有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统及方法与流程

1.本发明涉及水修复技术领域，具体而言，涉及一种有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统及方法。


背景技术：

2.地下水是水资源的重要组成部分，地下水污染不仅制约了经济的发展，同时也对公共卫生安全造成极大的威胁。如何高效的修复被污染的地下含水层是环境岩土工程领域亟待解决的重要课题。近年来，有色纳米材料作为一种新兴的环境修复材料被引入了地下水的原位修复领域。有色纳米材料具有尺寸小、表面活性高等特性，因此能够直接被注入被污染含水层内，并随着地下水的运动形成高效的反应区域，从而实现对被污染地下水的原位修复。
3.在应用有色纳米材料进行地下水的原位修复过程中发现，有色纳米材料所起到的修复效果与其在多孔介质中的运移和滞留行为密切相关。例如已有研究多采用一维柱试验来研究纳米零价铁在多孔介质中的运移和滞留过程。一维柱试验具有装置简单、条件易于控制等优点，是目前研究有色纳米材料运动行为的常用手段。但是在实际情况中，有色纳米材料在进入被污染含水层后仍然会随着地下水流场继续运动。因此，实际应用中流场条件更为复杂，然而由于一维柱试验的流速条件单一并且忽略了有色纳米材料在多孔介质中运动的横向行为，有必要开展更符合实际情况的二维模型试验来评估多孔介质中有色纳米材料纵向和横向的运动范围。然而相比于一维柱试验，传统的二维模型试验的装置更为复杂，而且通常需人工取样，增加了取样难度，也容易导致分析结果不准确。


技术实现要素：

4.基于此，本发明提供了一种有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统及方法，能够全面准确的获取水体中有色纳米材料的浓度分布，且取样便捷。
5.本发明一方面，提供一种有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统，包括：
6.二维模型试验装置，包括模型箱和注入机构，其中模型箱包括观测腔体，观测腔体具有相对设置的观测面和背景面，观测面与背景面为透光材质，观测腔体用于填充有透光性的多孔介质，注入机构设于观测腔体内，以向观测腔体内的多孔介质中注入有色纳米材料；
7.图像采集装置，用于获取待注入有色纳米材料之前观测面的初始图像信息和开始注入有色纳米材料后的不同时间的观测面的实时图像信息；及
8.数据处理装置，用于根据初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
9.本发明一方面，还提供一种有色纳米材料在水体中运动的二维观测方法，包括以下步骤：
10.向二维模型试验装置的观测腔体内填充透光性的多孔介质，再通过设于观测腔体
内的注入机构向观测腔体内的多孔介质中注入有色纳米材料；二维模型试验装置包括模型箱和注入机构，模型箱具有观测腔体，观测腔体具有相对设置的观测面和背景面，观测面与背景面为透光材质；
11.获取待注入有色纳米材料之前观测面的初始图像信息和开始注入有色纳米材料后的不同时间的观测面的实时图像信息；及
12.根据初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
13.本发明通过研究发现，传统的二维观测系统中水体所形成的横向背景流场与有色纳米材料所形成的注入流场混为相同的同一流场，无法区分，更无法模拟实际应用条件，即有色纳米材料作为注入流场叠加到地下水中原本存在的背景流场中，导致试验条件单一且不准确。本发明通过在观测腔体中输入水体形成横向背景流场，设置单独的注入机构，实现注入流场和背景流场的分离，从而可以更为灵活的控制有色纳米材料的注入过程，与实际应用条件更为相符。
14.另外，通过图像采集装置和数据处理装置能够全面获取观测腔体内有色纳米材料的运动过程，通过图像处理将运动图像转化为灰度图，并且通过质量平衡将灰度图转化为浓度分布。相较于传统的手动取样，本发明提供的观测方法能够获取任意时刻、各个取样点的浓度，即可以更全面、更准确的获得观测腔体中的有色纳米材料的浓度信息。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明一个实施例中所用有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统的正面结构示意图；
17.图2为本发明一个实施例中所用有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统的侧面结构示意图；
18.图3为本发明一个实施例中所用注入机构的结构示意图；
19.图4中的(a)为本发明一个实施例中纳米零价铁在水体中运动的未删除背景的灰度图，(b)为纳米零价铁在水体中运动的删除背景的灰度图；
20.图5为本发明一个实施例中计算区域的平均灰度与时间之间的关系曲线；
21.图6为本发明一个实施例中观测腔体内纳米零价铁浓度分布图；
22.图7为本发明一个实施例中注入机构的注入口处选取的三个研究点的位置关系示意图；
23.图8为图7中选取的研究点处纳米零价铁的浓度随时间的变化曲线。
24.附图标记说明：100
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二维模型试验装置；110
