一种生物型大气重金属污染检测判别装置论文和设计-禹振轩

全文摘要

本实用新型公开了一种生物型大气重金属污染检测判别装置，包括由上至下依次设置的污染元素吸附植物活体单元、腐殖质单元、元素迁移和污染元素螯合单元、离子交换单元和判别单元；通过吸附性植物活体单元对大气中重金属污染元素进行捕捉和积累，元素迁移和污染元素螯合单元与离子交换单元协同配合实现重金属元素的传输和迁移，判别单元用于判别污染情况，从而完成对于大气重金属的采集与检测，对污染状况进行检测和判别。将该装置埋设在测试地点或放置于地面上，吸附至表面植物活体出现枯萎和死亡后即可取出，通过下部判别单元的显色状态，根据色泽对照表即可对大气重金属污染状况作出判断。

主设计要求

1.一种生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，包括上部敞开的盒体（1）和上部开口的容器（2）；所述盒体（1）内由上至下依次设置有污染元素吸附植物活体单元（3）、腐殖质单元（4）、元素迁移和污染元素螯合单元（5）以及离子交换单元（6）；所述污染元素吸附植物活体单元（3）寄生于腐殖质单元（4）上，所述元素迁移和污染元素螯合单元（5）涂布于腐殖质单元（4）下表面，所述离子交换单元（6）设于盒体（1）底部；所述盒体（1）底部设有贯通孔（11），容器（2）通过贯通孔（11）与盒体（1）下表面可拆卸密封连接；所述容器（2）内设有污染元素判别单元（7）。

设计方案

2.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述盒体（1）的高度略高于腐殖质单元（4）。

3.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述盒体（1）上设置有支撑座（8）。

4.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述容器（2）为透明材料制成。

5.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述污染元素判别单元（7）为由元素信息扩展剂、判别辅助材料、稳定剂和重金属离子探针材料组成的判别溶液。

6.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述污染元素吸附植物活体单元（3）为卷尖顶胞藓、毛尖紫萼藓、多褶青藓或鳞叶藓。

7.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述的元素迁移和污染元素螯合单元（5）中的元素迁移材料为马铃薯淀粉接枝黄原酸酯、淀粉接枝丙烯酰胺或磷酸酯化淀粉。

8.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述元素迁移和污染元素螯合单元（5）中的污染元素螯合剂为乙二胺四乙酸、木屑黄原酸酯或次氮基三乙酸三钠盐。

9.根据权利要求1所述的生物型大气重金属污染检测判别装置，其特征在于，所述的离子交换单元（6）为大孔隙离子交换树脂。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及大气污染检测技术领域，更具体地，涉及一种生物型大气重金属污染检测判别装置。

背景技术

有毒重金属进入人体内的载体主要有水、空气和食物三种途径。在这三者中，尤以空气吸入、渗透的方式最需要引起关注，往往又最容易被忽视。一方面，空气是人类赖以生存、与人类活动最密切相关的环境介质，它无所不在、无时不在。另一方面，中国在大气环境保护标准中与重金属有关的标准制定相对薄弱和滞后，缺少大气重金属污染的检测和控制，也未将环境空气和污染源废气中的重金属纳入常规监测和监管项目。大气中的重金属污染通常是指吸附在大气颗粒物上的有毒有害重金属成分，其污染特征主要有以下几个方面：

（1）工业生产、建筑施工、道路交通、燃料燃烧等各种人类活动都能向大气中释放重金属，这些污染源在一定的气象条件下又进行着迁移变化，在污染本质上表现为互为源汇的特点。

（2）重金属一旦进入环境体系就成为永久性潜在污染物质，其在环境中的转化只涉及不同价态间的改变，不能被生物分解。大气重金属是向生态系统输入和富集重金属最重要的外源因子之一，而诸多重金属如镉、铬、镍等均具致癌性，最终通过直接摄入或生物食物链传递危害人类健康。

（3）大气重金属污染物能催化氧化众多化学物质，催化大气有机物的光化学反应，影响大气污染物的转化，与持久性有机污染物的协同作用还可以产生很强的协同毒理作用，危害人体健康。

