一種移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室的設計

倪佐濤, 刁新源, 張宗兵, 叢石磊, 孫 毅, 陳 釗

一種移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室的設計

倪佐濤1, 2, 刁新源1, 2, 張宗兵1, 2, 叢石磊1, 2, 孫 毅1, 2, 陳 釗1, 2

(1. 中國科學院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院海洋大科學研究中心, 山東 青島 266071)

痕量元素及其同位素采集、預處理和分析在海洋研究中具有重要的作用, 由于含量極低, 在采樣、樣品預處理及分析過程中容易受到外界污染源沾污。通過在一個20尺標準超高集裝箱內制作一套移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室, 完成對實驗室空間設計、空氣質量控制, 樣品快速轉移, 實現水樣上船后快速進入到潔凈環境中, 減少樣品暴露在大氣中時間, 在潔凈環境中高效完成樣品取樣、過濾和預處理等操作。所有操作滿足GEOTRACES組織有關痕量元素采集的規范要求, 從源頭上保證分析測試結果的可靠性。

海水痕量元素; 潔凈采集; 移動實驗室

痕量元素及其同位素在海洋生物地球化學研究方面扮演著至關重要的角色, 對于認識全球環境變遷具有十分重要的意義[1]。痕量元素及其同位素采集、預處理和分析在海洋研究中具有重要的作用, 是諸多重要科學問題解答的重要數據基礎[2]。但是, 當科學家們審慎地評估文獻中痕量元素的濃度報道時, 發現海洋中的痕量金屬含量發生了數量級水平的下降, 這說明早期文獻中報導的痕量金屬含量在采樣、樣品預處理及分析過程中受到了明顯的沾污, 其中海洋考察船自身、鋼纜、采樣設備中的金屬器件對于海洋中溶解態痕量金屬的沾污顯得尤為重要[3]。

目前制約我國痕量元素及其同位素海洋生物地球化學研究的瓶頸是如何解決采樣及預處理過程的沾污問題, 因為這一環節是分析化學整個流程的開端, 如果存在沾污的影響則后續的分析再精確也沒有意義。為了避免沾污, 研發專用采樣設備、減少采樣流程環節、進行裝備集成化一體化設計是解決這一技術問題的可行思路。近年來, 國內外海洋科學研究機構也嘗試海水痕量元素潔凈采集系統的研發。其中有報道的國外比較成功的有荷蘭海洋研究所的相關裝備, 該設備設計先進, 測試結果準確, 但是該設備采用矩形結構, 采水作業所需操作空間較大, 一個獨立集裝箱無法同時完成采樣、樣品預處理及分析作業, 現在非商業化產品[4]。國內廈門大學通過全套設備的進口搭建了包含8 km長Vectran凱夫拉傳輸電纜及配套絞車、痕量元素專用的潔凈采樣CTD及葵花采水器、24個12 L痕量采水瓶和2個潔凈集裝箱的集成潔凈痕量元素采樣及預處理系統, 目前已經在廈門大學的“嘉庚”號科考船應用[5]。但是, 該套系統樣品采集和預處理及在線樣品分析依然是處于兩個獨立的集裝試驗箱中, 在樣品轉移過程中依然存在沾污風險, 且過程需要人工搬運增加勞動負荷, 所占空間和集成化程度依然具有巨大的改進空間。此外, 截止到目前為止, 國內其他科考船沒有符合GEOTRACES標準的船載的潔凈實驗裝備, 樣品采集完成以后需要在自行搭建的簡易潔凈室內完成樣品的過濾及酸化等預處理環節, 通常潔凈實驗室距離甲板較遠, 需要將采水瓶搬運至實驗室內完成后續操作,中間環節會帶來潛在沾污的可能性。

目前, 痕量元素及同位素化學海洋學研究掌握在美國、加拿大、日本等少數發達國家手中, 數據必須經過在GEOTRACES已經驗證過的站點中進行樣品采集與分析, 數據與已有數據進行對比, 只有一致才能獲得GEOTRACES的認可, 即采樣設備、采樣方法、分析實驗每個環節都符合要求, 才能獲得GEOTRACES承認的數據。由于沒有被認可的潔凈采集及分析設備, 在已經公布的GEOTRACES斷面和站點中, 我國只有廈門大學進行了少量站點的樣品采集。因此制作一套高度集成的船載移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室, 可避免因設備沾污對分析測試結果準確性的影響, 提高采樣過程的可靠性, 從源頭上保證分析測試結果的可靠性, 對于提升我國在在痕量元素及同位素化學海洋學研究領域的能力具有重要的意義。

