倪佐濤, 刁新源, 張宗兵, 叢石磊, 孫 毅, 陳 釗

一種移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室的設(shè)計

倪佐濤1, 2, 刁新源1, 2, 張宗兵1, 2, 叢石磊1, 2, 孫 毅1, 2, 陳 釗1, 2

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學(xué)院海洋大科學(xué)研究中心, 山東 青島 266071)

痕量元素及其同位素采集、預(yù)處理和分析在海洋研究中具有重要的作用, 由于含量極低, 在采樣、樣品預(yù)處理及分析過程中容易受到外界污染源沾污。通過在一個20尺標(biāo)準(zhǔn)超高集裝箱內(nèi)制作一套移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室, 完成對實驗室空間設(shè)計、空氣質(zhì)量控制, 樣品快速轉(zhuǎn)移, 實現(xiàn)水樣上船后快速進(jìn)入到潔凈環(huán)境中, 減少樣品暴露在大氣中時間, 在潔凈環(huán)境中高效完成樣品取樣、過濾和預(yù)處理等操作。所有操作滿足GEOTRACES組織有關(guān)痕量元素采集的規(guī)范要求, 從源頭上保證分析測試結(jié)果的可靠性。

海水痕量元素; 潔凈采集; 移動實驗室

痕量元素及其同位素在海洋生物地球化學(xué)研究方面扮演著至關(guān)重要的角色, 對于認(rèn)識全球環(huán)境變遷具有十分重要的意義[1]。痕量元素及其同位素采集、預(yù)處理和分析在海洋研究中具有重要的作用, 是諸多重要科學(xué)問題解答的重要數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。但是, 當(dāng)科學(xué)家們審慎地評估文獻(xiàn)中痕量元素的濃度報道時, 發(fā)現(xiàn)海洋中的痕量金屬含量發(fā)生了數(shù)量級水平的下降, 這說明早期文獻(xiàn)中報導(dǎo)的痕量金屬含量在采樣、樣品預(yù)處理及分析過程中受到了明顯的沾污, 其中海洋考察船自身、鋼纜、采樣設(shè)備中的金屬器件對于海洋中溶解態(tài)痕量金屬的沾污顯得尤為重要[3]。

目前制約我國痕量元素及其同位素海洋生物地球化學(xué)研究的瓶頸是如何解決采樣及預(yù)處理過程的沾污問題, 因為這一環(huán)節(jié)是分析化學(xué)整個流程的開端, 如果存在沾污的影響則后續(xù)的分析再精確也沒有意義。為了避免沾污, 研發(fā)專用采樣設(shè)備、減少采樣流程環(huán)節(jié)、進(jìn)行裝備集成化一體化設(shè)計是解決這一技術(shù)問題的可行思路。近年來, 國內(nèi)外海洋科學(xué)研究機(jī)構(gòu)也嘗試海水痕量元素潔凈采集系統(tǒng)的研發(fā)。其中有報道的國外比較成功的有荷蘭海洋研究所的相關(guān)裝備, 該設(shè)備設(shè)計先進(jìn), 測試結(jié)果準(zhǔn)確, 但是該設(shè)備采用矩形結(jié)構(gòu), 采水作業(yè)所需操作空間較大, 一個獨立集裝箱無法同時完成采樣、樣品預(yù)處理及分析作業(yè), 現(xiàn)在非商業(yè)化產(chǎn)品[4]。國內(nèi)廈門大學(xué)通過全套設(shè)備的進(jìn)口搭建了包含8 km長Vectran凱夫拉傳輸電纜及配套絞車、痕量元素專用的潔凈采樣CTD及葵花采水器、24個12 L痕量采水瓶和2個潔凈集裝箱的集成潔凈痕量元素采樣及預(yù)處理系統(tǒng), 目前已經(jīng)在廈門大學(xué)的“嘉庚”號科考船應(yīng)用[5]。但是, 該套系統(tǒng)樣品采集和預(yù)處理及在線樣品分析依然是處于兩個獨立的集裝試驗箱中, 在樣品轉(zhuǎn)移過程中依然存在沾污風(fēng)險, 且過程需要人工搬運增加勞動負(fù)荷, 所占空間和集成化程度依然具有巨大的改進(jìn)空間。此外, 截止到目前為止, 國內(nèi)其他科考船沒有符合GEOTRACES標(biāo)準(zhǔn)的船載的潔凈實驗裝備, 樣品采集完成以后需要在自行搭建的簡易潔凈室內(nèi)完成樣品的過濾及酸化等預(yù)處理環(huán)節(jié), 通常潔凈實驗室距離甲板較遠(yuǎn), 需要將采水瓶搬運至實驗室內(nèi)完成后續(xù)操作,中間環(huán)節(jié)會帶來潛在沾污的可能性。