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模型箱；111
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观测腔体；112
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多孔介质；113
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背光源装置；114
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注水腔体；115
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隔板；120
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注入机构；121
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连接杆；122
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注入头；1221
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注入口；123
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支撑件。
具体实施方式
25.现将详细地提供本发明实施方式的参考，其一个或多个实例描述于下文。提供每一实例作为解释而非限制本发明。实际上，对本领域技术人员而言，显而易见的是，可以对本发明进行多种修改和变化而不背离本发明的范围或精神。例如，作为一个实施方式的部分而说明或描述的特征可以用于另一实施方式中，来产生更进一步的实施方式。
26.因此，旨在本发明覆盖落入所附权利要求的范围及其等同范围中的此类修改和变化。本发明的其它对象、特征和方面公开于以下详细描述中或从中是显而易见的。本领域普通技术人员应理解本讨论仅是示例性实施方式的描述，而非意在限制本发明更广阔的方面。
27.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
28.在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。术语“长度”、“宽度”、“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“径向”、“轴向”、“纵向”、“横向”、“周向”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.本发明一方面，提供一种有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统，包括:
30.二维模型试验装置，包括模型箱和注入机构，模型箱具有观测腔体，观测腔体具有相对设置的观测面和背景面，观测面与背景面为透光材质，观测腔体用于填充有透光性的多孔介质，注入机构设于观测腔体内，以向观测腔体内的多孔介质中注入有色纳米材料；
31.图像采集装置，用于获取待注入有色纳米材料之前观测面的初始图像信息和开始注入有色纳米材料后的不同时间的观测面的实时图像信息；及
32.数据处理装置，用于根据初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
33.所述有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统的工作原理：通过将二维模型试验装置分为模型箱和注入机构，并结合多孔介质模拟地下水层这一背景流场，及通过注入机构注入有色纳米材料形成叠加于背景流场的注入流场以符合纳米材料进行水修复的实际场景。通过图像采集装置获取有色纳米材料在水体中的运动的实时图像，并利用数据处理装置获得实时图像所对应的灰度图像，分析计算获知灰度与浓度的关系，从而得到浓度分布图，获知观测腔体中浓度分布。
34.在一些实施方式中，数据处理装置用于执行根据初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度的步骤时，包括如下步骤：
35.将初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息分别转化为背景灰度图像和不同时间所对应的实时灰度图像；
36.获取背景灰度图像中各像素点的背景灰度值和不同时间所对应的实时灰度图像中各像素点的实时灰度值；
37.除去不同时间所对应的实时灰度图像中各像素点的实时灰度值中背景灰度值，得到不同时间所对应的除背景实时灰度图像；
38.将不同时间所对应的除背景实时灰度图像进行浓度转化处理，得到不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度图像；
39.根据不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度分布图像，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
