一種封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置制造方法

一種封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，包括供液單元、平行實驗單元、廢液回收單元、封閉式組合柜和廢氣回收單元，其中，供液單元為平行試驗單元提供溶液，可以控制出液的流量或水頭；平行實驗單元用于地下水溶質遷移模擬平行實驗，實驗溶質遷移過程通過取樣監測；廢液回收單元用于回收實驗產生的廢水。封閉式組合柜組成密閉空間，防止有毒揮發性污染溶質氣體擴散，廢氣回收裝置用于收集實驗過程中揮發的溶質，避免污染大氣。本發明的實驗裝置適用于揮發性或半揮發性污染溶質的模擬實驗，具有可持續和穩定性好的特點，同時簡化了實驗設備，節約了實驗成本，在保證平行實驗時水頭或流量條件的統一性有利于平行實驗結果的對比分析。
【專利說明】一種封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置

【技術領域】
[0001] 本發明屬于環境工程和農業工程領域，具體地涉及一種封閉式地下水溶質遷移模 擬實驗裝置，適用于地下水溶質遷移模擬室內土柱實驗，可用于揮發性或半揮發性污染溶 質遷移模擬實驗。

【背景技術】
[0002] 地下水環境相對比較脆弱，一旦污染后果嚴重，且持續時間長，治理難度大，尤其 是各類可溶性污染物（溶質）隨地下水不斷遷移、衰減、吸附、解析和發生相互反應，給地下 水污染治理帶來很大困難。準確把握污染溶質隨地下水的遷移運動規律，對地下水環境污 染治理以及地下水資源管理都具有非常重要的意義。
[0003] 目前，地下水溶質遷移研究的主要方法包括抽水實驗、粒子示蹤實驗、數值模擬和 物理模型實驗等。抽水實驗針對地下水污染相對集中且滲透性較大的含水層，通過抽取地 下水將污染物抽出地面處理，并設置觀測井來監測污染物隨地下水流場的運移情況。抽水 實驗需要在已有污染場地上進行，主要應用在地下水污染治理項目中，容易受場地、實驗條 件和水文地質等條件的限制。粒子示蹤實驗是在地下水中注入示蹤劑，通過監測示蹤劑粒 子隨地下水運移情況，研究污染溶質隨地下水流場的運動規律。粒子示蹤實驗受水文地質 條件影響較大，且示蹤劑價格相對較高，易造成二次污染。數值模擬具有高效、便捷和可視 化的優點，因此成為地下水溶質遷移研究的主要方法之一（魏恒，肖洪浪.地下水溶質遷 移模擬研究進展[J].冰川凍土，2013, 06) : 1582-1589)，但數值模擬結果的驗證以及計算 參數的獲取需要借助現場實驗或物理模型實驗來實現，而溶質遷移過程中很多化學反應和 物理過程也沒有現成的數學模型來描述。物理模型實驗是根據相似原理建立室內模型模擬 現場尺度物理現象或過程的方法，具有更加直觀、便捷和可操作性的優點，因此也成為地 下水溶質遷移必不可少的研究手段之一。現有溶質遷移物理模型實驗主要以一維土柱實驗 為主（中國科學院新疆生態與地理研究所，北京時域通科技有限公司，一種實驗室土壤溶 質運移模擬裝置，CN201867407U[P/0L]. 2011-06-15 ;河海大學，一種土壤污染物遷移模擬 裝置，CN103424341A[P/0L]. 2013-12-04 ;東北農業大學，一種模擬土壤有機污染物遷移轉 化的反應裝置，CN103760319A[P/0L]. 2014-04-30)，實驗裝置主要包括供液部分、實驗土柱 和廢液回收裝置三個部分，其中供液部分提供水源或污染源，實驗土柱是溶質遷移過程的 主要載體，廢液收集裝置用于收集過量廢液和廢水。這些實驗裝置大多針對特定污染溶質 設計，結構簡單且普適性不高，由于缺乏密閉保護裝置，無法應用于某些揮發性或半揮發性 有毒污染溶質。


【發明內容】

[0004] 發明目的：為解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種封閉式地下水溶質遷 移模擬實驗裝置，可用于地下水溶質遷移室內土柱實驗，適用于揮發性或半揮發性污染溶 質的模擬實驗，具有可持續和穩定性好的特點，同時簡化了實驗設備，節約了實驗成本，同 時在保證平行實驗時水頭或流量條件的統一性有利于平行實驗結果的對比分析。
[0005] 技術方案：為實現上述技術目的，本發明提出一種封閉式地下水溶質遷移模擬實 驗裝置，包括供液單元、平行實驗單元、廢液回收單元、封閉式組合柜和廢氣回收單元，所述 供液單元、平行實驗單元和廢液回收單元依次相連并設置于所述封閉式組合柜的內部，所 述封閉式組合柜與所述廢氣回收單元相連，其中：
[0006] 所述供液單元包括濾氣瓶、供液瓶、供液分流管和一組流量控制器，所述濾氣瓶通 過導氣管與所述供液瓶相連；所述供液瓶與供液分流管相連；所述供液分流管與流量控制 器相通連接；
[0007] 所述平行實驗單元包括實驗土柱、有機玻璃容器和取樣插頭，所述實驗土柱填充 于所述有機玻璃容器內，所述取樣插頭設于所述有機玻璃容器的表面，并穿過有機玻璃容 器側壁插入實驗土柱內部；其中，平行實驗單元的實驗土柱的數目可以根據需要進行調節， 供液分流管的分支數也可以根據需要進行調節，從而實現將從供液瓶的液體分流至平行實 驗單元的各個實驗土柱中。
