一种大气中微塑料的采集装置的制作方法

1.本实用新型公开涉及生态环境监测技术领域，尤其涉及一种大气中微塑料的采集装置。


背景技术：

2.微塑料是指直径小于5毫米的塑料碎片或颗粒，粒径可从几微米至几毫米，分布范围广泛。微塑料形态各异，可为球形、条状、纤维状或不规则碎片状等多种形状，肉眼不易分辨。微塑料本身对于环境的污染已引起全球的广泛关注，更为特殊的是由于微塑料比表面积大，疏水性强，易于富集环境中的疏水性污染物，而大多数的高危污染物都是疏水性的，如多氯联苯、双酚a等。微塑料成为携带污染物的载体在自然界中迁徙，并不断的富集着疏水性的污染物，对生态系统、动植物的健康生长甚至人类的食物链造成危害。目前，全球的科研工作者对于环境中的微塑料开展了广泛的调查，对于水体、土壤中的微塑料开展了较多的工作，而对于大气中漂浮的微塑料，研究较少。目前主要采用被动采集法来采集大气中的微塑料，由于被动采集法是被动的间接采集，无法避免非大气中的微塑料因其他原因脱离收集器的可能性。由于方法所限，被动采集法对于收集粒径大于2μm的大气微粒物较为准确，对粒径微小的微塑料颗粒采集能力有限，因此被动采集法获得的结果可能远低于实际情况，微塑料的丰度可能被低估。与被动采集法相对应的是主动采集法。目前，国外发表的文献中有用主动采集法采集大气中微塑料的研究报道，采用颗粒物采样器主动吸取大气中的悬浮物，将微塑料过滤富集在过滤器中。但该法在采集过程中微塑料不断的富集在过滤器中，滤膜易于被堵塞，得到的数据可能与真实情况偏离，为了保证数据的可靠性，该法对滤膜孔径和采样体积均有要求。
3.目前已有数篇有关大气中微塑料采集的中国专利，cn201910622534.0一种用于不同高度的大气微塑料沉降的采集方法及装置、cn201621411213.4一种采集大气源中微塑料的自动采集仪、cn201611186180.2一种采集大气源中微塑料的自动采集仪，这些专利均采用被动采集法采集大气中的微塑料。又如cn201610498760.9公开记载空气中微塑料浓度检测装置和方法是属于主动采集法，但该专利将采样管插入超纯水中，用抽气泵抽气，将大气中的颗粒物富集在超纯水中，再分离提取计算出微塑料的浓度，没有考虑到气泡冲击力对微塑料的影响。大气中的微塑料大多数是纤维、发泡、薄膜等形状。该法中大气是以一连串气泡的形式分散在超纯水中，达到富集大气中颗粒物的目的，在进行数小时的抽气过程中，由气泡释放的冲击力会持续冲击富集在超纯水中的微塑料，可能对采集的微塑料造成进一步的破坏，所采集的微塑料的粒径、形状和丰度可能与该地区大气中的真实情况有偏差。


技术实现要素：

4.鉴于此，本实用新型公开提供了一种大气中微塑料的采集装置，基于仿生技术，模拟人类的鼻腔结构，以实现将大气中的微塑料、灰尘等微粒黏附在采样装置中。
5.本实用新型提供的技术方案，具体为，一种大气中微塑料的采集装置，包括依次可
拆卸连接的进气单元、微塑料富集单元和出气单元，所述进气单元包括进气通道、超声波发生器、储水箱及防误入筛网，所述进气通道一端与微塑料富集单元连接，另一端设有进气口，所述进气通道上、进气口后依次设有防误入筛网、超声波发生器，所述超声波发生器与储水箱连接；所述出气单元包括出气管路、筛板、抽气泵、气体流量计及出气口，所述出气管路的一端与微塑料富集单元连接，另一端设有出气口，所述出气口后、出气管路上依次设有气体流量计、抽气泵、筛板。
6.进一步地，所述进气通道、出气通道分别与微塑料富集单元的进出口通过螺纹结构连接。
7.进一步地，所述微塑料富集单元为带有螺旋状管道的金属管。
8.所述带有螺旋状管道的金属管内部的螺旋延伸方向与进气通道或出气通道的进气或出气方向垂直。
9.带有螺旋状管道的金属管的管道孔径范围为5～100mm，管道的螺旋直径范围为 5～1000mm，管道的螺旋管圈数可为1～10000圈。
