一种原位土壤孔隙水取样器及取样方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种原位土壤孔隙水取样器及取样方法和应用。本发明专利技术的原位土壤孔隙水取样器，包括导管，至少两个二级扩散抑制器，间隔设置于所述导管的内部；纳米中空纤维膜，套设于所述导管的外部，且位于相邻的两个所述二级扩散抑制器之间；以及两个导管帽，分别可拆卸地设置于所述导管的两端。本发明专利技术的原位土壤孔隙水取样器，不堵膜，可重复利用，对孔隙水的扰动较小，能极大地保留湿地土壤孔隙水中元素的原状性；将其用于原位土壤孔隙水中元素的分析时，可以在3分钟内完成对元素的种类、含量的测试，检测限低，可直接用于监测多种元素在湿地生态系统中的时空分布，可广泛用于土壤中元素的转化和迁移研究。

【技术实现步骤摘要】
一种原位土壤孔隙水取样器及取样方法和应用
本专利技术属于孔隙水采集
，涉及一种原位土壤孔隙水取样器及取样方法和应用。
技术介绍
湿地土壤是湿地生态系统的重要组成部分，当污染物通过自然或人为因素汇集到湿地内，并逐渐积累在土壤沉积物表面时，外界环境的改变可能会引起污染物在孔隙水中含量以及形态的改变，从而引起其毒性的变化。以重金属为例，重金属元素在土壤孔隙水中的含量具有明显的空间异质性和动态变化性，相关研究能够为解析湿地土壤重金属行为，以及降低其毒性提供关键参考。而污染物在湿地土壤孔隙水中的时空分布研究，显著地受到分析方法的制约。在早期的土壤剖面研究中，通常先取一定深度的土柱，并立即在厌氧条件下将土柱冷冻，随后在厌氧和低温条件下对土柱进行切割，最后采用浸提或离心法分离孔隙水，研究元素随土壤剖面的分布规律(RateringS,SchnellS.Biogeochemistry,1998,3(2):341-357.)。但土壤切片分层法的空间分辨率有限(厘米以上)，操作复杂，需要破坏性取样，且取样过程易受氧气的影响。CN102109422A公开了一种手持式土壤孔隙水采样器，其由地上单元和地下单元组成；地上单元由手动真空发生器和取样器组成，地下单元由过滤器组成；手持式土壤孔隙水采样器，可在现场手动使真空发生器产生真空，不需要电力，特别适用于野外作业；通过真空发生器、取样器和过滤器进行组合，即可完成一次取样；然后，只需更换取样器即可进行下一次取样，操作方便；整个取样过程中，样品不与地上负压产生装置接触，避免了样品水质受玷污的风险。但是，该专利技术的手持式土壤孔隙水采样器采集的水样是一片区域内的水样，空间分辨率低，且取样过程易受氧气影响。为了尽可能减少采样过程对样品性质的影响，原位的孔隙水采样技术逐渐成为主流。其中土壤溶液采样器(Rhizonsampler)应用最为广泛。现有技术中的土壤孔隙水采样器主要由一根中空纤维膜和一个泵或者注射器组成。土壤孔隙水在泵或者注射器提供的负压下，透过0.22或0.45微米孔径的中空纤维膜进入收集管或折射器中。当多根采样器按深度不同平行放置时，可采集不同深度的土壤孔隙水，分析结果能反映出土壤孔隙水的元素空间变化(Seeberg-ElverfeldtJ.,etal.Limnology&OceanographyMethods,2005,3(8):361-371.)。但是，土壤溶液采样器法的空间分辨率不高且不确定，对土水界面元素分布的实际应用不多。另外，土壤溶液采样器多次使用后，中空纤维膜上的滤孔会逐渐被堵塞而造成取样困难，因此其对元素动态变化的研究能力有限。微电极技术可以提供微米级的元素剖面分布图。微电极法可以在很短的时间内给出元素信号的响应，是一种很好地分析元素动态变化的工具(Nielsen,L.P.,etal.Nature463.7284(2010):1071-1074.)。目前较为成熟的微电极有O2、H2S和pH微电极等，但是微电极技术可分析的元素有限，检测限低。并且，玻璃材质的电极在使用过程中极易损坏，成本高昂。相对于以上几种方法，薄膜扩散平衡(DET)探针技术和薄膜扩散梯度(DGT)探针技术是分辨率更高的原位采样方法。DET探针技术在土壤中植入一块水凝胶(扩散层)，当孔隙水与水凝胶达到平衡后，将水凝胶取出用于后续分析。DGT技术在DET的基础上，增加了一个吸附层，可富集土壤中的痕量元素(DavlsonW,ZhangH.Nature,1994,367(6463):546-548.)。但是，DET探针和DGT探针均只能一次使用，且取样过程对样品有一定影响。这使得DGT探针技术和DET探针技术在分析原位监测待测物的动态变化时并不理想。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种原位土壤孔隙水取样器，不堵膜，可重复利用，对孔隙水的扰动较小，能极大地保留湿地土壤孔隙水中元素的原状性。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：一种原位土壤孔隙水取样器，包括：导管，至少两个二级扩散抑制器，间隔设置于所述导管的内部；纳米中空纤维膜，套设于所述导管的外部，且位于相邻的两个所述二级扩散抑制器之间；以及两个导管帽，分别可拆卸地设置于所述导管的两端。本专利技术中，用于湿地土壤孔隙水水样的采集时，导管中充满载液，水样中的重金属离子由于浓度差透过纳米中空纤维膜扩散至纳米中空纤维膜的内部空间中，两个二级扩散抑制器可以抑制纳米中空纤维膜中离子向导管中扩散，导管帽可以起到保护导管以及防止土壤污染导管的作用，取样完成后，孔隙水水样即储存于两个二级扩散抑制器之间的空间中。