[0008] 所述封閉式組合柜包括一個封閉的外殼，所述外殼的內部被分隔成供液室、模擬 取樣室和廢液存儲室三個部分，分別用于放置供液單元、平行實驗單元和廢液回收單元；其 中，所述供液室的內部設置有用于調整供液瓶的高度的、可拆卸的可升降平臺。
[0009] 所述廢氣回收單元包括排氣扇和活性炭盒，所述活性炭盒一端與所述排氣扇相 連，另一端連接有排風口；所述排氣扇與所述封閉式組合柜的外壁相連接。其中排氣扇作用 是將封閉式組合柜內的空氣抽出，活性炭盒用于吸附空氣中散布的溶質分子，處理后的空 氣經排風口排放到大氣中。
[0010] 具體地，所述濾氣瓶的瓶口朝上，瓶口設置有第一橡皮塞，所述第一橡皮塞中嵌入 第一進氣管和出氣管，所述第一進氣管的入口連接有活性炭包，出口伸入濾氣瓶的底部。所 述活性炭包用于除去空氣中的雜質，濾氣瓶內注入一定濃度的溶液（溶液無揮發性時可用 水代替）用于控制揮發性有機溶質的氣液平衡。
[0011] 所述供液瓶的個數為兩個，每個供液瓶瓶口朝下，瓶口設置有第二橡皮塞，所述第 二橡皮塞中嵌入第二進氣管和出液管；所述供液瓶的瓶底表面設置補液管和通氣管，所述 補液管延伸到供液瓶的瓶口位置，所述通氣管緊貼供液瓶的瓶底；所述補液管連接有第一 止水夾；每個第二進氣管的入口分別與導氣管的出氣口相連，在第二進氣管與導氣管的出 氣口之間分別設置有止逆閥，防止水或溶液倒流，所述導氣管的進氣口與濾氣瓶的出氣管 連接，所述導氣管的進氣口的上端端口高度高于供液瓶的高度。補液管和通氣管分別用于 補充溶液和補充溶液時排氣，溶液補充完畢后補液管和通氣管通過第一止水夾封閉。供液 瓶根據馬氏瓶原理制作而成，用于提供實驗所需的水或溶液，出口維持恒定水頭h，其中h 為供液瓶內進氣管上端口與出液管上端口之間的高度差。兩個供液瓶交替工作，可以保證 低滲透性土體或小流量穿透實驗的可持續性。來自供液瓶的溶液通過供液分流管的進水口 進入，然后通過供液分流管的出水口分流到各個流量控制器中。
[0012] 所述流量控制器包括連接管、用于觀察滴液狀態的流量視窗、用于調節滴液速度 的液滴計數器和流量控制閥，其中，所述連接管的上端與供液分流管的出水口相連，下端與 有機玻璃容器的進水口相連，所述流量視窗開設于所述連接管的上部，所述液滴計數器嵌 套在流量視窗的外側；所述流量控制閥設置于所述連接管的下部。流量控制器用于控制供 液的流量。流量控制閥完全打開時，整個供液系統以恒定水頭供液，調節流量控制閥可控制 滴液速度（通過流量視窗觀測），其中滴液速度通過液滴計數器來計量。將供液瓶高度調節 和流量控制器結合可以滿足不同流量實驗要求。
[0013] 所述實驗土柱自上而下依次包括保護層、介質層和墊層，保護層、介質層和墊層的 高度比為I: (1. 5?3) : (1?2);其中，所述保護層為粗顆粒砂礫石，主要用于保護介質層 免受水壓力破壞；所述介質層為地下水溶質遷移的傳輸介質，可以是具有一定污染物濃度 的土體（例如淋溶實驗）或污染物初始濃度為零的土體；所述墊層填充有自下而上粒徑由 粗到細的砂礫石。
[0014] 進一步地，所述墊層中填充三層砂礫石，填充高度自下而上依次為墊層高度的 1/2、3/8和1/8,其中，三層砂礫石自下而上粒徑由粗到細，相鄰層的平均粒徑差別在2?3 倍，主要作用是將進水口集中入流離散為均勻流；且最上層的砂礫石的平均粒徑為介質層 介質的平均粒徑的2?3倍，以保證模擬實驗不受墊層滲透特性的影響且各層砂礫石及介 質顆粒不發生滲漏。
[0015] 所述有機玻璃容器為有機玻璃管，所述有機玻璃管包括上節、中節和下節三部分， 其中上節、中節和下節三部分的高度比為I: (1. 5?3) : (1?2)，分別與實驗土柱的保護層、 介質層和墊層的高度相對應；所述有機玻璃管的相鄰部分之間通過有機玻璃法蘭和螺栓進 行固定；在有機玻璃法蘭之間設置有止水墊，在有機玻璃管的外側設有一列取樣口，所述取 樣口與取樣插頭相配合；所述有機玻璃管的底部設有進水口，所述進水口與流量控制器相 連；所述有機玻璃管的頂部設出水口，所述出水口與廢液回收單元連接；所述取樣插頭包 括依次連接篩管、螺紋管和取樣閥門，其中所述篩管插入實驗土柱的介質層；所述螺紋管與 所述有機玻璃管的取樣口螺紋連接，用于固定取樣插頭。取樣閥門裸露在有機玻璃容器外， 取樣時打開閥門用微量取樣器取樣，不取樣時關閉閥門。
[0016] 取樣口的個數為3?8個，其中，一個取樣口設置于所述有機玻璃管的上節的下 部，一個取樣口設置于所述有機玻璃管的下節的上部，其余的取樣口均勻地設置于所述有 機玻璃管的中節。
[0017] 所述廢液回收單元包括廢液收集管、廢液分流管和至少一個廢液回收瓶，所述廢 液收集管的入流口與實驗土柱的出水口相連接，所述廢液收集管的出流口向下傾斜并與廢 液分流管連接，通過將出流口略向下設置，便于廢液收集后匯流到該出流口，再由廢液分流 管分配到兩個廢液回收瓶。所述廢液分流管分別與廢液回收瓶連接；每個廢液回收瓶瓶口 向上放置，瓶口設有橡皮塞封堵，橡皮塞內嵌入進水管和出氣管；廢液回收瓶的進水管與廢 液分流管連接。廢液流入廢液回收瓶后，瓶內氣體由出氣管排出，最終被吸入封閉保護系統 的廢氣回收裝置。廢液回收瓶的個數為兩個，兩個廢液回收瓶交替使用，可以保證長期實驗 的可持續性。