10.进一步地，所述进气单元的尺寸范围为0.0001～10m2。
11.进一步地，所述防误入筛网为金属结构，其孔径范围为5～100mm。
12.进一步地，所述超声波振荡频率范围为20～5000khz，超声波雾化片的直径范围为 1～1000mm。
13.进一步地，所述储水箱水箱体积为0.1～100l。
14.进一步地，筛板的孔径范围为0.01至5.00mm。
15.本实用新型提出的一种大气中微塑料的采集装置，基于人类的呼吸道结构，结构设计合理，应用方便。应用该装置能够实现主动完成大气中微塑料的采集，采集的微塑料与采集大气体积有直接对应关系，更能直观的反应出采集地区的真实水平。在采集过程中将大气中绝大多数的微塑料富集在富集单元上，不堵塞筛板，在采集过程中也不会对微塑料造成二次破坏，
16.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型的公开。
附图说明
17.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
18.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本实用新型公开实施例提供的一种大气中微塑料的采集装置结构示意图。
具体实施方式
20.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本实用新型相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如
所附权利要求书中所详述的、本实用新型的一些方面相一致的系统的例子。
21.针对目前对大气中微塑料采集方法存在的问题，本实用新型提出了一种基于仿生技术的大气微塑料主动采集装置。基于人类的呼吸道结构，人类的呼吸道能将空气中存在的颗粒物黏附在鼻腔、气管和支气管的黏膜表面，最后形成痰液排出体外，达到清除粉尘保护肺部的目的。呼吸道湿润，表面的黏膜有黏附功能，有利于颗粒物的富集。
22.本实用新型公开了一种微塑料采集装置，包括依次可拆卸连接的进气单元、微塑料富集单元和出气单元；
23.进气单元包括进气通道、超声波发生器2、储水箱3及防误入筛网，进气通道一端与微塑料富集单元连接，另一端设有进气口1，进气通道上、进气口后依次设有防误入筛网、超声波发生器2，超声波发生器与储水箱3连接；
24.其中超声波发生器2可实现将水均匀雾化，来给涂覆在螺旋金属管中的黏附液加湿，提高黏附能力；
25.进一步改进，超声波发生器2的超声波振荡频率范围可为20～5000khz，优选的可用 1700khz或2400khz，超声波雾化片直径范围可为1～1000mm，优选的可用16或25mm，可实现将水均匀雾化。
26.在超声波发生器2之前安装一个防误入筛网，防误入筛网采用金属材质，其孔径范围为5～100mm，优选的采用10mm，防误入筛网可有效防止大气中诸如飞虫等的杂质进入；
27.储水箱3可盛装超纯水来持续对微塑料采集装置加湿，可满足连续富集多天加湿的使用量。
28.储水箱3的水箱体积可为0.1～100l，优选的采用10l。用于盛装超纯水通过超声波发生器对微塑料采集装置持续或间歇性加湿，更多的使用量可通过向水箱中补充超纯水来获得。
29.进气单元口的尺寸范围为0.0001～10m2，优选的采用0.01m2。
30.出气单元9包括出气管路、筛板5、抽气泵7、气体流量计6及出气口，出气管路的一端与微塑料富集单元连接，另一端设有出气口，出气口后、出气管路上依次设有气体流量计6、抽气泵7、筛板5。
31.具体地，微塑料富集单元两端设有进出口，进气通道、出气通道可分别与微塑料富集单元的进出口通过螺纹结构连接；
32.进一步改进，筛板5范围为0.01至5.00mm，优选的，可用0.80μm。对微塑料的研究大多集中在0.038至4.75mm的粒径范围内，进验证筛板5可满足对采集的微塑料的有效拦截。