目前, 痕量元素及同位素化學(xué)海洋學(xué)研究掌握在美國、加拿大、日本等少數(shù)發(fā)達(dá)國家手中, 數(shù)據(jù)必須經(jīng)過在GEOTRACES已經(jīng)驗證過的站點中進(jìn)行樣品采集與分析, 數(shù)據(jù)與已有數(shù)據(jù)進(jìn)行對比, 只有一致才能獲得GEOTRACES的認(rèn)可, 即采樣設(shè)備、采樣方法、分析實驗每個環(huán)節(jié)都符合要求, 才能獲得GEOTRACES承認(rèn)的數(shù)據(jù)。由于沒有被認(rèn)可的潔凈采集及分析設(shè)備, 在已經(jīng)公布的GEOTRACES斷面和站點中, 我國只有廈門大學(xué)進(jìn)行了少量站點的樣品采集。因此制作一套高度集成的船載移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室, 可避免因設(shè)備沾污對分析測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響, 提高采樣過程的可靠性, 從源頭上保證分析測試結(jié)果的可靠性, 對于提升我國在在痕量元素及同位素化學(xué)海洋學(xué)研究領(lǐng)域的能力具有重要的意義。

1 移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室設(shè)計

本文根據(jù)上述問題, 按照痕量采集潔凈度要求設(shè)計移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室。實驗室集中于一個20尺集裝箱內(nèi), 分為設(shè)備間、風(fēng)淋室、潔凈實驗室、采水器間四部分, 采用二層設(shè)計, 設(shè)備間位于移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室頂部空間, 采水器間、潔凈實驗室和風(fēng)淋間位于集裝箱下部。其中, 采水器間位于集裝箱右部, 潔凈實驗室位于采水器間左部, 兩部分中間為風(fēng)淋間。集裝箱右端開門, 內(nèi)外設(shè)置運送軌道。如圖1所示。

移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室安裝在船舶甲板上, 采水作業(yè)時采水器上船后落于滑軌式可移動采水器架旋轉(zhuǎn)底座上, 通過運送軌道、滑動軌道將采水器推入到采水器間, 撤掉運輸軌道, 關(guān)閉集裝箱門, 空氣潔凈系統(tǒng)工作。快速空氣凈化系統(tǒng)在30 min內(nèi)將采水器間空氣凈化到千級潔凈度, 試驗人員進(jìn)入采水器間完成水樣采樣工作, 水樣采集完畢后送到潔凈實驗室用于樣品后續(xù)預(yù)處理過程。采集水樣期間采水器架可以在旋轉(zhuǎn)底座上自由旋轉(zhuǎn), 避免了每次樣品采集完成后需要將采水瓶從采水器架上取下并搬至潔凈實驗室的繁重操作, 降低了試驗人員體力要求, 提高工作效率。

圖1 移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室平面設(shè)計圖

2 高效的空氣質(zhì)量系統(tǒng)

符合需要并滿足GEOTRACES組織有關(guān)痕量元素采集的規(guī)范要求的空氣系統(tǒng)是整個實驗室能否滿足要求的第一要素。為此, 整個集裝箱內(nèi)空氣質(zhì)量均為千級, 滿足GEOTRACES組織有關(guān)痕量元素采集的規(guī)范要求的空氣質(zhì)量。