[0018] 所述的供液室、模擬取樣室和廢液存儲室的正面均設置玻璃門，方便實驗觀測 (如果有避光要求，可以在玻璃門上貼遮光膜）；所述可升降平臺由可拆卸固定栓固定在供 液室的側壁，可升降平臺的底部分別設置有第一懸掛桿，可升降平臺以上為溶液存儲空間， 放置濾氣瓶和供液瓶；可升降平臺以下為實驗觀測窗口，存放供液分流管、流量視窗和液滴 計數器，由第一懸掛桿懸掛在可升降平臺底部；供液室的頂部設置兩個用于供液瓶的進氣 管穿出的補液孔，所述可升降平臺的表面設置三個連通孔，其中兩個連通孔的大小與供液 瓶的瓶口大小相對應，另一個連通孔的大小與導氣管的大小相對應。兩個供液瓶瓶口從左 右兩個大孔穿過，導氣管從中間的小孔穿過，方便設備連接。補液孔和連通孔有利于供液室 內空氣流通，方便廢氣收集。
[0019] 所述模擬取樣室位于供液室下方，與供液室相互連通，所述模擬取樣室的中部設 置有橫梁；所述橫梁的下方設有兩個用于懸掛廢液收集管的第二懸掛桿，其中，靠近廢液收 集管的出流口側的第二懸掛桿的長度大于另一側的第二懸掛桿的長度，由此廢液收集管出 流口略向下傾斜，方便廢液匯流；距離所述模擬取樣室的底部10?12cm處設置平行實驗承 載平臺，由兩根L型角鋼搭建，用于放置平行實驗的實驗土柱；所述廢液存儲室位于模擬取 樣室的右側并與模擬取樣室相互連通，廢液存儲室與模擬取樣室之間設置有支撐骨架；所 述廢液存儲室的頂部設兩根用于懸掛廢液分流管的第三懸掛桿。
[0020] 供液單元為平行試驗單元提供溶液（或水），可以控制出液的流量或水頭；平行實 驗單元用于地下水溶質遷移模擬平行實驗，實驗溶質遷移過程通過取樣監測；廢液回收單 元用于回收實驗產生的廢水。封閉式組合柜組成密閉空間，防止有毒揮發性污染溶質氣體 擴散，廢氣回收裝置用于收集實驗過程中揮發的溶質，避免污染大氣。
[0021] 在應用上述裝置時，具體的操作步驟如下：
[0022] (1)實驗材料制備：
[0023] 首先，按照操作標準配制實驗溶液，待溶質和水充分混溶后，加注到其中一個供液 瓶內（保持該供液瓶出液管關閉），關閉該供液瓶通氣管，待用；其次，將另一個供液瓶內裝 入部分去離子水，關閉該供液瓶通氣管，將流量控制器內空氣排出后關閉所有流量控制閥， 待用；第三，將實驗土體按照一定密實度分層裝填在有機玻璃容器中間節待用，其中土體 上、下表面分別與中間節的上、下法蘭表面齊平，裝填過程中埋入取樣插頭并保持取樣插頭 閥門關閉，將螺帽擰緊防止漏水；第四，將三種不同粒徑砂礫石用純凈水洗凈，分別放在容 器中以去離子水浸泡待用；第五，根據實驗土體滲透特性，計算模擬實驗流量、取樣時間和 實驗結束時間，規劃取樣樣品保存及檢測流程。溶液、土柱制備方法可根據實驗需要進行調 整。
[0024] (2)組裝實驗土柱：
[0025] 首先，組裝有機玻璃容器最下面一節，將進水口以止水夾封閉，向最下面一節的有 機玻璃管內注入該節高度1/3的去離子水，以由粗到細的順序將砂礫石裝填到有機玻璃柱 內，裝填高度依次為該節高度的1/2、3/8和1/8,墊層表面高度與最下節有機玻璃柱的上法 蘭表面齊平，并鋪一張圓形濾網（直徑與有機玻璃管內徑一致），防止顆粒漏入墊層；其次， 對接有機玻璃容器的中間節和最下面一節、中間節和最上面一節，中間加止水墊并以螺栓 擰緊防止漏水；第三，在有機玻璃容器最上面一節內填充保護層，以中、細粒徑砂礫石為主， 加頂蓋和止水墊，以螺栓擰緊防止漏水；最后，將各實驗土柱放置在平行實驗承載平臺上， 對接有機玻璃容器進水口與流量控制器出水口，對接有機玻璃容器出水口與廢液收集管進 水口，打開流量控制閥，保持較小流量供水，讓去離子水慢慢浸入實驗土體，直到所有有機 玻璃容器出水口有水流出。
[0026] (3)調節供液流量
[0027] 如需保持恒定水頭供水，則將流量控制閥開到最大，調節升降平臺至供液瓶內出 水口上端到有機玻璃容器進水口高度為△ h，供液系統最終提供溶液維持恒定水頭h+ Λ h， 其中h為供液瓶內進氣管上端口與出水管上端口之間的高度差。
[0028] 如果需要維持恒定流量供水，則需要調節流量控制閥，通過觀測流量視窗單位時 間內供液滴數控制流量，具體操作步驟為：打開液滴計數器，待示數穩定后觀測溶液滴速快 慢；調節流量控制閥，直至溶液滴速滿足實驗要求，待60秒內維持恒定值后關閉液滴計數 器；每隔5分鐘打開液滴計數器，檢測溶液滴速，調節流量控制閥，直到連續三次監測滴速 不變，則供液流量滿足實驗要求。
[0029] 如流量控制閥開到最大后，供液流量仍低于實驗需求值，則需要提高升降平臺或 增大供液瓶內進氣管端口到瓶內出水管端口高度差（兩個供液瓶同時調節）。
[0030] (4)開始實驗
[0031] 關閉裝有去離子水供液瓶的出水口，打開裝有溶液的供液瓶出水口，關閉所有玻 璃門，打開排風扇，開始實驗。
[0032] (5)補充溶液，處理廢水
