模擬半揮發(fā)性有機(jī)污染物在多相體系中吸附行為的裝置及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬半揮發(fā)性有機(jī) 污染物在多相體系中吸附行為的裝置及應(yīng)用。 技術(shù)背景
[0002] 關(guān)于半揮發(fā)性有機(jī)污染物（如有機(jī)氯農(nóng)藥和多環(huán)芳烴等）在水環(huán)境中分布及迀移 轉(zhuǎn)化行為的已有研究表明，它們很少以真溶解態(tài)的形式存在于水中，絕大部分與水中的各 種無(wú)機(jī)和有機(jī)的、生命和非生命的固相物質(zhì)結(jié)合，這些影響污染物環(huán)境行為的固相物質(zhì)主 要以生物膜、懸浮顆粒物和表層沉積物三種形式存在，它們與水相一起組成了決定污染物 在水體中環(huán)境行為的復(fù)雜多相體系。
[0003] 長(zhǎng)期以來(lái)，人們對(duì)水環(huán)境中的各類污染物同時(shí)在多種固相物質(zhì)共存體系中的吸附 特征研究相對(duì)較少。污染物在自然水體固相物質(zhì)上的吸附研究主要集中在特定污染物在特 定物質(zhì)或組分上的吸附規(guī)律、影響因素及吸附機(jī)理的研究。這樣的實(shí)驗(yàn)通常忽略了共存于 同一體系中作為吸附劑的多種固相物質(zhì)間的相互作用對(duì)吸附的影響。在很大程度上并不能 達(dá)到對(duì)天然條件下水環(huán)境中多相體系的真實(shí)模擬。已有研究表明，同一水體中的三種固相 物質(zhì)在一定條件下是可以相互轉(zhuǎn)化的，例如，懸浮顆粒物通常是生物膜形成的核心骨架，而 隨著生物膜的老化和脫落，生物膜的部分組分會(huì)進(jìn)入水中發(fā)生懸浮而轉(zhuǎn)化為懸浮顆粒物； 懸浮顆粒物的沉降與表層沉積物的再懸浮也是彼此形成的來(lái)源之一，此外，生物膜覆蓋于 表層沉積物表面也會(huì)導(dǎo)致兩者的相互作用及轉(zhuǎn)化。因此，污染物在三者及水相間的分配規(guī) 律必然會(huì)由于各個(gè)固相的共存而與單一的固相與水相存在時(shí)的規(guī)律有所不同。并且開(kāi)展污 染物在多相體系中環(huán)境行為研究對(duì)揭示污染物在真實(shí)水環(huán)境中的環(huán)境行為及作用機(jī)理具 有重要意義。
[0004] 本課題組于2006年研發(fā)了一種"模擬溶解態(tài)物質(zhì)在多相體系中分配行為的裝置 及應(yīng)用（專利號(hào)：ZL200610016855. 9)"，該裝置被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬研究溶解態(tài)的 污染物，特別是重金屬等無(wú)機(jī)污染物，在水環(huán)境多相體系中分配行為領(lǐng)域。然而，由于半揮 發(fā)性有機(jī)污染物不同于重金屬等無(wú)機(jī)污染物，其具有揮發(fā)性，會(huì)在開(kāi)放體系中由于揮發(fā)作 用而導(dǎo)致其在體系中損失。此外，有機(jī)污染物更易于被各種材料（如濾膜、有機(jī)玻璃等）所 吸持。因此，目前并沒(méi)有一種能夠適用于開(kāi)展半揮發(fā)性有機(jī)污染物在多相體系中吸附行為 研究的模擬多相體系裝置。理想情況下的該類裝置除能夠?qū)λ嘀械母鱾€(gè)固相物質(zhì)進(jìn)行隔 離、溶解性物質(zhì)能在整個(gè)體系內(nèi)平衡分布外，還應(yīng)避免體系中的有機(jī)污染物受其他作用的 影響而導(dǎo)致?lián)p失。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)驗(yàn)裝置，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置可以隔離水相中多種固相物 質(zhì)，并能使半揮發(fā)性有機(jī)污染物在該裝置中的各相間達(dá)到分配平衡，進(jìn)而通過(guò)此裝置對(duì)該 類污染物在水環(huán)境多相體系中的吸附行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬研究。
[0006] 本發(fā)明能夠人工模擬在水環(huán)境中某種半揮發(fā)性有機(jī)污染物，如滴滴涕、林丹、五氯 酚等有機(jī)氯農(nóng)藥和多環(huán)芳烴等，在一至三種固相物質(zhì)間的分配行為，例如模擬天然水環(huán)境 條件下生物膜、懸浮顆粒物和表層沉積物三種固相物質(zhì)和水相共存的多相體系，能夠使各 固相物質(zhì)始終保持隔離，半揮發(fā)性有機(jī)污染物可以在體系中自由移動(dòng)，同時(shí)揮發(fā)性物質(zhì)由 于揮發(fā)作用而導(dǎo)致的在體系中的損失會(huì)受到控制，研究某半揮發(fā)性有機(jī)污染物在該多相共 存體系中各固相物質(zhì)上的吸附特征。
