大氣中重金屬富集采樣及預(yù)處理消解系統(tǒng)

汪 鋒，樊海春*，張 濤

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司 天津 300384；2.天津市大氣污染物監(jiān)測技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300384)

0 引 言

我國的環(huán)境污染現(xiàn)狀已使環(huán)境問題成為公眾關(guān)注的焦點(diǎn)，其中難以降解的重金屬污染以其對環(huán)境的破壞及人體的危害成為焦點(diǎn)中的焦點(diǎn)。國務(wù)院于2011年 2月 19日批復(fù)了首個“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃——重金屬污染綜合防治“十二五”規(guī)劃，規(guī)劃要求重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)重金屬污染物排放量比2007年減少15%,，非重點(diǎn)區(qū)域重點(diǎn)重金屬污染物排放量不超過2007年水平[1]。汽車尾氣的排放、焚燒垃圾秸稈、火力發(fā)電、礦山開采等產(chǎn)生了大量有害氣體和粉塵[2-4]，大氣中的重金屬存在于大氣顆粒物中[5]，而粒徑小于10,μm 的大氣顆粒物(可吸入顆粒物 PM10)含有高含量的重金屬，有 75%,～90%,的重金屬分布在 PM10中，且粒徑越小重金屬含量越高[6]。因此實(shí)現(xiàn)大氣中重金屬污染在線自動監(jiān)測已迫在眉睫，其難點(diǎn)在于大氣樣品實(shí)時(shí)采樣和預(yù)處理部分。

目前，最常見的氣體采樣儀是自動換膜采樣儀。采集后的樣品需要進(jìn)行消解，目前空氣中重金屬消解的方法有酸消解法、干灰化法和微波消解法等[7,8]。酸消解法具有操作方便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但消解耗時(shí)較長。干灰化法需要人工操作，不易實(shí)現(xiàn)自動化操作；微波消解的優(yōu)勢是消解速度快，但其體積龐大，不易集成。目前重金屬消解最常用的手段是手工消解或使用消解儀消解。手工消解人工成本高，且消解過程容易引入污染，而廣泛使用的消解儀大多體積龐大，難以和其他儀器配合使用，不能實(shí)現(xiàn)全自動消解，需要人工操作。

本文介紹一種重金屬自動富集采樣及預(yù)處理消解系統(tǒng)的研究技術(shù)路線及其集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將其用于大氣中重金屬在線監(jiān)測系統(tǒng)可比較方便地解決上述問題。

1 采樣和預(yù)處理系統(tǒng)研究

如圖 1所示，首先研制功能性納米材料，針對大氣重金屬在線監(jiān)測要求，確定功能納米材料選擇依據(jù)。本文采用高壓靜電紡技術(shù)制備多種骨架成分的納米纖維，再對納米纖維進(jìn)行功能化。其次，進(jìn)行功能性納米纖維制備工藝優(yōu)化研究，建立以光譜、色譜和化學(xué)組分測定相結(jié)合的納米材料表征方法，確定材料工藝和質(zhì)量的穩(wěn)定性。最后，確定合適的功能納米材料，進(jìn)行采樣系統(tǒng)和預(yù)處理裝置的研制。

圖1 采樣和預(yù)處理系統(tǒng)研究技術(shù)路線Fig.1 Technical route for sampling and pre-processing systems

2 采樣和預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采樣和預(yù)處理系統(tǒng)是一個七工位采樣轉(zhuǎn)盤式系統(tǒng)(如圖 2、3所示)，包括分別固定在底板 1上的采樣機(jī)構(gòu)2以及消解機(jī)構(gòu)3，其中采樣機(jī)構(gòu)包括切割器201(采用的是 PM10切割器)、采樣轉(zhuǎn)盤 202、切割器支撐機(jī)構(gòu)204、翻轉(zhuǎn)電機(jī)205、膜托206、上氣嘴207、下氣嘴208以及濾膜209。切割器可以使用沖擊型切割器，流經(jīng)此切割器的粒子直徑大于10,μm 的雜質(zhì)會被分離。