[0033] 實驗過程可能持續很長時間，因此實驗過程中需要補充溶液和處理實驗廢水。實 驗設置的兩個供液瓶可以交替使用，保證供液的持續性，而兩個廢液存儲瓶交替使用可以 不斷接收和存儲實驗廢液，保證整個實驗過程的可持續性。
[0034] 補充溶液時，保持該供液瓶出水口關閉，打開該瓶通氣管，根據虹吸原理利用進水 管將供液瓶內去離子水吸出或將溶液注入供液瓶。根據不同實驗溶液及檢測生成物，需按 操作規程處理實驗廢液。
[0035] (6)結束實驗，清洗實驗裝置
[0036] 待實驗完成后，將供液瓶內溶液吸出，按照操作規程處理實驗廢液、廢棄物和清洗 實驗裝置。
[0037] 有益效果：與現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0038] (1)通過添加封閉保護單元，可應用于揮發性或半揮發性有機溶質的地下水溶質 遷移實驗模擬，可以保護實驗者免受揮發性有毒氣體侵害，同時可以收集廢氣，避免大氣污 染；
[0039] (2)通過設置活性炭包和濾氣瓶，即可以去除空氣中的雜質，又有利于控制揮發性 有機溶質揮發引起的氣液平衡，降低揮發性對供液溶質濃度的影響；
[0040] (3)通過設置可升降平臺和流量控制器，準確控制實驗流量或水頭，保證實驗條件 的穩定性；
[0041] (4)通過設置兩個供液瓶和兩個廢液存儲桶，可以在實驗的同時補充溶液和處理 廢液，保證長期實驗的可持續性和穩定性；
[0042] (5)通過溶液分流，將同一套供液單元應用于不同實驗土柱，將恒定水頭或流量條 件應用于平行實驗，即簡化了實驗設備，節約了實驗成本，又可以保證平行實驗時水頭或流 量條件的統一性，有利于平行實驗結果的對比分析；
[0043] (6)可用于地下水溶質遷移模擬平行土柱實驗，適用于帶有污染源的溶質遷移模 擬實驗、土體的淋溶實驗等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 圖1為本發明的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置的示意圖；
[0045] 圖2a為供液單元的結構示意圖；
[0046] 圖2b?2f依次分別為供液單元的濾氣瓶、導氣管、供液瓶、供液分流管和流量控 制器的結構示意圖；
[0047] 圖3a為平行實驗單元的結構示意圖；
[0048] 圖3b?3d依次分別為平行實驗單元的實驗土柱、有機玻璃管和取樣插頭的結構 示意圖；
[0049] 圖4a為廢液回收單元的結構示意圖；
[0050] 圖4b為廢液收集管的結構示意圖；
[0051] 圖4c為廢液回收瓶的結構示意圖；
[0052] 圖5a和圖5b為本發明的封閉式組合柜的結構示意圖；
[0053] 圖6為本發明的廢氣回收裝置的結構示意圖；
[0054] 圖7為平行實驗1、2、3號柱A取樣口 1，2_二氯苯濃度隨時間的變化圖，其中，IA 代表1號柱A取樣口結果值，2A代表2號柱A取樣口結果值，3A代表3號柱A取樣口結果 值；
[0055] 圖8為平行實驗1、2、3號柱B取樣口 1，2-二氯苯濃度隨時間變化圖，其中，IB代 表1號柱B取樣口結果值，2B代表2號柱B取樣口結果值，3B代表3號柱B取樣口結果值；
[0056] 圖9為土壤脫鹽實驗取樣檢測結果。

【具體實施方式】
[0057] -種封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置（如圖1所示），主要包括供液單元（如 圖2a?圖2f所示）、平行實驗單元（如圖3a?圖3d所示）、廢液回收單元（如圖4a?4c 所示）、封閉式組合柜（如圖5a、圖5b所示）和廢氣回收裝置（如圖6所示），其中供液單 元主要用于為平行實驗單元提供溶液（或水），可以控制出液的流量或水頭；平行實驗單元 用于地下水溶質遷移模擬平行實驗，實驗溶質遷移過程通過取樣監測；廢液回收單元用于 回收實驗產生的廢水。封閉式組合柜組成密閉空間，防止有毒揮發性污染溶質氣體擴散，廢 氣回收裝置用于收集實驗過程中揮發的溶質，避免污染大氣。
[0058] 如圖2a所不，供液單兀由一個濾氣瓶1-1、一根導氣管1-2、兩個供液瓶1-3、一根 供液分流管1-4和一組流量控制器1-5組成。濾氣瓶1-1 (如圖2b所示）由有機玻璃管 (Φ220Χ 10)制作而成，高度20cm，瓶口向上，以第一橡皮塞1-1-1封口，第一橡皮塞1-1-1 中嵌入第一進氣管1-1-2 (Φ5Χ 1)和出氣管1-1-3 (Φ5Χ 1)，第一進氣管1-1-2入口接活性 炭包1-1-4用于去除空氣中的雜質。濾氣瓶1-1內注入一定濃度的溶液，用于控制揮發性有 機溶質的氣液平衡。導氣管1-2 (如圖2c所示）采用有機玻璃管（Φ 5 X 1)焊接而成，導氣管 進氣口 1-2-1與濾氣瓶1-1的出氣管1-1-3連接，端口高度高于供液瓶1-3,導氣管出氣口 1-2-2與供液瓶1-3的進氣管1-3-2連接，中間設置止逆閥1-2-3防止水或溶液倒流。