大氣中重金屬富集采樣及預處理消解系統

2018-08-01 01:33:10樊海春

天津科技 2018年7期

汪鋒，樊海春*，張濤

(1.天津同陽科技發展有限公司天津 300384；2.天津市大氣污染物監測技術企業重點實驗室天津 300384)

0 引言

我國的環境污染現狀已使環境問題成為公眾關注的焦點，其中難以降解的重金屬污染以其對環境的破壞及人體的危害成為焦點中的焦點。國務院于2011年 2月 19日批復了首個“十二五”專項規劃——重金屬污染綜合防治“十二五”規劃，規劃要求重點區域重點重金屬污染物排放量比2007年減少15%,，非重點區域重點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、火力發電、礦山開采等產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]。因此實現大氣中重金屬污染在線自動監測已迫在眉睫，其難點在于大氣樣品實時采樣和預處理部分。

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、價格便宜等優點，但消解耗時較長。干灰化法需要人工操作，不易實現自動化操作；微波消解的優勢是消解速度快，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，不能實現全自動消解，需要人工操作。

本文介紹一種重金屬自動富集采樣及預處理消解系統的研究技術路線及其集成系統結構，將其用于大氣中重金屬在線監測系統可比較方便地解決上述問題。

1 采樣和預處理系統研究

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測要求，確定功能納米材料選擇依據。本文采用高壓靜電紡技術制備多種骨架成分的納米纖維，再對納米纖維進行功能化。其次，進行功能性納米纖維制備工藝優化研究，建立以光譜、色譜和化學組分測定相結合的納米材料表征方法，確定材料工藝和質量的穩定性。最后，確定合適的功能納米材料，進行采樣系統和預處理裝置的研制。

圖1 采樣和預處理系統研究技術路線Fig.1 Technical route for sampling and pre-processing systems

2 采樣和預處理系統結構

采樣和預處理系統是一個七工位采樣轉盤式系統(如圖 2、3所示)，包括分別固定在底板 1上的采樣機構2以及消解機構3，其中采樣機構包括切割器201(采用的是 PM10切割器)、采樣轉盤 202、切割器支撐機構204、翻轉電機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，流經此切割器的粒子直徑大于10,μm 的雜質會被分離。

圖2 采樣及預處理系統結構Fig.2 The structure of the sampling and pre-processing system

圖3 采樣機構中切割器支撐機構結構Fig.3 The support structure of the cutter of the sampling mechanism

本文中設計轉盤的盤面上均勻設置8個通孔，每個通孔對應設置一套翻轉電機以及膜托，由8個翻轉電機分別控制 8個膜托的翻轉。在開始采樣之前，將8個濾膜放置在8個膜托上，由內部程序控制濾膜按照順序依次采樣。

如圖4所示，切割器支撐機構上設計不同方向的步進電機，支撐機構支撐切割器并通過步進電機控制上氣嘴和下氣嘴移動到濾膜位置。

圖4 預處理消解機構結構示意圖Fig.4 Structure of preprocessing digestion mechanism

圖5 預處理消解機構結構俯視示意Fig.5 Overhead view of the structure preprocessing digestion mechanism

消解機構如圖 4、5所示，伺服電機能夠控制消解轉盤轉動，從而使一個濾膜消解完成后另一個濾膜自動進入消解工位。設置在下擋板底部的振動裝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。通過升降電機裝置能夠控制注液管和抽液管上下移動。