33.气体流量计6和抽气泵7的安装，可实现1～10000l/min的抽气速度，优选的，可用 50l/min的抽气速度采样。采集的大气体积经气体流量计记数，用于后续计算微塑料的丰度。经筛板5过滤后的大气通过抽气泵7排出采集装置。
34.微塑料富集单元为带有螺旋状管道的金属管；管道内均匀涂抹微塑料吸附液。
35.带有螺旋状管道的金属管内部的螺旋延伸方向与进气通道或出气通道的进气或出气方向垂直，大气中的微粒通过抽气泵带来的离心力黏附在金属管路表面，在采集过程中，不会对微塑料反复施加外力造成破坏。颗粒物黏附在金属管路上，不会堵塞最终过滤的筛板5。
36.微塑料富集单元8为带有螺旋状管道的金属管4，管道孔径范围可为5～100mm，优
选的可用10mm。管道的螺旋直径范围可为5～1000mm，优选的可用100mm。管道的螺旋管圈数可为1～10000圈，优选的可为30圈。
37.本实施方案中集器进口端采用超声波发生器2雾化产生水蒸气来给采集器加湿，将采集管路设计成螺旋管状结构，采集器中的螺旋管先涂布黏附性吸附液，使得吸附液在螺旋管上形成一层薄膜，通过水蒸气的加湿可使得吸附膜吸水后具有较强的黏附性能，由于带有螺旋状管道的金属管内部的螺旋延伸方向与进气通道或出气通道的进气或出气方向垂直，能更好地再借助螺旋管的离心作用，将大气中微塑料等颗粒物黏附在螺旋管的表面。采集器的出口端安装筛板5，筛板可根据预收集微塑料的粒径来采用适宜的孔径，筛板外设置气体流量计和抽气泵，可控制和记录采集大气的体积。
38.一种大气中微塑料的采集方法，包括如下步骤：
39.1)制备微塑料黏附液；
40.进一步地，微塑料黏附液为多糖类黏性物质或甲基纤维素、羧甲基纤维素、聚丙烯酸钠、聚氧化乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酰胺类物质及其衍生物中的一种或几种混合；即微塑料黏附液可为上述物质及其不同比例的组合，质量浓度可为 0.01～100％。
41.其中，多糖类黏性物质包括淀粉、海藻酸钠、果胶、角叉菜胶、琼脂、糊精、明胶；
42.2)将微塑料黏附液均匀涂布在采集装置的微塑料富集单元的内壁上；
43.其中，具体涂布方法为：将微塑料黏附液注入到微塑料富集单元中，使得黏附液在微塑料富集单元的内壁涂布均匀后，放出多余的微塑料黏附液，直到微塑料富集单元的出口处无明显液滴，备用。
44.3)将带有黏附液的采集装置置于待检测区，启动采集装置中与水箱连接的超声波震动装置，对金属螺旋管路内进行持续或间歇性加湿，同时开启抽气泵，进行采集取样；
45.步骤3)中超声波振荡装置间隔开启，抽气泵的抽气速度为1～10000l/min，优选的，可用50l/min的抽气速度采样。
46.4)采样后，向粘附有微纳米的采集装置的内部结构面上采用超纯水冲洗、浸泡，收集含有微塑料的超纯水至洁净的容器中；
47.步骤4)具体包括如下步骤：在至少为万级洁净区内打开采集装置，将采集装置中的微塑料富集单元及黏附有微塑料的局部出气单元取下进行冲洗；
48.再将微塑料富集单元与洁净的管路连接，通入超纯水，排除气泡，浸泡过夜，采用至少10倍金属管路体积的超纯水将采集的微塑料冲洗至洁净的烧杯中。
49.5)将所得含有微塑料的超纯水通过0.22μm的滤膜，将微塑料微粒富集在滤膜上，最后确定微塑料的种类和数量。
50.下面结合具体的实施例对本实用新型进行更近一步的解释说明，但是并不用于限制本实用新型的保护范围。
51.为了避免操作环境、试验条件和设备中可能存在的颗粒对测试结果的影响。应在至少为万级的实验室中配制溶液、清洗装置和开展研究。在开展实验前，将所有试验涉及到的器皿、设备和转移用具均用超纯水清洗干净，洁净阴凉干燥处晾干，其他实施例采用相同的环境条件，在此不再赘述。