[0007] 本發(fā)明所述的模擬半揮發(fā)性有機(jī)污染物在多相體系中吸附行為的裝置，其由外室 和內(nèi)室組成，內(nèi)室放置在外室內(nèi)側(cè)底部，且受外室空間的限制，內(nèi)室始終保持穩(wěn)定直立狀 態(tài)，且每個(gè)內(nèi)室彼此分立；固相物質(zhì)分別加入到各內(nèi)室中，能夠保持隔離狀態(tài)；外室和內(nèi)室 中充滿事先配制好的含某種半揮發(fā)性有機(jī)污染物的水溶液至瓶滿，由密封材料對(duì)外室進(jìn)行 密封，從而減少半揮發(fā)性有機(jī)污染物從水溶液中揮發(fā)。將該實(shí)驗(yàn)裝置放置于恒溫（可控制 溫度范圍5~30°C )振蕩器中振蕩一定時(shí)間（1~15天），振蕩速率為40~lOOr/m，使污 染物在裝置中的各相間可達(dá)到分配平衡。
[0008] 進(jìn)一步地，密封材料由內(nèi)而外依次為錫紙薄膜（用途為防止有機(jī)污染，厚度為 0. 01~0. (^Smmh Paranim1' M封口膜（用途為塑形固定，型號(hào)為PM996,厚度為0. 12~ 0. 13mm)和塑料保鮮膜（用途為進(jìn)一步密封，厚度為0. 03~0. 07mm)，用橡膠皮筋對(duì)封口后 的外室瓶口進(jìn)行捆綁密封。
[0009] 進(jìn)一步地，外室是玻璃錐形瓶，個(gè)數(shù)為1，內(nèi)室是玻璃燒杯，個(gè)數(shù)為3-4個(gè)；玻璃燒 杯通過(guò)玻璃錐形瓶的瓶口，放置在玻璃錐形瓶的底部。
[0010] 利用本發(fā)明所述裝置，在實(shí)驗(yàn)室條件下模擬半揮發(fā)性有機(jī)污染物在多相體系中吸 附行為的應(yīng)用：
[0011] (1)模擬多相體系中固相物質(zhì)對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染物吸附的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)：
[0012] A、根據(jù)研究需要，向內(nèi)室中分別加入干重為3~100mg的固相物質(zhì)，緩慢加入事先 配制好的含有濃度〇~1000 y g/L的某半揮發(fā)性有機(jī)污染物的水溶液至內(nèi)、外室瓶滿；其 中，固相物質(zhì)是生物膜、懸浮顆粒物或表層沉積物；
[0013] B、用密封材料對(duì)外室瓶口進(jìn)行密封，密封材料由內(nèi)而外依次為錫紙薄膜、 Parafilml;5M封口膜和塑料保鮮膜，用橡膠皮筋對(duì)封口后的外室瓶口進(jìn)行捆綁密封；
[0014] C、制備一組上述所有條件相同的裝置，將它們放置于恒溫（可控制溫度范圍5~ 30°C )振蕩器中，根據(jù)研究要求，調(diào)節(jié)溫度和振蕩轉(zhuǎn)速等條件，每間隔30min取出一個(gè)或多 個(gè)該裝置，分別測(cè)定裝置內(nèi)液相和固相中該半揮發(fā)性有機(jī)污染物的濃度和含量，可以得出 各固相物質(zhì)對(duì)該污染物的吸附動(dòng)力學(xué)曲線。
[0015] (2)模擬多相體系中固相物質(zhì)對(duì)半揮發(fā)性有機(jī)污染物吸附的熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)：
[0016] A、根據(jù)研究要求，向內(nèi)室中分別加入干重為3~100mg的固相物質(zhì)，向不同裝置分 別緩慢加入事先配制好的含有一定濃度梯隊(duì)的某半揮發(fā)性有機(jī)污染物水溶液（例如配制 5、10、15、20、30和50 y g/L的有機(jī)氯農(nóng)藥林丹的水溶液）至內(nèi)、外室瓶滿。其中，固相物質(zhì) 為生物膜、懸浮顆粒物或表層沉積物。
[0017] B、用密封材料對(duì)外室瓶口進(jìn)行密封，密封材料由內(nèi)而外依次為錫紙薄膜、 ParafilmM封口膜和塑料保鮮膜，用橡膠皮筋對(duì)封口后的外室瓶口進(jìn)行捆綁密封。
[0018] C、將這一組實(shí)驗(yàn)裝置放置于恒溫（可控制溫度范圍5~30°C )振蕩器中，根據(jù)研 究要求，調(diào)節(jié)溫度和振蕩轉(zhuǎn)速等條件。待吸附達(dá)到平衡后，測(cè)定該組裝置內(nèi)液相和固相中該 有機(jī)污染物的濃度和含量，可以得出各固相物質(zhì)對(duì)該污染物的吸附熱力學(xué)曲線。
[0019] (3)模擬多相體系中環(huán)境因素對(duì)固相物質(zhì)吸附半揮發(fā)性有機(jī)污染物的影響實(shí)驗(yàn)：
