一种基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物富集装置的制作方法

本实用新型属于水体痕量环境污染物富集实验设备领域，具体涉及一种基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物富集装置。

背景技术：

对环境水体中的污染物进行准确的定性和定量是水环境科学各项研究的基础。水体中污染样品基体复杂，污染物种类多且含量很低，前处理方法成为整个研究过程的重要一环，也成为环境分析化学研究的难点和热点之一。

现有的水体痕量环境污染物富集技术，有液相萃取、固相萃取、固相微萃取、顶空法、吹扫捕搜集法、蒸发浓缩和膜浓缩等，这些方法或多或少都有一些缺点。

固相萃取技术虽简便快速，使用溶剂少，对非挥发性有机物回收率高，平行性和重现性好，但若忽略一些重要的细节，则分析结果往往不能达到要求。必须选择适当的固相萃取柱、过柱体积、过柱流速、洗脱溶剂和净化条件，才能得到满意的效果。

蒸发浓缩是最常用的浓缩方法，一般是指通过对溶液进行持续加热，水分子获得足够的能量后，克服溶液内部分子间的吸引力，水分子会汽化从溶液中溢出，减少了溶液中的水分，提高了可溶性固形物含量，完成浓缩过程。但蒸发浓缩不适用于沸点低的环境污染物。专利200420010010.5 所示的用于处理化学样品的蒸发浓缩装置，对于沸点低的环境污染物处理效果不佳，不适合大规模应用。

膜浓缩即非平衡浓缩，其过程类似于过滤，借助天然或人工合成的高分子半透膜，只允许溶剂通过膜层，将溶质截留下来，使得溶液中可溶性固形物含量提高，产品得到浓缩。但膜浓缩所用的膜成本较高，制作复杂，不利于大规模使用。

而冷冻浓缩技术是利用水体中环境污染物凝固点低于水的凝固点，当溶液达到一定过冷度时，水先达到凝固点以冰的形式从溶液中分离出来，同时在结冰过程中将环境污染物排挤出冰体，以实现对环境污染物富集的目的。冷冻浓缩是在溶液冰点以下的低温进行操作，没有经过加热处理，避免了环境污染物的热分解和挥发，处理效果好、运行成本低、运行过程简单，容易被广泛的推广。

目前，冷冻浓缩技术具有两种型式：悬浮结晶法和界面渐进法。冷冻浓缩技术是设备材料低廉、兼具节能和环保的新型水体痕量环境污染物富集技术，针对这一技术，我们提出一种冷冻浓缩实验装置，以解决上述提出问题。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于提供一种节约能源、操作简单、高效的水体痕量环境污染物富集装置。

本实用新型的具体技术方案是一种基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物富集装置，包括冷冻头组件、盛放待浓缩样品的容器组件、冷凝器组件、压缩机，其特征在于，

所述的冷冻头组件包括多个直径大小逐步减小的冷冻头，每个冷冻头都带有进液管和出液管，

所述的盛放待浓缩样品的容器组件包括多个与冷冻头数量相同的容器，容器的口径逐步减小并与多个冷冻头的直径分别对应，

所述的多个冷冻头的出液管分别与冷凝器组件的进液口连接，冷凝器的出液口与压缩机的进液口连接，压缩机的出液口分别与多个冷冻头的进液管连接。

更进一步地，所述的冷冻头有5个，冷冻头的直径分别是50mm、40mm、 30mm、20mm、10mm，所述的容器5个，容器口径为100mm、80mm、60mm、 40mm、20mm。

更进一步地，所述的冷凝器组件包括串联的冷凝器一和冷凝器二，所述的冷凝器一和冷凝器二采用风冷散热。

更进一步地，所述的冷冻头的出液管为毛细管。

更进一步地，所述的冷冻头的进液管上具有截止阀。

较之现有技术而言，本实用新型的有益效果是：1)本实用新型的水体痕量环境污染物富集装置结构简单、便于操作；2)换热效率以及工作效率高：在制冰过程中，R410A直接与物料交换，无经冷媒之间传热，大大提升了换热效率，从而相应的提升了工作效率。3)相比于传统样品前处理装置，更兼具节能和环保的性能。

附图说明

图1为本实用新型的基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物富集装置的结构示意图；

图2为采用本实用新型装置进行的实施例一中0.2％、0.5％、1％质量比的十二烷基硫酸钠溶液冷冻浓缩变化曲线；

图3为采用本实用新型装置进行的实施例一中5％质量比的二已二醇二甲醚溶液冷冻浓缩变化曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步地描述。

