大气中重金属富集采样及预处理消解系统

汪 锋，樊海春*，张 涛

(1.天津同阳科技发展有限公司 天津 300384；2.天津市大气污染物监测技术企业重点实验室 天津 300384)

0 引 言

我国的环境污染现状已使环境问题成为公众关注的焦点，其中难以降解的重金属污染以其对环境的破坏及人体的危害成为焦点中的焦点。国务院于2011年 2月 19日批复了首个“十二五”专项规划——重金属污染综合防治“十二五”规划，规划要求重点区域重点重金属污染物排放量比2007年减少15%,，非重点区域重点重金属污染物排放量不超过2007年水平[1]。汽车尾气的排放、焚烧垃圾秸秆、火力发电、矿山开采等产生了大量有害气体和粉尘[2-4]，大气中的重金属存在于大气颗粒物中[5]，而粒径小于10,µm 的大气颗粒物(可吸入颗粒物 PM10)含有高含量的重金属，有 75%,～90%,的重金属分布在 PM10中，且粒径越小重金属含量越高[6]。因此实现大气中重金属污染在线自动监测已迫在眉睫，其难点在于大气样品实时采样和预处理部分。

目前，最常见的气体采样仪是自动换膜采样仪。采集后的样品需要进行消解，目前空气中重金属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、价格便宜等优点，但消解耗时较长。干灰化法需要人工操作，不易实现自动化操作；微波消解的优势是消解速度快，但其体积庞大，不易集成。目前重金属消解最常用的手段是手工消解或使用消解仪消解。手工消解人工成本高，且消解过程容易引入污染，而广泛使用的消解仪大多体积庞大，难以和其他仪器配合使用，不能实现全自动消解，需要人工操作。

本文介绍一种重金属自动富集采样及预处理消解系统的研究技术路线及其集成系统结构，将其用于大气中重金属在线监测系统可比较方便地解决上述问题。

1 采样和预处理系统研究

如图 1所示，首先研制功能性纳米材料，针对大气重金属在线监测要求，确定功能纳米材料选择依据。本文采用高压静电纺技术制备多种骨架成分的纳米纤维，再对纳米纤维进行功能化。其次，进行功能性纳米纤维制备工艺优化研究，建立以光谱、色谱和化学组分测定相结合的纳米材料表征方法，确定材料工艺和质量的稳定性。最后，确定合适的功能纳米材料，进行采样系统和预处理装置的研制。

图1 采样和预处理系统研究技术路线Fig.1 Technical route for sampling and pre-processing systems

2 采样和预处理系统结构

采样和预处理系统是一个七工位采样转盘式系统(如图 2、3所示)，包括分别固定在底板 1上的采样机构2以及消解机构3，其中采样机构包括切割器201(采用的是 PM10切割器)、采样转盘 202、切割器支撑机构204、翻转电机205、膜托206、上气嘴207、下气嘴208以及滤膜209。切割器可以使用冲击型切割器，流经此切割器的粒子直径大于10,μm 的杂质会被分离。

图2 采样及预处理系统结构Fig.2 The structure of the sampling and pre-processing system

图3 采样机构中切割器支撑机构结构Fig.3 The support structure of the cutter of the sampling mechanism

本文中设计转盘的盘面上均匀设置8个通孔，每个通孔对应设置一套翻转电机以及膜托，由8个翻转电机分别控制 8个膜托的翻转。在开始采样之前，将8个滤膜放置在8个膜托上，由内部程序控制滤膜按照顺序依次采样。

如图4所示，切割器支撑机构上设计不同方向的步进电机，支撑机构支撑切割器并通过步进电机控制上气嘴和下气嘴移动到滤膜位置。

图4 预处理消解机构结构示意图Fig.4 Structure of preprocessing digestion mechanism

图5 预处理消解机构结构俯视示意Fig.5 Overhead view of the structure preprocessing digestion mechanism

消解机构如图 4、5所示，伺服电机能够控制消解转盘转动，从而使一个滤膜消解完成后另一个滤膜自动进入消解工位。设置在下挡板底部的振动装置可以加快消解速度，提高消解速率。注液管和抽液管的管头分别穿过上挡板并深入到消解杯中，注液管和抽液管的管尾分别连接蠕动泵；将消解液通过蠕动泵抽到注液管，然后到达消解杯。

注液管和抽液管的端口分别与升降装置连接，如图 6、7所示。通过升降电机装置能够控制注液管和抽液管上下移动。

图6 升降装置结构示意图Fig.6 Structure of the lifting device

图7 升降装置立体图Fig.7 Stereogram of the lifting device

3 过程验证

本文需要验证的一是功能性纳米材料的富集效率，二是预处理装置连续采样稳定性、采样流量误差、相对标准偏差等。

3.1 功能纳米纤维膜的制备

初步研制了几类不同功能纤维膜，如图 8所示。A、A’分别为采样前后 PS纤维膜；B、B’分别为采样前后邻二氮菲纤维膜；C、C’分别为采样前后巯基乙酸纤维膜。

图8 各类纤维膜采样前后形貌特征Fig.8 The morphological characteristics of various fiber membrane samples before and after sampling

由图 9可知，针对大气中的 As、Cd、Pb 3种元素，Phe(邻二氮菲)纤维膜比商业石英膜具有更高的吸附效率。

图9 采样膜对大气中As、Cd、Pb、Hg的吸附情况Fig.9 Absorption of As，Cd，Pb，Hg in the atmosphere by sampling membrane

3.2 几种采样膜采样效率初步比对结果

预处理装置测试数据详见图10、表1。

图10 预处理装置PM2.5连续采样稳定性对比Fig.10 Comparison of continuous sampling stability of PM2.5 in pretreatment device

表1 采样流量及稳定性Tab.1 Sampling flow and stability

4 结 论

重金属监测的采样和预处理在重金属监测中起到极其重要的作用。本文提出了一种基于纳米功能材料的七工位转盘式重金属富集采样及预处理消解系统，并详细描述了该系统的设计结构和原理。该系统采用功能性纳米材料作为滤膜，有效提高了其检测的准确性。