基于氨纶纤维采集水中新兴污染物的被动采样装置的制作方法

1.本发明涉及一种水质检测采样装置，特备涉及一种基于氨纶纤维采集水中新兴污染物的被动采样装置。


背景技术：

2.新兴污染物种类多、治理难度大，以痕量浓度存在于环境中，其化学性质稳定,且易生物积累和生物毒性。传统主动采样对于水环境中新兴污染物的环境监测具有一定的局限性。例如，离散的采样时间不能准确反映污染物瞬时浓度变化，采样水样体积较大，保存运输困难，水样预处理对实际污染物浓度的影响，监测浓度下限较高。被动采样技术应用于水环境中新兴污染物环境监测克服了传统主动采样的缺陷。被动采样器放置在江河溪流、湖、海等，以及不同地下水位中一段时间，吸附并富集水中污染物用于实验室分析。被动采样器具有灵活、成本低以及能够探测低剂量物质的特点，是具有广阔前景的研究工具。
3.针对采集水体中有机污染物的被动采样器，现有半透膜装置(spmd)、固相微萃取技术(spme)，极性有机化合物整合采样器(pocis)、聚合物材料技术等。最早用于监测水体中有机污染物的被动采样技术是由huckins等人于1990年提出的spmd。该装置是由半透膜(ldpe为扩散障碍层)包裹着薄层状的类酯物(常用为三油酸甘油酯)组成。由于高纯度三油酸甘油酯的前处理困难，致使spmd的成本较高，价格较为昂贵，且长期的野外采样放置可能会导致装置内部的三油酸甘油酯流出损失。spme用于水体被动采样是1990年由arthur和pawliszyn提出，spme是集采样、萃取、浓缩和进样于一体的样品前处理技术。由于其萃取微纤头脆弱易断，且对浓度很低的化合物很难达到检测限，灵敏度不高。pocis在1999年首次提出，是一种专门针对亲水有机化合物的被动采样技术。由于有关有机化合物的采样速率实验室数据缺乏，导致pocis的应用范围较小。此外，pocis以广谱颗粒性吸附剂作为结合相，吸附填料的成本高，并需要可透过性膜材料对其固定，致使其结构复杂。同时，其平衡时间较长，吸附填料在使用过程易流失。低密度聚乙烯(ldpe)、聚甲醛(pom)、聚二甲基硅氧烷(pdms)等聚合物材料用于水体被动采样技术是在spmd装置的基础上发展起来，以固相微萃取为原理，以聚合物材料为吸附相的一项被动采样技术。将聚合物材料膜作为直接吸附相，吸附水中自由溶解态的有机污染物至材料内部，而颗粒、胶体、有机碳等物质无法进入吸附相内，避免了环境杂质的干扰，可大幅度提升富集采样的精密度。因此，聚合物材料被认为是目前测定野外水体有机污染物最适合的被动采样技术。
4.现有的聚合物材料用于水体被动采样技术有几大不足。首先，常见的几种聚合物材料对水中有机污染物采集没有选择性，且对于有机污染物的吸附容量较小，对环境中痕量有机物难以到检测限，灵敏度不高。其次，采用spe等方法对采集后样品进行浓缩后测定，其后处理方法复杂且易产生较大误差。再次，聚合物材料对有机污染物的吸附平衡时间较长(21天甚至更长)，不能随意的改变采样时间，导致采样周期的灵活性降低，还易造成采样装置丢失的风险。最后，为了提高聚合物被动采样器的采样时间灵活性和准确率，有研究提出了一种非平衡采样器，通过提前添加一定量的效能参考化合物(pcrs)作为性能优化的手
段，然而，非平衡采样器通过提前添加一定量的效能参考化合物(pcrs)作为性能优化的手段，目标污染物可能仅部分有相对应的pcrs，导致可监测的污染物种类有局限性。pcrs预处理使工艺变得繁琐，同时加大了被动采样器的制备成本和测试成本。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于氨纶纤维采集水中新兴污染物的被动采样装置，首次以氨纶纤维为采样介质，集采样、运输、富集于一身，适用于水体中多种待测极性有机污染物的采集。
6.为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
7.基于氨纶纤维采集水中新兴污染物的被动采样装置，包括不锈钢套筒1,不锈钢套筒1本体及其上端口2、下端口5均设有均匀圆孔形成不锈钢镂空套筒；不锈钢套管1内部有至少两根不锈钢支柱3，不锈钢支柱3之间可以首尾密闭连接氨纶纤维4，且在不锈钢支柱3竖直方向间隔布置。
8.所述的不锈钢支柱3为三根，呈三角形布置。
9.所述氨纶纤维4直径范围选取为20-280d。
10.本发明的优点：
11.1、本发明首次以氨纶纤维4作为被动采样介质，氨纶纤维具有高度弹性，耐疲劳、耐磨性，耐化学降解，灵活耐用的特点，并且不同规格的氨纶纤维对有机污染物吸附量相当,氨纶纤维对水中极性有机污染物具有高选择性和高富集作用，可以对痕量的大类有机污染物进行较为准确的环境监测。
12.2、极性有机污染物在水相和氨纶纤维间的吸附平衡时间短，时间为7-14天，采样周期可以灵活调整为7天至更久。
13.3、本装置易制备，成本低，整体结构简单、易操作，可减少产品成本和人力资源成本，无二次污染，符合环保要求。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意爆炸图。
15.图2为本发明的使用状态效果图。
16.图3为不同规格的氨纶纤维对有机污染物吸附量的测定。