供液 瓶1-3由有機玻璃管（Φ220X 10)制作而成，高度40cm，瓶口向下，以第二橡皮塞1-3-1封 口，第二橡皮塞1-3-1中嵌入有機玻璃進氣管1-3-2 (Φ 5 XI)和出液管1-3-3 (Φ 20 X 2. 5)。 瓶底設置有機玻璃補液管1-3-4 (Φ 20 X 2. 5)和通氣管1-3-5 (Φ 5 X 1)，補液管1-3-4長度 延伸到瓶口，通氣管1-3-5緊貼瓶底（瓶內長度為零），分別用于補充溶液和補充溶液時排 氣，溶液補充完畢后補液管1-3-4和通氣管1-3-5以第一止水夾1-3-6封閉。供液分流管 1- 4(如圖2e所示）由有機玻璃管（Φ32Χ2)制作而成，水平放置，包括進水口 1-4-1和出 水口 1-4-3,進水口 1-4-1與供液瓶1-3的出液管1-3-3連接，進水口 1-4-1與供液瓶1-3 的出液管1-3-3之間設止水閥1-4-2,出水口 1-4-3與流量控制器1-5 (如圖2f所示）連 接。流量控制器1-5由醫用精量輸液器改裝而成，包括連接管1-5-1、流量視窗1-5-2、液滴 計數器1-5-3和流量控制閥1-5-4四個部分，其中連接管1-5-1、流量視窗1-5-2和流量控 制閥1-5-3為精量輸液器固有部件，液滴計數器1-5-3采用紅外光電感應計數器（關愛OOl 型）。
[0059] 平行實驗單元（如圖3a所示）由多組實驗土柱2-1 (如圖3b所示）、有機玻璃容 器2-2 (如圖3c所示）和取樣插頭2-3 (如圖3d所示）組成。實驗土柱2-1 (直徑IOcm) 自上而下依次為保護層2-1-1、介質層2-1-2和墊層2-1-3,其中保護層2-1-1高度20cm， 填充粗顆粒砂礫石，粒徑范圍〇. 5?2. 0cm，主要用于保護介質層免受水壓力破壞；介質層 2- 1-2高度30cm，填充實驗土體，是地下水溶質遷移的傳輸介質；墊層2-1-3高度20cm，填 充粗細漸變砂礫石，自下而上顆粒由粗變細，粒徑范圍分別為2. 0?3. 0_、0. 5?2. Omm和 0. 05?0. 5mm，填充高度分別為10cm、8cm和2cm，主要作用是將進水口集中入流離散為均 勻流。有機玻璃容器2-2為有機玻璃管2-2-1 (Φ 110X 5,高度分別為20cm、3〇Cm和20cm)， 包括上節、中節和下節三部分，自上而下分別用于容納實驗土柱的保護層2-1-1、介質層 2-1-2和墊層2-1-3。每節有機玻璃管2-2-1兩端分別設置一片有機玻璃法蘭2-2-2 (厚度 10mm，外邊緣直徑160mm，內孔直徑100mm)方便對接，有機玻璃管2-2-1的相鄰部分中間加 硅膠止水墊2-2-4防止漏水，對接方式為螺栓固定。有機玻璃管2-2-1側壁設置五個取樣 口 2-2-5 (直徑8mm)，與取樣插頭2-3對接，其中三個位于中間節有機玻璃容器，呈等間距布 置（間距7. 5cm)，其它兩個分別位于上、下兩節有機玻璃容器，位置靠近中間節有機玻璃容 器。取樣插頭2-3由篩管2-3-1(Φ5Χ1)、螺紋管2-3-2(Φ8Χ1.5)和取樣閥門2-3-3焊接 而成，其中篩管2-3-1表面密布篩孔（直徑2_)并包裹濾網，螺紋管2-3-2與取樣口 2-2-5 通過螺紋對接，取樣閥門2-3-3裸露在有機玻璃管外。有機玻璃容器底部設進水口 2-2-6 與流量控制器1-5連接，頂部設出水口 2-2-7與廢液回收單元3連接。
[0060] 廢液回收單元3 (如圖4a所示）由一根廢液收集管3-1 (如圖4b所示）、一根廢 液分流管3-2和兩個廢液回收瓶3-3 (如圖4c所示）組成。廢液收集管3-1采用有機玻 璃管（Φ32Χ2)制作而成，其入流口與實驗土柱2-1的出水口相連接，廢液收集管3-1的 出流口 3-1-2與廢液分流管3-2對接，出流口 3-1-2略向下傾斜，便于廢液收集后匯流到 該出流口 3-1-2。廢液分流管3-2采用有機玻璃管（Φ32Χ2)制作而成，水平放置，作用是 將廢液收集管3-1匯流的廢液分流到兩個廢液回收瓶3-3。廢液回收瓶3-3由飲用水桶 (18. 9L)改裝而成，瓶口向上放置，以橡皮塞3-3-1封堵。橡皮塞3-3-1內嵌入有機玻璃進 水管3-3-2 (Φ 20 X 2. 5)和出氣管3-3-3 (Φ 5 X 1)，其中進水管3-3-2與廢液分流管3-2連 接，廢液流入廢液回收瓶后，瓶內氣體由出氣管3-3-3排出，最終被吸入廢氣回收單元5。
[0061] 封閉式組合柜4 (如圖5a所示）采用木質結構，以龍骨加外殼的形式組合，方便加 工。封閉式組合柜4成供液室4-1、模擬取樣室4-2和廢液存儲室4-3三個部分，其中供液 室4-1位于模擬取樣室4-2上方，廢液存儲室4-3位于模擬取樣室4-2右側，三個室相互連 通，每室設置兩扇玻璃門，方便觀測。供液室4-1寬、高各lm，厚度0. 4m，中間設可升降平臺 4-1-1，由可拆卸固定栓4-1-2固定在骨架上，用于調節供液瓶高度。可升降平臺4-1-1的 底部分別設置有第一懸掛桿4-1-3,可升降平臺4-1-1上方放置濾氣瓶1-1和供液瓶1-3， 下方懸掛供液分流管1-4和流量控制器1-5。供液室4-1頂部設置兩個補液孔4-1-4 (直 徑25_)，供液瓶的補液管由此穿出，方便為兩個供液瓶補充溶液。