40.在一些实施方式中，所述除去不同时间所对应的实时灰度图像中各像素点的实时灰度值中背景灰度值所采用的方法可以为本领域常用的灰度图像除背景方法，例如可以采用matlab或python编程语言进行背景去除，具体步骤包括：将得到的实时灰度图像中每个像素点的灰度值减去注入有色纳米材料之前观测面的初始图像中各像素点所对应的灰度值。
41.所述将不同时间所对应的除背景实时灰度图像进行浓度转化处理，得到不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度图像的原理：在有色纳米材料注入阶段，模型箱中的有色纳米材料浓度随注入时间呈线性相关。通过灰度图像得到注入阶段灰度图像各像素点的平均灰度值与注入时间呈线性相关。在此需要说明的是，注入阶段观测腔体中有色纳米材料的分布区域有限，因此只计算灰度图像中有色纳米材料分布的区域，本发明选取灰度图像中注入口处上下10cm的区域作为计算区域来获知该区域各像素点的平均灰度值与注入时间之间呈线性相关，利用上述两个线性相关关系建立该区域各像素点平均灰度值与浓度的比例关系，将灰度分布图转化为浓度分布图。通过该计算区域获知各像素点平均灰度值与浓度的比例关系后，即可根据后续阶段获得的灰度图得到观测腔体中有色纳米材料在任意时刻的浓度分布。
42.在一些实施方式中，数据处理装置用于执行根据不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度分布图像，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度的步骤时，包括如下步骤：
43.将不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度分布图像进行浓度转化数据处理，得到观测面内的各位点处有色纳米材料的浓度与所述时间之间的关系；
44.根据观测面内的各位点处有色纳米材料的浓度与所述时间之间的关系，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
45.在一些实施方式中，图像采集装置获取的观测面的实时图像信息对应的注入时间在注入有色纳米材料的注入阶段中获取。
46.在一些实施方式中，在注入有色纳米材料的注入阶段，模型箱中的有色纳米材料浓度随所述时间呈线性相关。也就是说，在注入阶段中，确定有色纳米材料在观测腔体内的浓度值的依据为所述浓度值与时间呈线性相关。优选的，模型箱中的有色纳米材料浓度随所述时间呈正比例关系。
47.在一些实施方式中，所述注入阶段所用的时间根据实际情况进行确定，确保与有
色纳米材料在观测腔体内的浓度值呈线性相关。
48.在一些实施方式中，注入机构包括连接杆及注入头，注入头的长度方向垂直于观测面，且注入头垂直于观测面的表面的端部设有用于注入有色纳米材料的注入口。
49.在一些实施方式中，注入机构为不锈钢管，连接杆及注入头之间形成倒“t”形或“l”形。优选的，注入机构的内径为0.8mm～1.2mm，注入头的长度为2.5cm～3.5cm，连接杆的长度为12cm～18cm。更优选的，注入机构的内径为1mm，注入头的长度为3cm，连接杆的长度为15cm。
50.在一些实施方式中，模型箱为长方体，注入头的长度等于模型箱垂直于观测面的方向上的尺寸。优选的，模型箱的长度为45cm～55cm，高度为25cm～35cm，宽度为2.5cm～3.5cm，且与注入头的长度一致。优选的，模型箱的长度为50cm，高度为30cm，宽度为3cm。
51.在一些实施方式中，连接杆上还安装有支撑件，支撑件用于将注入机构支撑于所述观测腔体的边缘处。连接杆的端部与安装有蠕动泵的管道相连，其中管道用于输送有色纳米材料。所述管道的材质不作限制，优选为软管，例如可以为金属软管、橡胶管、聚氨酯软管等。所述蠕动泵用于控制有色纳米材料的注入流量。
52.在一些实施方式中，模型箱还包括注水腔体，注入腔体与观测腔体之间设有隔板，隔板上设有过水孔。
53.在一些实施方式中，注水腔体为两个，两个注水腔体分别设于观测腔体的两侧。
54.在一些实施方式中，为了排除自然光干扰，通常需要在避光的环境中进行观测，因此为了提高拍摄区域的亮度，模型箱还包括安装于所述背景面外的背光源装置，所述背光源装置不作限制，本领域技术人员可以根据实际情况进行选择，优选为led面板灯。
55.在一些实施方式中，为了便于观测和拍摄，观测面和背景面的材质为玻璃、有机玻璃等，优选为有机玻璃。
56.纳米零价铁具有高反应活性，且能与多种污染物反应等特点得到了最为广泛的研究和应用。因此，在一些实施方式中，有色纳米材料为纳米零价铁。
57.在一些实施方式中，透光性的多孔介质为玻璃珠和/或透明土。优选为玻璃珠，更优选的，玻璃珠的平均粒径为0.5mm～0.6mm，孔隙率为0.3～0.4，再优选的，玻璃珠的平均粒径为0.57mm，孔隙率为0.32。
58.在一些实施方式中，图像采集装置可以为相机和镜头，例如可以为工业相机ccd，优选为德国basler的ava1600
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50gm相机；镜头为工业缩放镜头，例如可以为ml
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m1218ur镜头，其分辨率优选为200万像素，拍摄物距优选为1m。数据处理装置可以为计算机等数据处理器。
59.本发明一方面，还提供一种有色纳米材料在水体中运动的二维观测方法，包括以下步骤：