17.图4为氨纶纤维对有机污染物大类吸附量的测定。
具体实施方式
18.下面参照附图对本发明做详细叙述。
19.参照图1，基于氨纶纤维采集水中新兴污染物的被动采样装置，包括不锈钢套筒1,不锈钢套筒1本体及其上端口2、下端口5均设有均匀圆孔形成不锈钢镂空套筒；不锈钢镂空套筒在保证水流通畅的同时，可防止机械外力的损伤并过滤部分较大杂质。不锈钢套筒外观尺寸为：直径*高＝16*20cm。不锈钢套管1内部有三根不锈钢支柱3，支柱3上下两端分别用螺母固定在上端口2、下端口5，上、下两端口和不锈钢套筒本体相互扣紧，形成不锈钢套筒的封闭状态，并作为被动采样介质在不锈钢套筒内的固定装置。不锈钢支柱外观支柱为
长25cm带有螺纹的圆棒。不锈钢支柱3之间首尾密闭连接氨纶纤维4，且在不锈钢支柱3竖直方向间隔布置。
20.所述的不锈钢支柱3为三根，呈三角形布置，三角形结构稳定，增加采样接触面积，减缓检测水体中水流对其的冲击
21.所述氨纶纤维4直径范围选取为20-280d。
22.氨纶纤维4作为采样介质，使用长度为30cm，氨纶纤维首尾相连。具体如图1，取3根氨纶纤维套在不锈钢支柱上，微纤间隔与上下两端口的间隔均为6cm。氨纶纤维4直接暴露在水体中有利于与目标污染物分子的充分接触，可监测浓度准确率更高且具备更快的平衡时间。
23.本发明首次把氨纶纤维作为萃取介质，氨纶纤维4是一种重要的弹性纤维,具有软硬段交替排列的结构特点,一般软段结构占比80％以上,是目前市场上弹性最好的合成纤维。氨纶因弹性好、抗撕裂强度高、延展性好、手感平滑等优点深受消费者的喜爱,成为泳衣、紧身衣和绷带等产品的首选,拥有耐热、耐氯、抑菌和导电等功能化氨纶也已投入生产。然而，并没有氨纶纤维对水中大类有机污染物的吸收与富集作用的公开报道与研究。本发明通过在水中引入新的固态“溶剂相”，引发特定污染物分子在水与固态氨纶纤维中显著的两相分配行为，采用氨纶纤维为采样介质的水体被动采样装置，从而实现对水中目标大类污染物的快速、大量、选择性富集，可解决目前水体被动采样技术在实际应用中的几大瓶颈问题。
24.本发明的工作原理为：
25.(1)、经剪裁三根氨纶纤维4，称量微纤质量，将其各自首尾相连，套在用螺母固定在上端口的不锈钢支柱上；将下端口5放在不锈钢套筒1下方，带有氨纶纤维4、不锈钢支柱3的上端口2放在不锈钢套筒1上方，使得不锈钢支柱3穿过不锈钢套筒中心，并到达下端口5，用螺母固定不锈钢支柱在下端口上，形成被动采样装置。如图2，通过浮子7以及固定绳8将本发明放入待测水体6中，放置7天至更长时间中采集目标有机污染物。所述氨纶纤维可根据采样时间需求可更换不同粗细，直径范围在20～280d。以140d的氨纶纤维为例，优选采样时间为7天及以上。
26.(2)、本发明采集目标有机污染物(极性有机污染物)结束后，打开不锈钢套筒1取下氨纶纤维4，用吸水纸将表面水分吸干，并放入洁净顶空瓶中。
27.(3)、加入40ml洗脱液在摇床中充分提取目标污染物24h，吸取上层洗脱液，用0.22μm孔径的针筒过滤器过滤液体后，进行浓度分析。所述洗脱液为0.4wt％naoh、40％乙醇溶液、二氯甲烷和甲醇溶液中的一种。
28.(4)、通过实验室测定的污染物在水相和氨纶纤维的分配系数ksw(l/mg)，与测量浓度换算出水环境浓度式中ns为氨纶纤维采集污染物质量(mg)，ms为氨纶纤维质量(mg)。
29.目前市面上不同规格的氨纶纤维4均能够作为介质使用，因为不同规格的氨纶纤维对有机污染物吸附量相当。实验表明该结论如下：
30.(1)称取适量(5-80mg)不同规格的氨纶纤维(20d、70d、140d、280d)，放入容积为40ml(或220ml)的玻璃瓶中。
31.(2)根据下式(1-1)设计实验得吸附实验后的平衡浓度ce在0.5～5μmol
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l-1
的范围内，模拟环境水体中痕量有机污染物微的浓度。
[0032][0033]
式中：c0—溶液初始浓度/mg
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l-1
；kd—分配系数/l
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kg-1
；w—加入玻璃瓶中氨纶纤维的质量/mg；v—加入玻璃瓶中溶液的体积/ml；ce—平衡浓度/mg
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l-1
。
[0034]
(3)加入36-39ml(或200-210ml)的痕量有机污染物溶液(双酚a、三氯生、苯丙酮、氟虫腈等18种污染物)。放入摇床中在250rpm的转速下进行24-48h的震荡后取出，利用hplc检测剩余溶液浓度。
[0035]
(4)结果表明，不同规格的氨纶纤维对有机污染物吸附量相当(附图3)，且对有机污染物大类(农药：五氯苯酚、2-氯联苯、氟虫腈；雌激素：17β-雌二醇、炔雌醇、双酚a；抗菌剂和抗菌剂：丁基羟基茴香醚、三氯生、二苯酮-3等)都具有很高的吸附容量(附图4)。