱芯60mm长，直径为4.8mm或者5.8mm，气体吸附柱芯有多种不同类 型的吸附剂，用以不同类别化合物的采样，气体吸附柱芯通常为一次性使用，用于热解析的 吸附柱芯除外。该种被动采样装置的原理为分子扩散，由于壳体处的气体化合物浓度与气 体吸附柱芯处存在浓度梯度，致使化合物气体由外壳扩散到吸附柱芯，再被吸附柱芯处的 特定吸附剂吸附固定下来。
[0067]图2示出本发明一种实施例的土壤气体采集系统，其包括：
[0068] 套管4,套管4的管壁具有气孔5;套管的作用是加固采样孔的周边土壤，以免采样 孔坍塌；同时套管壁的气孔有助于土壤中气体向套管内扩散；
[0069] 管塞6,所述管塞6安装在所述套管4的顶部；如图2所示，所述管塞6下端安装有连 接勾8,供连接线7连接。
[0070] 土壤气体采集装置10,其包括:壳体1，所述壳体1具有供土壤气体通过的微孔;气 体吸附柱芯2,气体吸附柱芯2固定在所述壳体1内，用于吸收土壤气体;悬挂件3,所述悬挂 件3与所述壳体1连接。
[0071] 连接线7,所述连接线7连接在管塞6与土壤气体采集装置的悬挂件3之间，将土壤 气体采集装置10悬挂在套管4内。
[0072] 以下结合图3说明本一种实施例的被动式土壤气体采集方法，包括以下步骤：
[0073] S1，准备土壤采样孔；
[0074]步骤1，将待测场地所选监测点位的表层土去除;使用钻具制备采样孔;具体的，使 用军用小铁锹将直径l〇cm左右、深2cm的表层土去除。使用电锤冲击钻（16 X 350mm)钻出一 个直径4~5cm、深0 · 5~0 · 7m的采样孔。
[0075]步骤2,将多孔套管放入采样孔内，加固采样孔结构的稳定性。
[0076]步骤3，用管塞将套管上口密封，管塞上面覆盖一层土，以防人为的干扰与破坏。 [0077]步骤4、采样孔密封好以后，稳定48h以上；
[0078] S2,采集土壤采样孔内的气体；
[0079]打开管塞，将土壤气体采集装置放入采样孔内，放入深度大概在采样孔深的一半， 所述土壤气体采集装置为上述实施例所述的土壤气体采集装置；
[0080 ]在米集时间段内进行土壤气体米集;米集时间段按照公式1计算确定；
[0082] 在上述公式1中：
[0083] t为采样时间(min);
[0084] Mmin为目标化合物的实验室检出限(pg);
[0085] CRBSL为人体健康风险筛选值(yg/m3);
[0086] UR1为化合物的实验室吸收速率(ml/min)。
[0087] 在优选的实施例中，使用便携式PID对采样孔内V0C浓度进行初步测量，记录读数。 如果现场PID读数比较高，适当的缩短利用公式1计算的采集时间段长度，以免长时间的采 样导致被动采样器中吸附剂达到饱和，导致最终的计算结果存在较大误差。
[0088] S3,土壤气体浓度检测；
[0089] 步骤1，采集结束后取出土壤气体采集装置，将气体吸附柱芯装于密封的塑料袋或 者玻璃管中，外面再用透明的聚乙烯袋子密封；
[0090] 步骤2，采样孔继续用管塞密封，上层覆盖一层土，做好标记，以备日后可能再次使 用。
[0091] 步骤3,将气体吸附柱芯送往实验室进行检测。检测前先用CS2或者热脱附对气体 吸附柱芯解析，然后经GC/MC测定被动式采样器吸收的土壤气的质量m。
[0092] 土壤气体浓度计算方法如下：
[0093] 在制备采样孔的过程中，在待测场地建立气井，按照传统方式测量土壤气体浓度 C，气井数量为采样孔数量为的10%~20% ;
[0094] 由于化合物的实验室吸收速率UR1是在实验室内通过暴露室实验求得的，故直接 将其应用到污染场地中求得的土壤气浓度并不能真实的反映实际情况，故需要进行现场校 正。利用式2校正被动式土壤气采样装置在待测场地的吸收速率：
[0096] 在上述公式2中：
[0097] UR2为场地校正的吸收速率；
[0098] m为被动式采样器吸收的土壤气的质量；
[0099] C1为传统方法测得的土壤气浓度；
[0100] t为采样时间；
[0101] 最后利用式3计算土壤气浓度C2:
[0103] 在本发明上述实施例中，采样过程中为了到达质量控制的要求，需要采集适当的 平行样。由于容纳被动采样器的采样孔比较小，不足以容纳2个被动采样器，同时由于同时 放置2个被动采样器可能会对彼此构成竞争吸附，造成干扰。优选在采样孔的周围0.2米处 钻孔放置采样器，以此采集平行样。