[0020] 在上述應(yīng)用（1)和（2)的基礎(chǔ)上，利用該發(fā)明裝置可以開(kāi)展環(huán)境因素（如溫度、光 照、動(dòng)力條件、溶液化學(xué)特性等）的變化對(duì)多相體系中固相物質(zhì)吸附半揮發(fā)性有機(jī)污染物 的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)特征的影響的研究。不同的溫度、光照和動(dòng)力條件可以通過(guò)調(diào)節(jié)恒溫振 蕩器的條件進(jìn)行控制，不同的溶液化學(xué)特性（如離子強(qiáng)度、pH和共存物質(zhì)等）可以通過(guò)配 制含半揮發(fā)性有機(jī)污染物的水溶液時(shí)進(jìn)行調(diào)控。
[0021] 本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0022] (1)簡(jiǎn)單方便，利于開(kāi)展批量試驗(yàn)研究。整個(gè)裝置取材簡(jiǎn)單，組裝方便，可以在各種 實(shí)驗(yàn)條件下迅速開(kāi)展研究，能重復(fù)利用。整個(gè)裝置內(nèi)部除玻璃材質(zhì)和錫紙薄膜與含有半揮 發(fā)性有機(jī)污染物的溶解接觸外，沒(méi)有其他材料與之接觸，減少了由于其他材料與有機(jī)污染 物的作用而導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差。
[0023] (2)實(shí)用性強(qiáng)，使用范圍廣?？梢栽趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)天然水環(huán)境多相體系進(jìn)行模擬，進(jìn) 而開(kāi)展半揮發(fā)性有機(jī)污染物在多相體系中的吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)行為，以及環(huán)境因素的變 化對(duì)吸附行為、相間分配等規(guī)律的影響研究。應(yīng)用該裝置開(kāi)展上述研究有助于揭示半揮發(fā) 性有機(jī)污染物在真實(shí)水環(huán)境中的環(huán)境過(guò)程及作用機(jī)理。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1 :多相體系裝置示意圖；
[0025] 圖2 :多相體系裝置側(cè)視圖；
[0026] 圖3 :-至三種固相物質(zhì)存在于該裝置內(nèi)室中的示意圖；其中a:單固相體系；b: 雙固相共存體系；c:三固相共存體系；
[0027] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明，如圖1、2所示，是本發(fā)明所述的一種涉及多 相共存體系裝置的示意圖。該裝置包括一個(gè)外室和四個(gè)規(guī)格相同的內(nèi)室組成，外室3是一 個(gè)玻璃錐形瓶，內(nèi)室為四個(gè)規(guī)格相同的玻璃燒杯，分別為內(nèi)室4,內(nèi)室5,內(nèi)室6,內(nèi)室7,內(nèi)室 通過(guò)外室瓶口后放置于其底部，受外室空間的限制，四個(gè)內(nèi)室能夠在一定振蕩條件下保持 穩(wěn)定直立狀態(tài)。外室和內(nèi)室中充滿事先配制好的含某半揮發(fā)性有機(jī)污染物的水溶液后，由 密封材料1和橡膠皮筋2對(duì)外室進(jìn)行密封。密封材料1由錫紙薄膜、paranimK M封口膜及 塑料保鮮膜組成。如圖3所示，在四個(gè)內(nèi)室中的一個(gè)，可以放置一種固相物質(zhì)（固相物質(zhì)可 以為生物膜、懸浮顆粒物或表層沉積物之一），設(shè)計(jì)成單固相體系（圖3a);也可以在四個(gè)內(nèi) 室中的兩個(gè)，分別放置兩種固相物質(zhì)（固相物質(zhì)為生物膜、懸浮顆粒物或表層沉積物中的 兩個(gè)），設(shè)計(jì)成雙固相共存體系（圖3b);還可以在四個(gè)內(nèi)室中的三個(gè)，分別放置三種固相物 質(zhì)（固相物質(zhì)為生物膜、懸浮顆粒物和表層沉積物），設(shè)計(jì)成三固相共存體系（圖3c)。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 下列實(shí)施例將進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，但并不對(duì)本發(fā)明構(gòu)成限制。
[0029] 實(shí)施例1 :研究滴滴涕在單固相體系和三固相共存體系中的吸附特征
[0030] 研究中的表層沉積物（礦物含量和結(jié)晶化程度高，藻類、微生物及胞外聚合物含 量低）、生物膜（藻類、微生物及胞外聚合物含量高，礦物含量和結(jié)晶化程度低）和懸浮 顆粒物（同一水體中的懸浮顆粒物組分及特征介于生物膜和表層沉積物之間）樣品采集 于松花江吉林市下游江段（九站）。將附著生物膜的近岸淺層巖石從水中取出，將