1 移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室設計

本文根據上述問題, 按照痕量采集潔凈度要求設計移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室。實驗室集中于一個20尺集裝箱內, 分為設備間、風淋室、潔凈實驗室、采水器間四部分, 采用二層設計, 設備間位于移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室頂部空間, 采水器間、潔凈實驗室和風淋間位于集裝箱下部。其中, 采水器間位于集裝箱右部, 潔凈實驗室位于采水器間左部, 兩部分中間為風淋間。集裝箱右端開門, 內外設置運送軌道。如圖1所示。

移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室安裝在船舶甲板上, 采水作業時采水器上船后落于滑軌式可移動采水器架旋轉底座上, 通過運送軌道、滑動軌道將采水器推入到采水器間, 撤掉運輸軌道, 關閉集裝箱門, 空氣潔凈系統工作。快速空氣凈化系統在30 min內將采水器間空氣凈化到千級潔凈度, 試驗人員進入采水器間完成水樣采樣工作, 水樣采集完畢后送到潔凈實驗室用于樣品后續預處理過程。采集水樣期間采水器架可以在旋轉底座上自由旋轉, 避免了每次樣品采集完成后需要將采水瓶從采水器架上取下并搬至潔凈實驗室的繁重操作, 降低了試驗人員體力要求, 提高工作效率。

圖1 移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室平面設計圖

2 高效的空氣質量系統

符合需要并滿足GEOTRACES組織有關痕量元素采集的規范要求的空氣系統是整個實驗室能否滿足要求的第一要素。為此, 整個集裝箱內空氣質量均為千級, 滿足GEOTRACES組織有關痕量元素采集的規范要求的空氣質量。

2.1 室內氣流組織

潔凈實驗室空氣質量為千級, 獨立凈化空氣, 控溫, 控濕, 頂部送風, 底部回風上排(如圖2所示),空氣內循環和部分新風(新風率20%~30%)氣體在經過室外高效處理系統后, 通過靜壓箱送到各個出風口, 室內出風口出風均勻, 全室層流, 出風口和回風口布局設計上采用上送側下回的氣流組織形式。潔凈實驗室內設2個高效送風口, 集中布置于吊頂中, 回風口設在側墻下方(實驗臺一側), 使空氣回收到空氣過濾系統中。采水器艙門關閉后靜置約30 min后空氣質量可以達到千級要求, 達到水樣采集空氣標準[6]。

2.2 壓力梯度控制

壓力梯度由新風量和排風量的大小控制, 新風量根據實驗要求來確定, 排風量則由室內可能產生的污染氣體、其他通風設備的排風量以及壓力梯度共同確定。潔凈實驗室和采水器間為千級潔凈度, 為了避免潔凈實驗室房間塵埃粒子超標, 潔凈實驗室、采水器間與風淋室之間保證一定的正壓, 一般不低于5 Pa; 潔凈房間與風淋間之間保證不小于10 Pa的壓差[7]。

圖2 空氣循環系統示意圖

2.3 風淋間設置

風淋室是實驗人員從室外進入潔凈區的第一道屏障, 人員進入潔凈區之前需經過風淋室, 在風淋室內經高速氣流吹落人體表面塵埃粒子, 盡可能避免將大粒徑塵埃粒子帶入潔凈室, 延長潔凈室內高效過濾器的使用壽命。

3 采水器快速入箱設計

采水器上船后, 船舶上空氣中的微量元素會對采水器外壁產生污染。減少采水器在甲板的停留時間, 可有效降低采水器污染幾率, 為采集的樣品符合GEOTRACES組織有關痕量元素采集的規范要求提供保障。為此我們設計了滑軌式可移動采水器架旋轉底座可以快速將采水器架運送到潔凈實驗室集裝箱內。

快速入箱系統共有2組滑軌和2組托盤小車組成, 分別為運送軌道、滑動軌道、底盤小車和托盤小車。底盤小車可以在運送軌道上滑動, 滑動軌道分為2部分, 一部分位于底盤小車上, 一部分位于集裝箱內, 兩部分可以進行拼接。在采水器間墻上有CTD采水器架牽引繩吊點, 高度與CTD架子的重心持平, 通過外置絞車, 可以快速完成采水器架進出采水器間。

海上作業時, 絞車將CTD采水器組件吊裝放置在托盤小車上, 通過牽引繩, 底盤小車通過運送軌道組將托盤小車運送到集裝箱門口(圖3), 由四連桿送軌裝置將帶45°斜面的滑動軌道與集裝箱內的帶45°斜面的運送軌道組2對接, 底盤小車移動到集裝箱內。底盤小車回退, 滑動軌道分開, 集裝箱關門, 采水器間進行空氣凈化(圖4)。