[0104] 本发明提供了一种能够采集长时间段内的被动式土壤气的方法，使用本发明所述 的采集装置和采集系统采集到土壤中挥发性有机物，对关注污染物浓度进行分析，之后代 入相应的迀移模型计算不同情形下的暴露浓度，最后再结合相应的风险计算模型进行后续 健康风险计算，可以模拟对人体长时间暴露造成的健康风险，克服传统方法计算出的短期 瞬时影响。
[0105] 上述披露的各技术特征并不限于已披露的与其它特征的组合，本领域技术人员还 可根据发明之目的进行各技术特征之间的其它组合，以实现本发明之目的为准。
【主权项】
1. 一种被动式土壤气体采集装置，其特征在于，包括： 壳体，所述壳体具有供土壤气体通过的微孔，同时微孔能够有效的阻止水气通过； 气体吸附柱芯，气体吸附柱芯固定在所述壳体内，用于吸附土壤气体中的污染物； 悬挂件，所述悬挂件与所述壳体连接。2. 根据权利要求1所述的被动式土壤气体采集装置，其特征在于，所述壳体为柱状壳 体，壳体表面负载有微孔的防水性聚合物，防水性聚合物能够使土壤气体中的污染物通过 其上的微孔道进入壳体内，但同时又能有效阻止水汽进入壳体内。3. 根据权利要求1或2所述的被动式土壤气体采集装置，其特征在于，所述悬挂件为U字 形的挂钩，所述挂钩安装在所述壳体的顶部。4. 一种被动式土壤气体采集系统，其特征在于，包括： 套管，所述套管的管壁具有气孔； 管塞，所述管塞安装在所述套管的顶部； 被动式土壤气体采集装置，其包括:壳体，所述壳体表面负载具有微孔的防水聚合物， 所述聚合物具有微孔结构，能够使土壤气体中的污染物通过壳体进入壳内而阻止土壤气体 中的水汽进入壳内；气体吸附柱芯，气体吸附柱芯固定在所述壳体内，用于吸附土壤气体中 的污染物;悬挂件，所述悬挂件与所述壳体连接； 连接线，所述连接线连接在管塞与土壤气体采集装置的悬挂件之间，将土壤气体采集 装置悬挂在套管内。5. 根据权利要求4所述的被动式土壤气体采集系统，其特征在于，所述管塞下端安装有 连接勾，供连接线连接。6. 根据权利要求4或5所述的被动式土壤气体采集系统，壳体的材质为防水性多孔聚合 物材质。7. 根据权利要求6所述的被动式土壤气体采集系统，其特征在于，所述悬挂件为U字形 的挂钩，所述挂钩安装在所述壳体的顶部。8. -种被动式土壤气体采集方法，包括以下步骤： Sl，准备土壤采样孔； 步骤1，将待测场地所选监测点位表层土去除;使用钻具制备采样孔； 步骤2，将多孔套管放入采样孔内； 步骤3，用管塞将套管上口密封，管塞上面覆盖一层土； 步骤4、采样孔密封好以后，稳定48h以上； 52, 采集土壤采样孔内的气体； 打开管塞，将被动式土壤气体采集装置放入采样孔内，放入深度大概在采样孔深的一 半，所述被动式土壤气体采集装置为权利要求1-3任一项所述的被动式土壤气体采集装置； 在采集时间段内进行土壤气体采集； 53, 土壤气体浓度检测； 步骤1，采集结束后取出被动式土壤气体采集装置，将气体吸附柱芯装于密封的塑料袋 或者玻璃管中，外面再用透明的聚乙烯袋子包裹密封； 步骤2，采样孔继续用管塞密封，上层覆盖一层土，做好标记； 步骤3，将气体吸附柱芯送往实验室进行检测。9. 根据权利要求8所述的被动式土壤气体采集方法，其特征在于:在S2中，采集时间段 按照公式1计算确定； 在上述公式1中：t为米样时间； Mmin为目标化合物的实验室检出限； Crbsl为人体健康风险筛选值； 1]办为化合物的实验室吸收速率。10. 根据权利要求8或9所述的被动式土壤气体采集方法，其特征在于：还包括以下步 骤:在制备采样孔的过程中，在待测场地建立气井，按照传统方式测量土壤气体浓度C，气井 数量为采样孔数量为的10%~20% ; 利用式2校正被动式土壤气采样装置在待测场地的吸收速率：在上述公式2中： UR2为场地校正的吸收速率； m为被动式采样器吸收的土壤气的质量； C1为传统方法测得的土壤气浓度； t为米样时间； 最后利用式3计算土壤气浓度C2:
【文档编号】G01N33/24GK106018004SQ201610471065
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】钟茂生, 赵莹, 姜林
【申请人】北京市环境保护科学研究院