Optimalizace, kalibrace a terénní testování pasivních vzorkovacích zařízení pro monitoring polárních organických látek.

Mgr. Jakub Urík, Ph.D.

Doctoral thesis

Optimisation, calibration and field testing of passive sampling devices for monitoring of polar organic compounds

Abstract:

Pasivní vzorkování polárních organických látek ve vodě je v současnosti rychle se rozvíjející oblastí, která však čelí mnohým výzvám. Tato práce se zabývá použitím hydrogelu jako difúzní vrstvy v pasivních vzorkovačích s cílem snížit vliv hydrodynamických podmínek na proces vzorkování. V úvodu práce, který tvoří první kapitolu, je popsána základní teorie pasivního vzorkování a charakteristika dvou typů pasivních vzorkovačů: Nejčastěji používaného POCIS a slibně se rozvíjejících vzorkovačů na bázi hydrogelu, jako je o-DGT. Druhá kapitola pojednává o rozsáhlé terénní kampani s použitím POCIS, přičemž identifikuje jeho terénní pracovní charakteristiky a nedostatky. Ve třetí kapitole je představen nový design vzorkovače na bázi hydrogelu s cílem překonat některé z nedostatků běžně používaných vzorkovačů. Čtvrtá kapitola je věnována popisu laboratorních měření difúzních koeficientů, které je možné použít pro kvantitativní odhad vzorkovací rychlosti vzorkovačů na bázi hydrogelu. V páté kapitole pak následuje ověření účinnosti nového designu vzorkovače při vzorkování širokého spektra látek na odtoku z čistírny odpadních vod. I když mnoho problémů s pasivním vzorkováním polárních látek zůstává nevyřešeno, navrhovaný design vzorkovače úspěšně naplnil cíle vytyčené pro jeho použití a osvědčil se jako efektivní nástroj pro sledování širokého spektra polárních látek. Vzorkovač vykazuje potenciál i pro další vývoj a poskytuje základ pro budoucí snahy o řešení zbývajících problémů pasivního vzorkování, například jak zmírnit vliv dalších faktorů prostředí na vzorkovací rychlost, zvýšit odolnost vzorkovače při dlouhých expozicích, nebo snížit jeho limity detekce.

Abstract:

Passive sampling of polar organic compounds in water is currently a fast-developing topic and faces several challenges. This thesis deals with the approach of utilising hydrogel as a diffusive layer in the passive samplers in order to minimise the effect of hydrodynamic conditions on samplers’ performance. General passive sampling theory is described in the introduction (Chapter 1) along with the characterisation of two types of passive samplers: the most popular POCIS, and the promising hydrogel-based samplers, such as o-DGT. Chapter 2 then depicts an extensive field campaign using POCIS and identifies its field performance characteristics and limitations. In Chapter 3, a novel design of a hydrogel-based sampler is introduced, that attempts to overcome the known limitations of currently widely applied passive samplers. Chapter 4 is devoted to the description of laboratory measurements of diffusion coefficients used for sampling rate estimation for the hydrogel-based samplers. Finally, an application of the sampler in wastewater treatment plant effluent with a wide-scope target screening follows in Chapter 5. Although many issues of passive samplers of polar compounds remain unresolved, the proposed sampler design proved successful in its aim and presents a useful tool for monitoring of a large spectrum of polar compounds. The sampler also has a potential for further development and provides a basis for future attempts to tackle additional issues of passive sampling, e.g. address the effects of other environmental conditions, increase performance stability during long exposure periods, and lower the detection limits.

Keywords

Passive sampling, Water, Polar organic compounds, Diffusion, DGT, POCIS, Pasivní vzorkování, Voda, Polární organické látky, Difuze, Hydrogel

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 9. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 19. 11. 2020
• Supervisor: doc. Ing. Branislav Vrana, PhD.
• Reader: Ian J. Allan, PhD., Kees Booij, PhD.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Environmental Health Sciences / Environmental chemistry and toxicology