2.1 室內(nèi)氣流組織

潔凈實驗室空氣質(zhì)量為千級, 獨立凈化空氣, 控溫, 控濕, 頂部送風(fēng), 底部回風(fēng)上排(如圖2所示),空氣內(nèi)循環(huán)和部分新風(fēng)(新風(fēng)率20%~30%)氣體在經(jīng)過室外高效處理系統(tǒng)后, 通過靜壓箱送到各個出風(fēng)口, 室內(nèi)出風(fēng)口出風(fēng)均勻, 全室層流, 出風(fēng)口和回風(fēng)口布局設(shè)計上采用上送側(cè)下回的氣流組織形式。潔凈實驗室內(nèi)設(shè)2個高效送風(fēng)口, 集中布置于吊頂中, 回風(fēng)口設(shè)在側(cè)墻下方(實驗臺一側(cè)), 使空氣回收到空氣過濾系統(tǒng)中。采水器艙門關(guān)閉后靜置約30 min后空氣質(zhì)量可以達(dá)到千級要求, 達(dá)到水樣采集空氣標(biāo)準(zhǔn)[6]。

2.2 壓力梯度控制

壓力梯度由新風(fēng)量和排風(fēng)量的大小控制, 新風(fēng)量根據(jù)實驗要求來確定, 排風(fēng)量則由室內(nèi)可能產(chǎn)生的污染氣體、其他通風(fēng)設(shè)備的排風(fēng)量以及壓力梯度共同確定。潔凈實驗室和采水器間為千級潔凈度, 為了避免潔凈實驗室房間塵埃粒子超標(biāo), 潔凈實驗室、采水器間與風(fēng)淋室之間保證一定的正壓, 一般不低于5 Pa; 潔凈房間與風(fēng)淋間之間保證不小于10 Pa的壓差[7]。

圖2 空氣循環(huán)系統(tǒng)示意圖

2.3 風(fēng)淋間設(shè)置

風(fēng)淋室是實驗人員從室外進(jìn)入潔凈區(qū)的第一道屏障, 人員進(jìn)入潔凈區(qū)之前需經(jīng)過風(fēng)淋室, 在風(fēng)淋室內(nèi)經(jīng)高速氣流吹落人體表面塵埃粒子, 盡可能避免將大粒徑塵埃粒子帶入潔凈室, 延長潔凈室內(nèi)高效過濾器的使用壽命。

3 采水器快速入箱設(shè)計

采水器上船后, 船舶上空氣中的微量元素會對采水器外壁產(chǎn)生污染。減少采水器在甲板的停留時間, 可有效降低采水器污染幾率, 為采集的樣品符合GEOTRACES組織有關(guān)痕量元素采集的規(guī)范要求提供保障。為此我們設(shè)計了滑軌式可移動采水器架旋轉(zhuǎn)底座可以快速將采水器架運送到潔凈實驗室集裝箱內(nèi)。

快速入箱系統(tǒng)共有2組滑軌和2組托盤小車組成, 分別為運送軌道、滑動軌道、底盤小車和托盤小車。底盤小車可以在運送軌道上滑動, 滑動軌道分為2部分, 一部分位于底盤小車上, 一部分位于集裝箱內(nèi), 兩部分可以進(jìn)行拼接。在采水器間墻上有CTD采水器架牽引繩吊點, 高度與CTD架子的重心持平, 通過外置絞車, 可以快速完成采水器架進(jìn)出采水器間。

海上作業(yè)時, 絞車將CTD采水器組件吊裝放置在托盤小車上, 通過牽引繩, 底盤小車通過運送軌道組將托盤小車運送到集裝箱門口(圖3), 由四連桿送軌裝置將帶45°斜面的滑動軌道與集裝箱內(nèi)的帶45°斜面的運送軌道組2對接, 底盤小車移動到集裝箱內(nèi)。底盤小車回退, 滑動軌道分開, 集裝箱關(guān)門, 采水器間進(jìn)行空氣凈化(圖4)。

圖3 托盤小車運送系統(tǒng)