52.实施例1
53.取适量超纯水加热至30℃，将聚丙烯酰胺(分子量1800)干粉在搅拌条件下缓慢加入至超纯水中至溶解完全，制成0.3％的聚乙烯酰胺溶液，过0.22μm滤膜过滤，即得微塑料黏附液。
54.取下带有螺旋状管道的金属管，用0.3％的聚乙烯酰胺溶液充满带有螺旋状管道的金属管，注意排除气泡，使得0.3％的聚乙烯酰胺溶液在金属螺旋管路内壁涂布均匀,放出多余的0.3％的聚乙烯酰胺溶液，使得金属螺旋管路的出口处无明显液滴，备用。
55.本实施例采用的储水箱3的水箱体积为10l，超声波发生器2的振荡频率为2400khz，超声波雾化片直径为25mm，螺旋状管道的金属管的管道孔径10mm。管道的螺旋直径为 100mm。管道的螺旋管圈数为30圈。筛板5为孔径400目的金属烧结钛滤板。
56.将涂布好黏附液的带有螺旋状管道的金属管与进气单元、出气单元分别连接，连接好的采集装置放置于城郊某处距离地面1.8m处，附近配备有电源。将储水箱3内装满超纯水，启动超声波振荡器2，每30min开启10min，产生水蒸气。开启抽气泵，调节抽气速度为50l/min。采集6小时后关闭抽气泵，将装置取回实验室，在至少为万级洁净区内打开，将带有螺旋状管道的金属管及筛板5取下，其中将筛板5连通管路的一面用超纯水清洗转移至烧杯中。金属螺旋管路4连接上洁净的管路，通入超纯水，注意排除气泡，浸泡过夜，采用至少10倍金属管路体积的超纯水将采集的微塑料冲洗至洁净的烧杯中。将所得含有微塑料的超纯水通过0.22μm的滤膜，将微塑料等微粒富集在滤膜上，通过显微镜初步判断，显微红外光谱仪来确定微塑料的种类和数量。
57.实施例2
58.取适量超纯水加热至25℃，将聚乙烯醇(1750)干粉在搅拌条件下缓慢加入至超纯水中至溶解完全，制成1.0％的聚乙烯醇溶液，过0.22μm滤膜过滤制备黏附液。取下带有螺旋状管道的金属管4，用1.0％的聚乙烯醇溶液充满带有螺旋状管道的金属管4，注意排除气泡，使得黏附液在金属螺旋管路内壁涂布均匀。放出多余液体使得带有螺旋状管道的金属管4的两端进出口处无明显液滴，备用。
59.本次试验采用的储水箱3水箱体积为10l，超声波发生器2的振荡频率为1700khz，超声波雾化片直径为16mm，螺旋状管道的金属管管道孔径10mm。管道的螺旋直径为 100mm。管道的螺旋管圈数为30圈。筛板5为孔径400目的金属烧结钛滤板。
60.将金属螺旋管路4安装到采集装置的进气单元和出气单元上，将采集装置安置于城郊某处距离地面2.0m，附近配备有电源。将储水箱3内装满超纯水，启动超声波振荡装置，每30min开启5min，产生水蒸气。开启抽气泵，调节抽气速度为50l/min。采集6 小时后关闭抽气泵，将装置取回实验室，在至少为万级洁净区内打开，将金属螺旋管路 4至筛板5取下，筛板5连通管路的一面用超纯水清洗转移至烧杯中。金属螺旋管路4 连接上洁净的管路，通入超纯水，注意排除气泡，使得充满超纯水浸泡过夜，采用至少 10倍金属管路体积的超纯水将采集的微塑料冲洗至洁净的烧杯中。将所得含有微塑料的超纯水通过0.22μm的滤膜，将微塑料等微粒富集在滤膜上，通过显微镜初步判断，显微红外光谱仪来确定微塑料的种类和数量。
61.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本技术旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技
术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由权利要求指出。
62.应当理解的是，本实用新型并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本实用新型的范围仅由所附的权利要求来限制。