可升降平臺4-1-1設置 三個連通孔4-1-5,方便設備連接，其中兩個供液瓶瓶口從左右兩個大孔（直徑IOcm)穿過， 導氣管從中間的小孔（直徑3cm)穿過。補液孔4-1-4和連通孔4-1-5同時有利于供液室 內空氣流通，方便廢氣收集。模擬取樣室4-2為模擬實驗和取樣空間，寬lm，高0. 8m，厚度 0. 4m，與供液室4-1相互連通，中間設橫梁4-2-1，橫梁4-2-1下方設置兩個用于懸掛廢液收 集管3-1的第二懸掛干4-4-4,其中，靠近廢液收集管3-1的出流口 3-1-2側的第二懸掛桿 4-2-2的長度大于另一側的第二懸掛桿4-2-2的長度，距離底部IOcm處設置平行實驗承載 平臺4-2-3,由兩根L型角鋼搭建，用于放置平行實驗的實驗土柱。廢液存儲室4-3容納廢 液回收單兀，寬Im,高0. 8m，厚度0. 4m，頂部設兩根第三懸掛桿4-3-2,用于懸掛廢液分流管 3-2。
[0062] 廢氣回收裝置5 (如圖6所示）由排氣扇5-1和活性炭盒5-2組成，活性炭盒5-2 一端與所述排氣扇5-1相連，另一端連接有排風口 5-3 ;排氣扇5-1與所述封閉式組合柜4 的外壁相連接主要作用是將封閉式組合柜內的空氣抽出，再由活性炭盒吸附，其中排氣扇 排氣量130m 3/h (參考型號：松日SRL-94寸），活性炭盒長、寬、高分別為30cm、IOcm和10cm。
[0063] 下述具體實施例在以本技術方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和操 作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0064] 實施例1
[0065] 利用本發明裝置進行定流量條件下氯苯脫氯平行實驗，采用3組平行實驗柱，標 記為1號柱、2號柱和3號柱，每柱五個取樣口，對自上而下第一、第三個和第五個取樣口 (分別標注為A、B和C取樣口）進行取樣檢測。
[0066] (1)實驗材料制備
[0067] 按照配置100000 μ g/L的1，2-二氯苯溶液（加入適量甲醇促進溶解），關閉其中 一個供液瓶（一號供液瓶）的出液管，并將一號供液瓶裝滿配好的1，2-二氯苯溶液，關閉 一號供液瓶的通氣管，待用；另外一個供液瓶（二號供液瓶）內裝一部分去離子水，關閉二 號供液瓶的通氣管，將流量控制器內空氣排出后關閉所有流量控制閥，待用；將作為實驗土 體的還原鐵粉、石英砂（0. 05?0. 2mm)分別用去離子水浸泡，分成三份，其中一份全為還原 鐵粉（1號柱），第二份為50% (v/v)的鐵粉和50% (v/v)的石英砂混合物（2號柱），第三 份為50% (v/v)以硫酸鎳處理后的鐵粉（催化劑鎳含量3wt%)和50% (v/v)的石英砂混 合物（3號柱），待用；將三種粒徑砂石樂石（2?3mm、0. 5?2mm和0. 05?0. 5mm)用去離子 水洗凈，分別放在容器中以去離子水浸泡待用。
[0068] (2)組裝平行實驗土柱
[0069] 分別組裝3個平行實驗柱。首先，組裝有機玻璃容器最下面一節，將進水口以止水 夾封閉，容器內注入該節容積1/3去離子水，按照從上到下、從粗到細的順序將不同粗細的 砂礫石裝填到容器內，裝填高度從上到下依次為該節高度的1/2、3/8和1/8,墊層表面高度 與最下節玻璃容器的上法蘭表面齊平，并鋪一張圓形濾網（直徑與有機玻璃管內徑一致）， 防止顆粒漏入墊層；第二，對接有機玻璃容器的中節和下節，中間加止水墊并用螺栓擰緊防 止漏水，3個平行實驗柱的中節分別裝填100 %還原鐵粉（1號柱）、鐵粉和石英砂混合物 (體積比I: I，2號柱）、含有鎳催化劑的鐵粉和石英砂混合物（體積比I: I，3號柱），裝填時 均按照每2cm為一層進行層層裝填，即先裝填2cm，夯實后再繼續裝填2cm，再夯實，如此重 復裝填，直至填滿整個中節，裝填時去離子水始終浸沒填充物；第三，對接有機玻璃容器的 中節和上節，中間加止水墊并用螺栓擰緊防止漏水，在有機玻璃容器上節內填充保護層，以 中、細粒徑砂礫石為主，加頂蓋和止水墊，用螺栓擰緊防止漏水；最后，將各實驗土柱放置在 平行實驗承載平臺上，對接有機玻璃容器進水口與流量控制器出水口，對接有機玻璃容器 出水口與廢液收集管進水口，關閉流量控制閥，靜置24小時等待鐵粉自然固結。
[0070] (3)調節供液流量
[0071] 打開流量控制閥，保持較小流量供水，讓去離子水慢慢浸入實驗土體，直到所有有 機玻璃容器出水口有水流出；打開液滴計數器，待示數穩定后觀測溶液滴速快慢；調節流 量控制閥，直至溶液滴速為60滴/分鐘，約0. 67ml/s，待60秒內維持恒定值后關閉液滴計 數器；每隔5分鐘打開液滴計數器，檢測溶液滴速，調節流量控制閥，直到連續三次監測滴 速不變，則供液流量滿足實驗要求。
[0072] ⑷開始實驗
[0073] 關閉裝有去離子水的供液瓶出液管，打開裝有溶液的供液瓶出液管，關閉所有玻 璃門，開始實驗；第一天從有機玻璃容器C取樣口每3小時取樣一次，取樣時打開取樣閥門， 利用微量取樣器緩緩抽取200 μ 1樣本，利用液相色譜儀同步檢測1，2-二氯苯含量；待有機 玻璃容器C取樣口檢測到溶質后，同步取樣有機玻璃容器B取樣口，樣本冷藏保存，每天集 中送檢（檢測溶質包括1，2-二氯苯、氯苯、苯、氯離子）；待有機玻璃容器最下面B取樣口 檢測到溶質后，同步檢測有機玻璃容器的C取樣口。