圖2 采樣及預(yù)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of the sampling and pre-processing system

圖3 采樣機(jī)構(gòu)中切割器支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)Fig.3 The support structure of the cutter of the sampling mechanism

本文中設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)盤的盤面上均勻設(shè)置8個通孔，每個通孔對應(yīng)設(shè)置一套翻轉(zhuǎn)電機(jī)以及膜托，由8個翻轉(zhuǎn)電機(jī)分別控制 8個膜托的翻轉(zhuǎn)。在開始采樣之前，將8個濾膜放置在8個膜托上，由內(nèi)部程序控制濾膜按照順序依次采樣。

如圖4所示，切割器支撐機(jī)構(gòu)上設(shè)計(jì)不同方向的步進(jìn)電機(jī)，支撐機(jī)構(gòu)支撐切割器并通過步進(jìn)電機(jī)控制上氣嘴和下氣嘴移動到濾膜位置。

圖4 預(yù)處理消解機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of preprocessing digestion mechanism

圖5 預(yù)處理消解機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)俯視示意Fig.5 Overhead view of the structure preprocessing digestion mechanism

消解機(jī)構(gòu)如圖 4、5所示，伺服電機(jī)能夠控制消解轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，從而使一個濾膜消解完成后另一個濾膜自動進(jìn)入消解工位。設(shè)置在下?lián)醢宓撞康恼駝友b置可以加快消解速度，提高消解速率。注液管和抽液管的管頭分別穿過上擋板并深入到消解杯中，注液管和抽液管的管尾分別連接蠕動泵；將消解液通過蠕動泵抽到注液管，然后到達(dá)消解杯。

注液管和抽液管的端口分別與升降裝置連接，如圖 6、7所示。通過升降電機(jī)裝置能夠控制注液管和抽液管上下移動。

圖6 升降裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure of the lifting device

圖7 升降裝置立體圖Fig.7 Stereogram of the lifting device

3 過程驗(yàn)證

本文需要驗(yàn)證的一是功能性納米材料的富集效率，二是預(yù)處理裝置連續(xù)采樣穩(wěn)定性、采樣流量誤差、相對標(biāo)準(zhǔn)偏差等。

3.1 功能納米纖維膜的制備

初步研制了幾類不同功能纖維膜，如圖 8所示。A、A’分別為采樣前后 PS纖維膜；B、B’分別為采樣前后鄰二氮菲纖維膜；C、C’分別為采樣前后巰基乙酸纖維膜。

圖8 各類纖維膜采樣前后形貌特征Fig.8 The morphological characteristics of various fiber membrane samples before and after sampling

由圖 9可知，針對大氣中的 As、Cd、Pb 3種元素，Phe(鄰二氮菲)纖維膜比商業(yè)石英膜具有更高的吸附效率。

圖9 采樣膜對大氣中As、Cd、Pb、Hg的吸附情況Fig.9 Absorption of As，Cd，Pb，Hg in the atmosphere by sampling membrane

3.2 幾種采樣膜采樣效率初步比對結(jié)果

預(yù)處理裝置測試數(shù)據(jù)詳見圖10、表1。

圖10 預(yù)處理裝置PM2.5連續(xù)采樣穩(wěn)定性對比Fig.10 Comparison of continuous sampling stability of PM2.5 in pretreatment device

表1 采樣流量及穩(wěn)定性Tab.1 Sampling flow and stability

4 結(jié) 論

重金屬監(jiān)測的采樣和預(yù)處理在重金屬監(jiān)測中起到極其重要的作用。本文提出了一種基于納米功能材料的七工位轉(zhuǎn)盤式重金屬富集采樣及預(yù)處理消解系統(tǒng)，并詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和原理。該系統(tǒng)采用功能性納米材料作為濾膜，有效提高了其檢測的準(zhǔn)確性。