本实用新型的基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物富集装置是基于界面渐进冷冻浓缩原理的，即在待浓缩液的某侧面形成一个冷冻界面，料液中的水不断在冷冻界面凝固形成冰层，随着冰层的生长变厚，界面附近的料液变浓，溶质被排除到液相侧，液相中溶质的浓度逐渐升高，直到达到所需的浓度。

如附图1所示，本实用新型的一种基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物富集装置，包括冷冻头组件1、盛放待浓缩样品的容器组件2、冷凝器组件、压缩机4，其特征在于，

所述的冷冻头组件1包括多个直径大小逐步减小的冷冻头，每个冷冻头都带有进液管和出液管。所述的冷冻头的出液管为毛细管。所述的冷冻头的进液管上具有截止阀。所述的盛放待浓缩样品的容器组件2包括多个与冷冻头数量相同的容器，容器的口径逐步减小并与多个冷冻头的直径分别对应。所述的冷冻头有5个，冷冻头的直径分别是50mm、40mm、30mm、 20mm、10mm，所述的容器5个，容器口径为100mm、80mm、60mm、40mm、 20mm。

所述的多个冷冻头的出液管分别与冷凝器组件的进液口连接，冷凝器的出液口与压缩机4的进液口连接，压缩机4的出液口分别与多个冷冻头的进液管连接。

所述的冷凝器组件包括串联的冷凝器一31和冷凝器二32，所述的冷凝器一31和冷凝器二32采用风冷散热。

本实用新型的基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物富集装置的工作原理是，采用渐进冷冻浓缩法，先利用极性物质自配不同浓度废水，通过实验测得不同浓度下水浴冷冻浓缩后，经高效液相色谱仪色谱仪检测得浓缩浓度。压缩机4的储液罐中的R410A环保制冷剂通过毛细管到达由截止阀控制的冷冻头，用最大号的冷冻头深入盛放待浓缩样品的溶剂容器中，使得样品冷冻结冰，通过由小到大依次更换盛放待浓缩样品的溶剂容器，使得样品溶液容积减小，达到冷冻浓缩目的。制冷剂经过毛细管回流到冷凝器中，形成循环。该富集装置含有多个依次减小的冷冻头，实现料液的连续冷冻浓缩，使得待浓缩样品在冷冻过程中，可以依次进行，缩短了实验时间，也避免了人为破坏结冰层，大大调高冷冻浓缩效率。

基于冷冻浓缩的水体痕量环境污染物的富集方法针对标准液的浓缩达到3倍左右。在实验试剂中NaCl、NaCl和盐酸混合液、丙酮、乙腈浓缩的效果不理想，浓缩的倍数基本没有变化或者变化不大；2％二已二醇二甲醚、不同百分比二甲基酰胺以及Triton-X-114溶液效果也不是很明显，有浓缩的效果，但倍数不高；4％十六烷基三甲基溴化铵的浓缩效果比较好，可达到 2.5倍；0.2％、0.5％、1％质量比的十二烷基硫酸钠溶液浓缩达3倍左右；而5％二已二醇二甲醚浓缩效果最为明显，浓缩倍数达到5倍，浓缩效果最好。

实施例一：(0.2％、0.5％、1％质量比的十二烷基硫酸钠溶液)将测试液换成十二烷基硫酸钠溶液，分别配0.2％、0.5％、1％质量比的十二烷基硫酸钠溶液200ml，并加入0.4ml的菲溶液。将该装置的冷冻头放置在所配溶液中，在实验过程200ml、150ml、100ml、50ml、25ml、2ml时取液，分别测取其中的峰高值。根据所测的数据绘制成如图2所示：0.2％、0.5％、1％质量比的十二烷基硫酸钠溶液，在前期变化缓慢，但在最后25ml向2ml冷冻浓缩时，吸收峰值骤增，最高吸收峰值相比于初始吸收峰值增大了3倍左右，说明该试剂的冷冻浓缩效果比较明显。

实施例二：(5％二已二醇二甲醚溶液)将测试液换成二已二醇二甲醚溶液。配制5％的二已二醇二甲醚溶液200ml，并加入0.4ml的菲溶液，冷却压缩机的冷冻头放置在所配溶液中，在实验过程200ml、150ml、100ml、 50ml、25ml、2ml时取液，分别测取其中的峰高值，根据数据绘制成图3 所示：5％的二已二醇二甲醚影响冷冻浓缩效果的吸收峰值特征曲前期很平稳，在最后的5ml处很大坡度的上升，达到了很大程度上的浓缩，浓缩倍数为5倍。浓缩效果很明显，浓缩倍数达到最高，浓缩效果最好。