测量土壤气被动采样器场地特征吸附速率的系统及方法与流程

本发明属于建设用地污染及土壤污染的监测、修复或风险管控，具体涉及一种基于被动通量测试腔测量土壤气被动采样器场地特征吸附速率的系统及方法。

背景技术：

1、挥发性有机物(vocs)是建设用地污染地块及土壤污染重点监管单位内土壤中常见的特征污染物，由于其沸点较低、易挥发等特性，蒸气入侵是其对该区域生产、生活人群健康危害的主要暴露途径。对土壤气中vocs的监测是地块污染调查、修复或风险管控、修复或风险管控效果评估、土壤污染重点监管单位自行监测的有效手段，能够精准表征污染地块或土壤污染重点监管单位土壤中vocs的空间分布。

2、被动土壤气作为一种新兴的土壤气采集方式，在克服传统土壤气监测井采样缺点的基础上，由于其简易、便携、易操作、成本低等优点，引起行业从业人员的广泛关注。鉴于被动采样器对vocs特定吸附速率(ur)的不确定性，其测量结果目前仅局限于质量层面。国内外已有研究表明，大量环境空气监测领域吸附速率的测定为实验室内特定条件下暴露腔室测量，少量土壤气监测领域吸附速率的测定是通过紧邻土壤气监测井采样校准。前者测量模拟的是恒定浓度、温度和湿度条件下的空气介质，但是土壤介质更具复杂性，vocs在土壤相间分配、土壤矿物质的表面吸附、有机质的吸附和解吸及土壤气中vocs的时间异质性等因素往往会影响被动采样器对vocs的吸附。后者测量中建设的土壤气监测井，受地块上生产、生活、再开发等活动的影响，需要花费更多的金钱和精力去维护，同时每次测量需要多组瞬时数据的平均值去消除土壤气浓度的时间变异性，成本过高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供了一种成本低、操作简便、不受浓度时间变异性影响、结合场地土壤环境因素的测量土壤气被动采样器场地特征吸附速率的系统和方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

2、一种测量土壤气被动采样器场地特征吸附速率的系统，包括设置于土壤地上部分的被动通量测试装置和地下部分的土壤气被动采样装置，所述被动通量测试装置包括通量测试腔、被动吸附材料、支撑件、防水半透膜座垫和密封件；所述通量测试腔为一个下部开口的壳体；所述被动吸附材料通过所述支撑件悬挂在所述通量测试腔内部；所述防水半透膜座垫铺设在通量测试腔与地表之间(防止水蒸气进入产生竞争吸附)，防水半透膜座垫覆盖通量测试腔的下部开口；所述密封件将通量测试腔与地表接触处密封；所述土壤气被动采样装置，包括：自地表向下的钻孔、设置在钻孔内部用于容纳所述土壤气被动采样器的钻孔套管、密封钻孔的上口的密封盖和用于连接所述土壤气被动采样器和所述密封盖的悬挂件；所述钻孔套管上下通透、侧壁开孔、下部和侧壁均包裹防水半透膜；所述密封盖包裹防水半透膜；所述被动吸附材料设置为与待测的土壤气被动采样器中的吸附材料相同的材料。所述被动吸附材料用于对目标污染物进行吸附，根据污染物不同，在保证尺寸不变的基础上可更换不同吸附材料。所述被动吸附材料优选设置为圆柱状。

3、进一步的优化，所述被动通量测试装置和土壤气被动采样装置之间的水平距离为：15～30cm，优选20cm。所述通量测试腔形状可为正方体、半球状或圆柱体。

4、进一步的，所述通量测试腔为金属材质或有机玻璃材质；当通量测试腔为金属材质时，通量测试腔的外部涂有防水涂层，内部进行钝化处理。通量测试腔优选为不锈钢材质，内部采用硅烷化过程钝化。

5、进一步的，防水半透膜座垫的材质为：高分子聚合物聚二甲基硅氧烷(pdms)。所述防水半透膜座垫仅防止地下水蒸气向上挥发至通量测试腔内，不影响vocs蒸气的挥发，目的是排除水蒸气对吸附材料的竞争吸附作用。