4 結(jié)論

通過采取合理分區(qū)、采水器快速入箱及符合要求的空氣凈化系統(tǒng)等設(shè)計完成的移動式海水痕量元素潔凈采集實驗室, 滿足痕量元素樣品采集、預(yù)處理及分析過程中的質(zhì)量控制, 有效的減少樣品出水后轉(zhuǎn)移過程中的污染, 避免采集、分析處理過程中帶來的沾污影響, 達(dá)到痕量元素樣品采集的要求, 從源頭上保證分析測試結(jié)果的可靠性, 可應(yīng)用于海洋生物地球化學(xué)研究領(lǐng)域, 對于提升我國在在痕量元素及同位素化學(xué)海洋學(xué)研究領(lǐng)域的能力具有重要的意義。

圖4 對軌后送入集裝箱潔凈實驗室

[1] Anderson R F, Henderson G M. GEOTRACES gathers speed[J]. Global Change News Letter, 2004, 60: 10-13.

[2] Martin J H, Fitzwater S E. Iron-deficiency limits phytoplankton growth in the Northeast Pacific Subarctic[J]. Nature, 1988, 331(6154): 341-343.

[3] 張經(jīng). 化學(xué)海洋學(xué)的無機(jī)痕量分析—思考與實踐[M]. 青島: 青島海洋大學(xué)出版社, 2002: 125. Zhang Jing. Inorganic Trace Analysis in Chemical Oceanography-Consideration and Practice[M]. Qingdao: Qingdao Ocean University Publishing House, 2002: 125.

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[6] 汪洪軍, 王健. 先進(jìn)測量潔凈實驗室概念設(shè)計探討[J].潔凈與空調(diào)技術(shù), 2011, 4: 12-14. Wang Hongjun, Wang Jian. Discussion on Conceptual Design of Advanced Measurement Clean Laboratory[J]. Clean and Air-conditioning Technology, 2011, 4: 12-14.

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[8] 許鐘麟. 潔凈室設(shè)計[M]. 北京: 地震出版社, 1998: 59-92.Xu Zhonglin. Design of Clean Room[M]. Beijing: Earthquake Publishing House, 1998: 59-92.

Design of a mobile clean collection laboratory for trace elements in seawater

NI Zuo-tao1, 2, DIAO Xin-yuan1, 2, ZHANG Zong-bing1, 2, CONG Shi-lei1, 2, SUN Yi1, 2, CHEN Zhao1, 2

(1. Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China; 2. Center for Ocean Mega-Science, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

The collection, pretreatment, and analysis of trace elements and their isotopes play an important role in marine research. However, samples are easily contaminated by external pollution sources in the process of sampling, sample pretreatment, and analysis because of their minute quantities. A mobile clean collection laboratory for the study of trace elements in seawater was developed in a 20-foot standard super high container. The laboratory space design, air quality control, and sample rapid transfer have been completed. After boarding the ship, water samples can enter the clean environment quickly, reducing exposure time of the samples in the atmosphere and efficiently completing the sampling, filtering and pretreatment of the sample in a clean environment. All operations meet the requirements of GEOTRACES for trace element acquisition, ensuring the reliability of analysis and test results from the source.

trace elements in seawater; clean collection; mobile laboratory

Jan. 22, 2019

P751

A

1000-3096(2020)06-0137-04

10.11759/hykx20190122001

2019-01-22;

2019-03-20

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC1400806); “科學(xué)”號高端用戶項目(KEXUE2019GZ01)

[National Key R&D Program of China, No. 2016YFC1400806; High-end users Program of “Kexue”, No.KEXUE2019GZ01]

倪佐濤(1975-), 山東青島人, 漢族, 高級工程師, 碩士, 研究方向為海洋環(huán)境工程, 電話: 0532-82898736, E-mail: nizuotao07@qdio.ac.cn; 刁新源,通信作者, 正高級工程師, 主要從事海洋環(huán)境調(diào)查, 電話: 0532-82896905, E-mail: diaoxinyuan@qdio.ac.cn

(本文編輯: 李曉燕)