大气中持久性有毒物质(PTS)的被动采样技术

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1、http://www.paper.edu.cn1大气中持久性有毒物质(PTS)的被动采样技术1,211王震，陈景文，乔显亮1大连理工大学环境科学与工程系，辽宁大连(116024)2国家海洋环境监测中心，辽宁大连(116023)E-mail:jwchen@dlut.edu.cn摘要：应用被动采样器监测大气中的持久性有毒物质(PTS)已成为环境化学领域内的热门课题。在总结国内外相关研究的基础上，分析了被动采样器的采样机理，对已应用于区域大气PTS监测的几种典型生物被动采样器和人造被动采样器给予了评述，探讨了各种大气被动采样器的优缺点，并对今

2、后的研究重点和应用技术进行了展望。关键词：持久性有毒物质，被动采样器，SPMDs，PUF盘采样器中图分类号：X830.21.引言持久性有毒物质(PTS)已成为与全球变暖、臭氧层破坏并列的影响21世纪人类生存和发展的全球性环境问题之一。PTS性质稳定，能持久存在，并且多数PTS是环境痕量有机污染物，广泛分布于各类环境介质中。其中，空气是一种重要的环境介质，监测空气中PTS的浓度对于评价大气环境质量、评估PTS长距离环境迁移性以及评价PTS的生态风险等具有重要意义。目前，采集空气中的PTS类污染物多使用大流量空气采样器(HiVol)。但是，

3、大流量采样器的价格比较昂贵，采样器体积较大，采样前又需要烦琐的校正，导致采样成本较高；采样需要动力，不适合在野外采样，尤其不适合大范围多点同时采样；由于需要采集大量的空气样品才能使目标化合物的浓度达到仪器检测限，采样设备往往要长时间连续运行，不易管[1]理。诸多不足之处都限制了主动采样器的广泛使用。被动采样是替代主动采样而诞生的一种新的采样技术。对大气中PTS的被动采样技术具有采样器结构简单、价格低廉、采样方便、不需要外加动力、适合于野外采样的优点，既可[2]以应用于大尺度的PTS空气污染研究，也可以应用于小尺度的环境空气质量监测。鉴于

4、被动采样器的诸多优点，近年来对PTS的被动采样的理论研究和应用技术引起了广泛的关注。本文就对大气中PTS的被动采样技术的最新研究进展进行概述并对今后的研究重点和应用技术进行展望。2.被动采样技术的原理所谓被动采样，就是目标物不依靠外加动力，而是借助目标物在不同环境介质中的化学[3,4]势(或逸度)差的驱动，通过扩散过程，被采样材料吸附或吸收。该扩散过程遵循费克(Fick)第一定律。为简化问题，假定采样过程中PTS在空气中的浓度恒定不变，即采样过程不影响PTS在空气中的水平。根据Whitman双膜理论，污染物在空气和采样器之间的传质过程发

5、生[5,6]在气固界面间，如图1所示。那么，总传质系数k总可分别由界面两侧的传质系数计算得到：1/k总=1/k+1/(kSKSA)(1)其中，k和kS分别是空气侧和采样器侧的传质系数，KSA是PTS在采样材料和空气间的分配系数。由于大多数PTS具有较强的脂溶性和不易挥发性，KSA远远大于k和kS，即k=k总，传质过程由空气侧传质控制。1本课题得到高等学校博士学科点专项科研基金(项目编号：20040141013)的资助。-1-http://www.paper.edu.cn图1Whitman双膜理论Fig1.Whitmantwofilmth

6、eory采样器对PTS的采样过程实际上是一个动态过程，即采样材料在富集PTS的同时，PTS也在以各种形式脱离采样材料，那么，PTS在采样材料中的浓度可用下式表示：VS(dCS/dt)=kAS(CA-CS/KSA)(2)其中，VS和AS分别为采样材料的体积和表面积，CS和CA分别为PTS在采样材料和空气中的浓度，t为采样时间。整个采样过程可以用图2表示。从图2可以看出，被动采样器对PTS的采样过程可分为三个阶段：线性阶段、曲线阶段和平衡阶段。图2被动采样器采样动力学Fig2.Samplingkineticsofpassiveairsamp

7、ler在第一阶段，即线性阶段，由于采样刚刚开始，CS较小，CS/KSA项可以忽略，那么(2)式变为：VSCS=m=kASCAt=Rt(3)其中，m为采样器采集的PTS的质量，R=kASCA，并定义R为采样器对PTS的采样率。采样率R值是评价采样器采样效果的一个重要指标，通过R值，可以看出采样器对PTS的采样效率。R值大，表明采样器可以在很短的时间内富集到足够的目标物，减少采样时间。从(3)式可以看出，当空气中PTS浓度不变的情况下，提高采样器的表面积，可以有效提高R值。这是对采样器进行改进的一个重要途径。由于扩散的驱动力就来自PTS在空

8、气和采样材料间的逸度差，所以，在采样过程中，随着PTS在采样材料的表面和内部富集，CS逐渐增大，与-2-http://www.paper.edu.cn空气的逸度差逐渐减小，采样率R也必定逐渐减小直至达到平衡