6、进一步的，所述密封件为硅胶密封圈与硅胶。

7、进一步的，所述钻孔直径2～4英寸，孔深0.5～1.5m；可用手持式土壤取样钻机、洛阳铲或特制手电钻获得。

8、进一步的，所述钻孔套管为不锈钢或pvc材质；包裹的防水半透膜材质为：高分子聚合物聚二甲基硅氧烷(pdms)。

9、进一步的，所述密封盖为硅胶密封盖，尺寸与钻孔套管一致，用于密封土壤钻孔。

10、一种测量土壤气被动采样器场地特征吸附速率的方法，采用所述的测量土壤气被动采样器场地特征吸附速率的系统进行测定，具体包括如下步骤：

11、步骤一、采样前准备：准备土壤气被动采样器，所述土壤气被动采样器包括扩散体外壳和设置于扩散外壳内的被动吸附材料，为径向被动采样器；土壤气被动采样器被组装前其中的被动吸附材料须密闭于惰性玻璃柱内，扩散体外壳须在真空密封袋内保存。

12、步骤二、系统布置：选择测试位点且在现场布置所述的测量土壤气被动采样器场地特征吸附速率的系统；布置过程中，通过手持式土壤取样钻机等设备钻取直径2～4英寸，深0.5～1.5m的钻孔，将包裹防水半透膜的钻孔套管放入钻孔内；将间隔15～30cm(优选20cm)位置地表进行平整，铺设防水半透膜座垫，将被动吸附材料通过支撑件悬挂在通量测试腔内，使用密封件密封通量测试腔与地表接触的区域。

13、步骤三、安放土壤气被动采样器：将所述土壤气被动采样器放置在所述钻孔套管内，通过悬挂件与密封盖相连，密封钻孔，开始测试。

14、步骤四、测试开始和结束时，需采集现场空白样和运输空白样。

15、步骤五、测试14天后，分别取出通量测试腔和土壤气被动采样器内的被动吸附材料装入惰性玻璃柱内密封保存送至实验室进行样品分析测试，测定通量测试腔内的被动吸附材料吸附的vocs质量m1和土壤气被动采样器的被动吸附材料吸附的vocs质量m2。

16、所述样品分析测试的方法为：如果所述被动吸附材料为热脱附型，则被动吸附材料需装入符合自动进样装置尺寸的td管内，可参考《环境空气挥发性有机物的测定吸附管采样-热脱附/气相色谱-质谱法》(hj644-2013)或epa to-17进行测试；如果所述被动吸附材料为二硫化碳解吸型，分析测试可参考《环境空气苯系物的测定活性炭吸附/二硫化碳解吸-气相色谱法》(hj584-2010)进行分析测试。

17、步骤六、计算土壤气被动采样器对土壤气中vocs的吸附速率，计算公式如下：

18、

19、式中：ur为土壤气被动采样器对土壤气中vocs的吸附速率，ml/min；m1为通量测试腔内的被动吸附材料吸附的vocs质量，ng；m2为土壤气被动采样器的被动吸附材料吸附的vocs质量，ng；a为通量测试腔底部与地表接触的面积，cm2；l为土壤钻孔中土壤气被动采样器距地表的埋深，cm；为vocs由土壤孔隙挥发至通量测试腔的有效扩散系数，cm2/s。

20、的计算方法为：

21、

22、式中：da为污染物在空气中扩散系数，cm2/s；dw为污染物在水中扩散系数，cm2/s；h为污染物亨利系数，无量纲；θ为非饱和土层土壤中总孔隙体积比，无量纲；θas为非饱和土层土壤中孔隙空气体积比，无量纲；θws为非饱和土层土壤中孔隙水体积比，无量纲。

23、计算土壤气被动采样器对土壤气中vocs的吸附速率的推导过程为：

24、当通量测试腔内的被动吸附材料具有足够大的吸附速率和吸附容量时，地下挥发进入通量测试腔内的vocs蒸气近似被全部吸附(heggie等人研究发现通量测试腔内85％的质量被吸附材料吸附)，即测试腔内vocs浓度c1≈0，则下层土壤至地表土壤间vocs挥发通量(flux1)等于地表土壤至通量测试腔体间vocs挥发通量(flux2)，则有公式(1)～公式(3)：

25、

26、

27、flux1＝flux2                             (3)

28、由公式(1)至(3)可得公式(4)：

29、

30、式中：

31、flux1为下层土壤至地表土壤间vocs挥发通量，ng/cm2/min；

32、flux2为地表土壤至通量测试腔体间vocs挥发通量，ng/cm2/min；

33、c1为通量测试腔内vocs浓度，ng/cm3；

34、c2为平衡时土壤孔隙内vocs浓度，ng/cm3；

35、t为采样时间，min；

36、当被动采样器吸附浓度与周围土壤孔隙vocs浓度达到平衡时，则土壤孔隙内vocs浓度计算如公式(5)：

37、

38、结合公式(4)和公式(5)，则有土壤气被动采样器吸附速率计算公式(6)。

39、