目前的大气重金属污染的检测方法主要有：等离子体原子发射光谱法（ICP-AES），原子吸收光谱法（AAS），X射线荧光光谱法（XRF），原子荧光光度法（AFS），电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）等。CN201410145613.4公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的大气重金属污染物采集检测装置，利用大气重金属污染物采集系统使含有重金属元素的大气悬浮颗粒物附着于固体滤膜，在固体滤膜上形成相对稳定的气溶胶积层，气溶胶包括悬浮在大气中的各种固体微粒和液体微小颗粒。再利用激光器发出的激光光束诱导击穿固体滤膜上的气溶胶积层，形成高温等离子体，通过光谱检测系统对气溶胶产生的等离子体光谱信号进行分析，得到大气悬浮污染颗粒物中重金属元素的种类和含量信息，以确定大气的重金属污染程。然而，上述方法都仅限在实验室环境内进行检测，且都需要基于复杂的检测仪器，没办法做到户外的实时检测。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有大气重金属污染检测存在的缺陷和不足，提供一种生物型大气重金属污染检测判别装置。将该装置埋设在测试地点或放置于地面上，吸附至表面植物活体出现枯萎和死亡后即可取出，通过下部胶管的显色状态，根据色泽对照表即可对大气重金属污染状况作出判断。

本实用新型的第一个目的是提供一种生物型大气重金属污染检测判别装置。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：

一种生物型大气重金属污染检测判别装置，包括上部敞开的盒体1和上部开口的容器2；所述盒体1内由上至下依次设置有污染元素吸附植物活体单元3、腐殖质单元4、元素迁移和污染元素螯合单元5以及离子交换单元6；所述污染元素吸附植物活体单元3寄生于腐殖质单元4上，所述元素迁移和污染元素螯合单元5涂布于腐殖质单元4下表面，所述离子交换单元6设于盒体1底部；所述盒体1底部设有贯通孔11，容器2通过贯通孔11与盒体1下表面可拆卸密封连接；所述容器2内设有污染元素判别单元7。

所述盒体1用于承载本发明检测判别装置的大部分单元，同时通过盒体将各个单元与周围环境隔离开，从而防止周围环境的干扰。所述污染元素吸附植物活体单元3为吸附性植物活体单元，可通过机体对于大气中重金属元素的吸附性，将受污染空气中重金属元素吸附固定至植物活体细胞中；所述腐殖质单元4用于维持污染元素吸附植物活体单元3的生长及重金属元素迁移、交换的介质；所述元素迁移和污染元素螯合单元5由元素迁移材料和污染元素螯合剂组成，可通过水分传输的控制和交换，通过水分载体迁移和渗透压调控将植物活体细胞内的重金属元素吸附至迁移材料内，而污染元素螯合剂和离子交换单元6中的离子交换材料组成污染元素捕捉体系，将迁移材料中积累的重金属污染元素通过贯通孔11转移至污染元素判别单元7中，与判别单元7中的材料进行反应，从而进行判别。然后通过将判别单元6拆卸下来进行下一步的精确定量。

优选地，所述盒体1的高度略高于腐殖质单元4。以正好包围住腐殖质单元，且不会遮挡污染元素吸附植物活体单元3为主。

优选地，所述盒体1上设置有支撑座8，用于支撑整个大气重金属污染检测判别装置。

优选地，所述容器2为透明材料制成，便于及时观察污染元素判别单元7的的反应情况。

优选地，所述污染元素判别单元7为由元素信息扩展剂、判别辅助材料、稳定剂和重金属离子探针材料组成的判别溶液。具体地，吸附到的重金属污染元素被转移至元素信息扩展剂中，通过元素信息扩展剂的溶解、分散作用，将污染元素均匀的溶解和分散至其内部，将污染元素信息放大扩散，最后重金属离子探针材料可将元素信息扩展剂中含有的重金属污染元素信息进行接收和读取，并通过颜色途径将重金属污染元素信息进行表达，从而完成对大气中重金属污染状况的识别和检测。

更优选地，所述的元素信息扩展剂为丙酮、苯二甲酸或4-甲基-2-戊酮，极化率范围为4.2～6.5%。

更优选地，所述的判别辅助材料为阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂或阴离子型硫酸铝絮凝剂，絮凝剂表面积范围为600～1000m^{2<\/sup>\/g。}

更优选地，所述的重金属离子探针材料为腈纶基重金属离子探针、卟啉基重金属离子荧光探针或萘酰亚胺基重金属离子荧光探针，判别时间8～16s。

优选地，所述污染元素吸附植物活体单元3为卷尖顶胞藓、毛尖紫萼藓、多褶青藓或鳞叶藓，其生态位宽度范围为5cm×5cm～15cm×15cm。

优选地，所述的元素迁移和污染元素螯合单元5中的元素迁移材料为马铃薯淀粉接枝黄原酸酯、淀粉接枝丙烯酰胺或磷酸酯化淀粉；25mL吸水速率范围为23~35s，单位吸水量范围为410～720g\/g。