相对普通的孔隙水采样器，本专利技术的原位土壤孔隙水取样器实现了土壤孔隙水的被动采样和主动进样在同一根中空纤维膜中完成。采用本专利技术的原位土壤孔隙水取样器取样，对孔隙水的扰动较小，能极大地保留土壤孔隙水中元素的原状性，并且不需要对采集样品进行额外处理和储藏，避免了样品处理和储藏过程中可能引入的污染，可以在较短的时间内完成对多元素含量的测试，可直接用于监测元素在湿地生态系统中的时空分布，可用于土壤中元素的转化和迁移研究。其中，在所述导管内，相邻两个所述二级扩散抑制器之间的容积为10～100μL，例如容积为10μL、20μL、30μL、40μL、50μL、60μL、70μL、80μL、90μL、100μL，若两个所述二级扩散抑制器之间的容积高于100μL时，则需配置较长的纳米中空纤维膜(＞50mm)，会引起取样器尺寸过大，且进样压力过大，造成进样时漏液严重；若两个所述二级扩散抑制器之间的容积低于20μL时，会导致分析测试的样品量不足。优选地，所述二级扩散抑制器的内径为0.2～0.5mm，例如二级扩散抑制器的内径为0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm、0.5mm，优选为0.3mm，所述二级扩散抑制器的外径为0.5～1.5mm，例如二级扩散抑制器的外径为0.6mm、0.65mm、0.7mm、0.75mm、0.8mm、0.85mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm，优选为1.0mm。优选地，相邻两个所述二级扩散抑制器之间的纳米中空纤维膜的表面积与每个所述二级扩散抑制器的横截面积比为(800～1600):1，例如纳米中空纤维膜的表面积与每个所述二级扩散抑制器的横截面积比为800:1、900:1、1000:1、1100:1、1200:1、1300:1、1400:1、1500:1、1600:1，根据菲克扩散定律，较小的二级扩散抑制器截面积能够有效地抑制溶质从纳米中空纤维膜向导管扩散。本专利技术中，所述导管为硅胶导管、聚四氟乙烯导管和PVC导管中的一种。优选地，所述导管的内径为0.5～1.5mm，例如导管的内径为0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm，优选为1.0mm，所述导管的外径为1.0～2.5mm，例如导管的外径为1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位土壤孔隙水取样器，其特征在于，包括：导管，至少两个二级扩散抑制器，间隔设置于所述导管的内部；纳米中空纤维膜，套设于所述导管的外部，且位于相邻的两个所述二级扩散抑制器之间；以及两个导管帽，分别可拆卸地设置于所述导管的两端。

【技术特征摘要】
1.一种原位土壤孔隙水取样器，其特征在于，包括：导管，至少两个二级扩散抑制器，间隔设置于所述导管的内部；纳米中空纤维膜，套设于所述导管的外部，且位于相邻的两个所述二级扩散抑制器之间；以及两个导管帽，分别可拆卸地设置于所述导管的两端。2.根据权利要求1所述的原位土壤孔隙水取样器，其特征在于，在所述导管内，相邻两个所述二级扩散抑制器之间的容积为10～100μL；优选地，所述二级扩散抑制器的内径为0.2～0.5mm，所述二级扩散抑制器的外径为0.5～1.5mm；优选地，相邻两个所述二级扩散抑制器之间的纳米中空纤维膜的表面积与每个所述二级扩散抑制器的横截面积比为(800～1600):1。3.根据权利要求1或2所述的原位土壤孔隙水取样器，其特征在于，所述导管为硅胶导管、聚四氟乙烯导管和PVC导管中的一种；优选地，所述导管的内径为0.5～1.5mm，所述导管的外径为1.0～2.5mm；优选地，所述纳米中空纤维膜为聚偏氟乙烯中空纤维膜、改性聚醚砜中空纤维膜和醋酸纤维中空纤维膜中的一种；优选地，所述纳米中空纤维膜的孔径为0.05～0.45μm，孔隙率为70～80％；优选地，所述纳米中空纤维膜的内径为0.5～1.5mm，所述纳米中空纤维膜的外径为1.0～2.5mm。4.根据权利要求1或2所述的原位土壤孔隙水取样器，其特征在于，所述导管帽为实心碳纤维材质的导管帽或U形硅胶帽；优选地，所述纳米中空纤维膜是通过粘结剂与所述导管相连接的；优选地，所述粘结剂为氰基丙烯乙酯粘结剂或环氧树脂胶。5.一种原位土壤孔隙水取样器阵列，其特征在于，所述原位土壤孔隙水取样器阵列包括至少两个如权利要求1-4任一项所述的原位土壤孔隙水取样器，至少两个所述原位土壤孔隙水取样器依序排布。6.根据权利要求5所述的原位土壤孔隙水取样器阵列，其特征在于，所述原位土壤孔隙水取样器阵列还包括面板，至少两个所述原位土壤孔隙水取样器依序排列在所述面板上，每个所述原位土壤孔隙水取样器的两端朝上设置。7.根据权利要求6所述的原位土壤孔隙水取样器阵列，其特征在于，所述面板包括取样面板，分别连接于所述取样面板的两侧的第一固定板和第二固定板，以及连接于所述取样面板、所述第一固定板和所述第二固定板...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈正，袁召锋，刘馥源，
申请(专利权)人：西交利物浦大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32