[0074] (5)補充溶液，處理廢水
[0075] 實驗過程中需要補充溶液和處理實驗廢水。補充溶液時，保持供液瓶出水口關閉， 打開該供液瓶的通氣管，根據虹吸原理利用進水管將去離子水注入供液瓶；根據實驗操作 規程處理實驗廢液。
[0076] (6)結束實驗，清洗實驗裝置。
[0077] 表1還原鐵粉對1，2-二氯苯脫氯效果平行實驗結果
[0078]

【權利要求】
1. 一種封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，包括供液單元（1)、平行實 驗單元（2)、廢液回收單元（3)、封閉式組合柜（4)和廢氣回收單元（5)，所述供液單元（1)、 平行實驗單元（2)和廢液回收單元（3)依次相連并設置于所述封閉式組合柜（4)的內部， 所述封閉式組合柜（4)與所述廢氣回收單元（5)相連，其中： 所述供液單元（1)包括濾氣瓶（1-1)、供液瓶（1-3)、供液分流管（1-4)和一組流量控 制器（1-5)，所述濾氣瓶（1-1)通過導氣管（1-2)與所述供液瓶（1-3)相連；所述供液瓶 (1-3)與供液分流管（1-4)相連；所述供液分流管（1-4)與流量控制器（1-5)相通連接； 所述平行實驗單元包括實驗土柱（2-1)、有機玻璃容器（2-2)和取樣插頭（2-3)，所述 實驗土柱（2-1)填充于所述有機玻璃容器（2-2)內，所述取樣插頭（2-3)設于所述有機玻 璃容器（2-2)的表面，并穿過有機玻璃容器側壁插入實驗土柱內部； 所述封閉式組合柜（4)包括一個封閉的外殼，所述外殼的內部被分隔成供液室（4-1)、 模擬取樣室（4-2)和廢液存儲室（4-3)三個部分，分別用于放置供液單元（1)、平行實驗單 元（2)和廢液回收單元（3);其中，所述供液室（4-1)的內部設置有用于調整供液瓶的高度 的、可拆卸的可升降平臺（4-1-1); 所述廢氣回收單元（5)包括排氣扇（5-1)和活性炭盒（5-2)，所述活性炭盒（5-2) -端 與所述排氣扇（5-1)相連，另一端連接有排風口（5-3);所述排氣扇（5-1)與所述封閉式組 合柜⑷的外壁相連接。
2. 根據權利要求1所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述濾 氣瓶（1-1)的瓶口朝上，瓶口設置有第一橡皮塞所述第一橡皮塞（1-1-1)中嵌入 第一進氣管（1-1-2)和出氣管（1-1-3)，所述第一進氣管（1-1-2)的入口連接有活性炭包 (1-1-4)，出口伸入濾氣瓶（1-1)的底部。
3. 根據權利要求1所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述供 液瓶（1-3)的個數為兩個，每個供液瓶（1-3)瓶口朝下，瓶口設置有第二橡皮塞（1-3-1)，所 述第二橡皮塞（1-3-1)中嵌入第二進氣管（1-3-2)和出液管（1-3-3);所述供液瓶（1-3)的 瓶底表面設置補液管（1-3-4)和通氣管（1-3-5)，所述補液管（1-3-4)延伸到供液瓶（1-3) 的瓶口位置，所述通氣管（1-3-5)緊貼供液瓶（1-3)的瓶底；所述補液管（1-3-4)連接有 第一止水夾（1-3-6);每個第二進氣管（1-3-2)的入口分別與導氣管的出氣口（1-2-2)相 連，在第二進氣管（1-3-2)與導氣管的出氣口（1-2-2)之間分別設置有止逆閥（1-2-3)，所 述導氣管的進氣口（1-2-1)與濾氣瓶（1-1)的出氣管（1-1-3)連接，所述導氣管的進氣口 (1-2-1)的上端端口高度高于供液瓶（1-3)的高度。
4. 根據權利要求1所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述流 量控制器（1-5)包括連接管（1-5-1)、用于觀察滴液狀態的流量視窗（1-5-2)、用于調節滴 液速度的液滴計數器（1-5-3)和流量控制閥（1-5-4)，其中，所述連接管（1-5-1)的上端與 供液分流管（1-4)的出水口（1-4-3)相連，下端與有機玻璃容器的進水口（2-2-6)相連，所 述流量視窗（1-5-2)開設于所述連接管（1-5-1)的上部，所述液滴計數器（1-5-3)嵌套在 流量視窗（1-5-2)的外側；所述流量控制閥（1-5-4)設置于所述連接管（1-5-1)的下部。
5. 根據權利要求1所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述實 驗土柱（2-1)自上而下依次包括保護層（2-1-1)、介質層（2-1-2)和墊層（2-1-3)，保護層 (2-1-1)、介質層（2-1-2)和墊層（2-1-3)的高度比為1:(1.5?3):(1?2);其中，所述保 護層（2-1-1)為粗顆粒砂礫石；所述介質層（2-1-2)為地下水溶質遷移的傳輸介質；所述 墊層（2-1-3)填充有自下而上粒徑由粗到細的砂礫石。