优选地，所述元素迁移和污染元素螯合单元5中的污染元素螯合剂为乙二胺四乙酸、木屑黄原酸酯或次氮基三乙酸三钠盐，螯合容量范围为2.2～4.3 mmol \/g。

优选地，所述元素迁移和污染元素螯合单元5分为上下两层的元素迁移单元51和素螯合单元52。

优选地，离子交换单元6为大孔隙离子交换树脂。例如D404大孔隙苯乙烯系离子交换树脂、D354大孔隙苯乙烯系离子交换树脂或D296大孔隙苯乙烯系离子交换树脂，湿润树脂的平均孔径范围为2～6nm。

本实用新型上述任一项所述生物型大气重金属污染检测判别装置的制备方法主要如下：

（1）将寄生于腐殖质的苔藓活体按尺寸切割为正方形状，将腐殖质底部进行适当平整处理，并均匀涂布定量元素迁移材料和污染元素螯合剂；

（2）在上部敞开的盒体底部先填充一层离子交换材料，再在其上面放置步骤（1）得到的各单元层，然后在盒体下表面开设一个微型孔洞；

（3）将判别辅助材料和稳定剂溶解于元素信息扩展剂内，配置成稳定的判别溶液供使用；

（4）在盒体下部的孔洞上连接一个小型密封塑质管，并在其内部填充判别溶液和重金属离子探针材料，并保证塑质管的密封，防止外界物质进入。

使用时，将该装置埋设在测试地点或放置于地面上，吸附至表面苔藓活体出现枯萎和死亡后即可取出小型密封塑质管，通过下部胶管的显色状态，根据色泽对照表即可对大气重金属污染状况作出判断。通过色泽对照表，可得到大气重金属污染状况的相对定量分析结果，更近一步地，可以将判别溶液取出，通过检测仪器进行更精确的定量分析。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型提供了一种生物型大气重金属污染检测判别装置，通过吸附性植物活体对大气中重金属污染元素进行捕捉和积累，通过离子交换材料和元素迁移材料的协同配合实现重金属元素的传输和迁移，元素信息扩大材料能够将重金属元素微信息进行扩大，并通过重金属离子探针材料、判别辅助材料及稳定剂等组成的判别体系读取和判别大气重金属污染元素，从而完成对于大气重金属污染状况的检测和判别。将该装置埋设在测试地点或放置于地表面，吸附至表面植物活体出现枯萎和死亡后即可取出，通过下部胶管的显色状态，根据色泽对照表即可对大气重金属污染状况作出判断。本实用新型所述装置集污染元素采集及检测于一体，所述检测装置结构简单，且无需额外的仪器检测分析，检测结果一目了然；本实用新型的检测装置以生物活体为载体，具有较高的环保属性，不需要额外供能，非常适用于户外大气重金属污染的实时监测。

附图说明

图1为本实用新型生物型大气重金属污染检测判别装置的示意图。

图2为本实用新型实施例1的生物型大气重金属污染检测判别装置的示意图。

图3为本实用新型实施例1元素迁移和污染元素螯合单元的具体结构示意图。

图注：1-盒体；2-容器；3-污染元素吸附植物活体单元；4-腐殖质单元；5-元素迁移和污染元素螯合单元；6-离子交换单元；7-污染元素判别单元；8-支撑座；11-贯通孔；51-元素迁移单元；52-元素螯合单元。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本实用新型，但实施例并不对本实用新型做任何形式的限定。

实施例1

如图2、3所示，一种生物型大气重金属污染检测判别装置，包括上部敞开的盒体1和上部开口的透明密封塑质管2；所述盒体1内由上至下依次设置有污染元素吸附植物活体单元3、腐殖质单元4、元素迁移和污染元素螯合单元5以及离子交换单元6，所述盒体1的高度与腐殖质单元4上表面齐平；所述污染元素吸附植物活体单元3寄生于腐殖质单元4上，所述元素迁移和污染元素螯合单元5涂布于腐殖质单元4下表面，元素迁移和污染元素螯合单元5分为上下两层的元素迁移单元51和元素螯合单元52；所述离子交换单元6填充设于盒体1底部；所述盒体1底部设有贯通孔11，透明密封塑质管2通过贯通孔11与盒体1下表面可拆卸密封连接；所述容器2内设有污染元素判别单元7，所述污染元素判别单元7为由元素信息扩展剂、判别辅助材料、稳定剂和重金属离子探针材料组成的判别溶液。同时，在所述盒体1上设置有支撑座8，用于支撑整个大气重金属污染检测判别装置。