圖3 托盤小車運送系統

4 結論

通過采取合理分區、采水器快速入箱及符合要求的空氣凈化系統等設計完成的移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室, 滿足痕量元素樣品采集、預處理及分析過程中的質量控制, 有效的減少樣品出水后轉移過程中的污染, 避免采集、分析處理過程中帶來的沾污影響, 達到痕量元素樣品采集的要求, 從源頭上保證分析測試結果的可靠性, 可應用于海洋生物地球化學研究領域, 對于提升我國在在痕量元素及同位素化學海洋學研究領域的能力具有重要的意義。

圖4 對軌后送入集裝箱潔凈實驗室

[1] Anderson R F, Henderson G M. GEOTRACES gathers speed[J]. Global Change News Letter, 2004, 60: 10-13.

[2] Martin J H, Fitzwater S E. Iron-deficiency limits phytoplankton growth in the Northeast Pacific Subarctic[J]. Nature, 1988, 331(6154): 341-343.

[3] 張經. 化學海洋學的無機痕量分析—思考與實踐[M]. 青島: 青島海洋大學出版社, 2002: 125. Zhang Jing. Inorganic Trace Analysis in Chemical Oceanography-Consideration and Practice[M]. Qingdao: Qingdao Ocean University Publishing House, 2002: 125.

[4] Baar H J W D, Timmermans K R, Laan P, et al. Titan: A new facility for ultraclean sampling of trace elements and isotopes in the deep oceans in the international Geotraces program[J]. Marine Chemistry, 2008, 111(1-2): 4-21.

[5] “嘉庚號”七個第一[J]. 船舶工程, 2017, 3: 76. Seven firsts of “Jiageng”[J]. Marine Engineering, 2017, 3: 76.

[6] 汪洪軍, 王健. 先進測量潔凈實驗室概念設計探討[J].潔凈與空調技術, 2011, 4: 12-14. Wang Hongjun, Wang Jian. Discussion on Conceptual Design of Advanced Measurement Clean Laboratory[J]. Clean and Air-conditioning Technology, 2011, 4: 12-14.

[7] 許鐘麟．空氣潔凈技術原理[M]. 北京: 北京科學出版社, 2003: 341-356.Xu Zhonglin. Principle of Air Cleaning Technology[M]. Beijing: Beijing Science Publishing House, 2003: 341- 356.

[8] 許鐘麟. 潔凈室設計[M]. 北京: 地震出版社, 1998: 59-92.Xu Zhonglin. Design of Clean Room[M]. Beijing: Earthquake Publishing House, 1998: 59-92.

Design of a mobile clean collection laboratory for trace elements in seawater

NI Zuo-tao1, 2, DIAO Xin-yuan1, 2, ZHANG Zong-bing1, 2, CONG Shi-lei1, 2, SUN Yi1, 2, CHEN Zhao1, 2

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

The collection, pretreatment, and analysis of trace elements and their isotopes play an important role in marine research. However, samples are easily contaminated by external pollution sources in the process of sampling, sample pretreatment, and analysis because of their minute quantities. A mobile clean collection laboratory for the study of trace elements in seawater was developed in a 20-foot standard super high container. The laboratory space design, air quality control, and sample rapid transfer have been completed. After boarding the ship, water samples can enter the clean environment quickly, reducing exposure time of the samples in the atmosphere and efficiently completing the sampling, filtering and pretreatment of the sample in a clean environment. All operations meet the requirements of GEOTRACES for trace element acquisition, ensuring the reliability of analysis and test results from the source.

trace elements in seawater; clean collection; mobile laboratory

Jan. 22, 2019

P751

A

1000-3096(2020)06-0137-04

10.11759/hykx20190122001

2019-01-22;

2019-03-20

國家重點研發計劃(2016YFC1400806); “科學”號高端用戶項目(KEXUE2019GZ01)

[National Key R&D Program of China, No. 2016YFC1400806; High-end users Program of “Kexue”, No.KEXUE2019GZ01]

倪佐濤(1975-), 山東青島人, 漢族, 高級工程師, 碩士, 研究方向為海洋環境工程, 電話: 0532-82898736, E-mail: nizuotao07@qdio.ac.cn; 刁新源,通信作者, 正高級工程師, 主要從事海洋環境調查, 電話: 0532-82896905, E-mail: diaoxinyuan@qdio.ac.cn

(本文編輯: 李曉燕)