6. 根據權利要求5所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述墊 層（2-1-3)中填充三層砂礫石，填充高度自下而上依次為墊層高度的1/2、3/8和1/8,其中， 三層砂礫石自下而上粒徑由粗到細，相鄰層的平均粒徑差別在2?3倍，且最上層的砂礫石 的平均粒徑為介質層（2-1-2)介質的平均粒徑的2?3倍。
7. 根據權利要求1或5所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所 述有機玻璃容器（2-2)為有機玻璃管（2-2-1)，所述有機玻璃管（2-2-1)包括上節、中節和 下節三部分，其中上節、中節和下節三部分的高度比為1: (1. 5?3) : (1?2)，分別與實驗土 柱（2-1)的保護層（2-1-1)、介質層（2-1-2)和墊層（2-1-3)的高度相對應；所述有機玻璃 管（2-2-1)的相鄰部分之間通過有機玻璃法蘭（2-2-2)和螺栓（2-2-3)進行固定；在有機 玻璃法蘭（2-2-2)之間設置有止水墊（2-2-4)，在有機玻璃管（2-2-1)的外側設有一列取 樣口（2-2-5)，所述取樣口（2-2-5)與取樣插頭（2-3)相配合；所述有機玻璃管（2-2-1)的 底部設有進水口（2-2-6)，所述進水口（2-2-6)與流量控制器（1-5)相連；所述有機玻璃管 (2-2-1)的頂部設出水口（2-2-7)，所述出水口（2-2-7)與廢液回收單元（3)連接；所述取 樣插頭（2-3)包括依次連接篩管（2-3-1)、螺紋管（2-3-2)和取樣閥門（2-3-3)，其中所述 篩管（2-3-1)插入實驗土柱（2-1)的介質層（2-1-2);所述螺紋管（2-3-2)與所述有機玻 璃管（2-2-1)的取樣口（2-2-5)螺紋連接。
8. 根據權利要求7所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述的 取樣口的個數為3?8個，其中，一個取樣口設置于所述有機玻璃管（2-2-1)的上節的下 部，一個取樣口設置于所述有機玻璃管（2-2-1)的下節的上部，其余的取樣口均勻的設置 于所述有機玻璃管（2-2-1)的中節。
9. 根據權利要求1所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述廢 液回收單元（3)包括廢液收集管（3-1)、廢液分流管（3-2)和至少一個廢液回收瓶（3-3)， 所述廢液收集管（3-1)的入流口（3-1-1)與實驗土柱（2-1)的出水口相連接，所述廢液收 集管（3-1)的出流口（3-1-2)向下傾斜并與廢液分流管（3-2)連接，所述廢液分流管（3-2) 分別與廢液回收瓶（3-3)連接；每個廢液回收瓶（3-3)瓶口向上放置，瓶口設有橡皮塞 (3-3-1)封堵，橡皮塞內嵌入進水管（3-3-2)和出氣管（3-3-3);廢液回收瓶（3-3)的進水 管（3-3-2)與廢液分流管（3-2)連接。
10. 根據權利要求1所述的封閉式地下水溶質遷移模擬實驗裝置，其特征在于，所述的 供液室（4-1)、模擬取樣室（4-2)和廢液存儲室（4-3)的正面均設置玻璃門；所述可升降平 臺（4-1-1)由可拆卸固定栓（4-1-2)固定在供液室（4-1)的側壁；可升降平臺（4-1-1)的 底部分別設置有第一懸掛桿（4-1-3);供液室（4-1)的頂部設置兩個用于供液瓶（1-3)的 進氣管（1-3-2)穿出的補液孔（4-1-4)，所述可升降平臺（4-1-1)的表面設置三個連通孔 (4-1-5)，其中兩個連通孔（4-1-5)的大小與供液瓶（1-3)的瓶口大小相對應，另一個連通 孔（4-1-5)的大小與導氣管（1-2)的大小相對應； 所述模擬取樣室（4-2)位于供液室（4-1)下方，與供液室（4-1)相互連通，所述模擬 取樣室（4-2)的中部設置有橫梁（4-2-1);所述橫梁（4-2-1)的下方設有兩個用于懸掛廢 液收集管（3-1)的第二懸掛桿（4-2-2)，其中，靠近廢液收集管（3-1)的出流口（3-1-2)側 的第二懸掛桿（4-2-2)的長度大于另一側的第二懸掛桿（4-2-2)的長度；距離所述模擬取 樣室（4-2)的底部10?12cm處設置平行實驗承載平臺（4-2-3)，由兩根L型角鋼搭建， 用于放置平行實驗的實驗土柱；所述廢液存儲室（4-3)位于模擬取樣室（4-2)的右側并與 模擬取樣室（4-2)相互連通，廢液存儲室（4-3)與模擬取樣室（4-2)之間設置有支撐骨架 (4-3-1);所述廢液存儲室（4-3)的頂部設兩根用于懸掛廢液分流管（3-2)的第三懸掛桿 (4-3-2)〇
【文檔編號】G01N13/04GK104237080SQ201410432121
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年8月27日 優先權日:2014年8月27日
【發明者】趙忠偉, 呂輝, 華國芬, 金光球, 陶小虎, 陳斌 申請人:河海大學