作为一种优选地可实施方式，所述污染元素吸附植物活体单元3为卷尖顶胞藓、毛尖紫萼藓、多褶青藓或鳞叶藓，其生态位宽度范围为5cm×5cm～15cm×15cm。

作为一种优选地可实施方式，所述的元素迁移和污染元素螯合单元5中的元素迁移材料为马铃薯淀粉接枝黄原酸酯、淀粉接枝丙烯酰胺或磷酸酯化淀粉；25mL吸水速率范围为23～35s，单位吸水量范围为410～720g\/g。

作为一种优选地可实施方式，所述元素迁移和污染元素螯合单元5中的污染元素螯合剂为乙二胺四乙酸、木屑黄原酸酯或次氮基三乙酸三钠盐，螯合容量范围为2.2～4.3mmol \/g。

作为一种优选地可实施方式，所述的离子交换单元6为大孔隙离子交换树脂。例如D404大孔隙苯乙烯系离子交换树脂、D354大孔隙苯乙烯系离子交换树脂或D296大孔隙苯乙烯系离子交换树脂，湿润树脂的平均孔径范围为2～6nm。

作为一种优选地可实施方式，所述的元素信息扩展剂为丙酮、苯二甲酸或4-甲基-2-戊酮，极化率范围为4.2～6.5%。

作为一种优选地可实施方式，所述的判别辅助材料为阴离子型聚丙烯酰胺絮凝剂或阴离子型硫酸铝絮凝剂，絮凝剂表面积范围为600～1000m^{2<\/sup>\/g。}

作为一种优选地可实施方式，所述的重金属离子探针材料为腈纶基重金属离子探针、卟啉基重金属离子荧光探针或萘酰亚胺基重金属离子荧光探针，判别时间8～16s。

所述盒体用于承载本发明检测判别装置的大部分单元，同时通过盒体将各个单元与周围环境隔离开，从而防止周围环境的干扰。所述污染元素吸附植物活体单元为吸附性植物活体单元，可通过机体对于大气中重金属元素的吸附性，将受污染空气中重金属元素吸附固定至植物活体细胞中；所述腐殖质单元用于维持污染元素吸附植物活体单元的生长及重金属元素迁移、交换的介质；再通过水分传输的控制和交换，通过水分载体迁移和渗透压调控将植物活体细胞内的重金属元素吸附至元素迁移单元内，而污染元素螯合单元和离子交换单元中的离子交换材料组成污染元素捕捉体系，将元素迁移单元中积累的重金属污染元素通过贯通孔转移至污染元素判别单元中；吸附到的重金属污染元素被转移至元素信息扩展剂中，通过元素信息扩展剂的溶解、分散作用，将污染元素均匀的溶解和分散至其内部，将污染元素信息放大扩散，最后重金属离子探针材料可将元素信息扩展剂中含有的重金属污染元素信息进行接收和读取，并通过颜色途径将重金属污染元素信息进行表达，从而完成对大气中重金属污染状况的识别和检测。

所述生物型大气重金属污染检测判别装置的制备方法主要如下：

（1）将寄生于腐殖质的苔藓活体按尺寸切割为正方形状，将腐殖质底部进行适当平整处理，并均匀涂布定量元素迁移材料和污染元素螯合剂；

（2）在上部敞开的盒体底部先填充一层离子交换材料，再在其上面放置步骤（1）得到的单元层，然后在盒体下表面开设一个微型孔洞；

（3）将判别辅助材料和稳定剂溶解于元素信息扩展剂内，配置成稳定的判别溶液供使用；

（4）在盒体下部的孔洞上连接一个小型密封塑质管，并在其内部填充判别溶液和重金属离子探针材料，并保证塑质管的密封，防止外界物质进入。

利用本实用新型的生物型大气重金属污染检测判别装置能够对大气中的重金属污染元素进行良好的判别和检测，重金属元素迁移、交换过程稳定，重金属元素检测反应迅速，显色稳定所需时间短，能够快速识别大气中重金属污染元素类型，并对污染程度作出基本的判定和评价，具有良好的大气重金属污染检测和评价效果，同时，该类材料以生物活体为载体，具有较高的环保属性。本实用新型对于大气环境检测和保护具有极为重要的意义，实用新型具有明显的创新性。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何限制，凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。

设计图

一种生物型大气重金属污染检测判别装置论文和设计

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