60.向二维模型试验装置的观测腔体内填充透光性的多孔介质，再通过设于观测腔体内的注入机构向观测腔体内的多孔介质中注入有色纳米材料；二维模型试验装置包括模型箱和注入机构，模型箱具有观测腔体，观测腔体具有相对设置的观测面和背景面，观测面与背景面为透光材质；
61.获取待注入有色纳米材料之前观测面的初始图像信息和开始注入有色纳米材料后的不同时间的观测面的实时图像信息；及
62.根据初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
63.在一些实施方式中，根据初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度的步骤时，包括如下步骤：
64.将初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息分别转化为背景灰度图像和不同时间所对应的实时灰度图像；
65.获取背景灰度图像中各像素点的背景灰度值和不同时间所对应的实时灰度图像中各像素点的实时灰度值；
66.除去不同时间所对应的实时灰度图像中各像素点的实时灰度值中的背景灰度值，得到不同时间所对应的除背景实时灰度图像；
67.将不同时间所对应的除背景实时灰度图像进行浓度转化处理，得到不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度图像；
68.根据不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度分布图像，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
69.在一些实施方式中，根据不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度分布图像，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度的步骤时，包括如下步骤：
70.将不同时间所对应的观测面内的有色纳米材料浓度分布图像进行浓度转化数据处理，得到观测面内的各位点处有色纳米材料的浓度与所述时间之间的关系；
71.根据观测面内的各位点处有色纳米材料的浓度与所述时间之间的关系，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
72.在一些实施方式中，观测面的实时图像信息对应的注入时间在注入有色纳米材料的注入阶段中获取。
73.以下结合具体实施例对本发明的有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统及方法作进一步详细的说明。
74.实施例1
75.本实施例所用的有色纳米材料在水体中运动的二维观测系统的正面结构示意图和侧面结构示意图分别如图1和2所示。请参阅图1和2，该系统包括二维模型试验装置100、图像采集装置(图中未画出)及数据处理装置(图中未画出)。其中，二维模型试验装置100包括模型箱110和注入机构120，模型箱110包括观测腔体111，观测腔体111具有相对设置的观测面和背景面，观测面与背景面为有机玻璃。观测腔体111用于填充有透光性的多孔介质112，注入机构120设于观测腔体111内，以向观测腔体111内的多孔介质112中注入有色纳米材料。模型箱110的背景面外还安装有背光源装置113，两侧安装有注水腔体114，注入腔体114与观测腔体111之间设有隔板115，隔板115上设有过水孔。模型箱110为长方体，观测腔体111的长为50cm，高为30cm，宽为3cm。参阅图1和3可知，注入机构120为倒“t”形的不锈钢管，包括连接杆121及注入头122，注入头122的长度方向垂直于观测面，注入头122垂直于观测面的表面的端部设有用于注入有色纳米材料的注入口1221，且注入头122的长度等于模型箱110垂直于观测面的方向上的尺寸，即注入头122的长度等于模型箱110的宽，连接杆121的长度为15cm，注入机构120的内径为1mm。连接杆121上还安装有用于将注入机构120支撑于观测腔体111上的支撑件123；
76.图像采集装置用于获取待注入有色纳米材料之前观测面的初始图像信息和开始注入有色纳米材料后的不同时间的观测面的实时图像信息；
77.数据处理装置，用于根据初始图像信息和不同时间所对应的实时图像信息，得到观测面内的各位点处不同时间有色纳米材料的浓度。
78.本实施例中有色纳米材料为纳米零价铁，多孔介质112为玻璃珠，背光源装置113为led面板灯，图像采集装置为德国basler的ava1600
‑
50gm相机和ml
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m1218ur镜头，其中镜头的分辨率为200万像素，拍摄物距为1m，数据处理装置为计算机。
79.使用上述系统观测纳米零价铁在水体中的滞留和运移情况的具体步骤如下：
80.1)采用自然下落法在观测腔体111中填充平均粒径为0.57mm、孔隙率为0.32的玻璃珠作为多孔介质112，填充至观测腔体111的上边缘。然后将注入机构120自观测腔体111的上边缘插入观测腔体111内，并保证注入头122的长度方向垂直于观测面，注入口1221距离观测腔体111的上边缘15cm；
81.2)在两个注水腔体114中加水，通过隔板115将水输送至观测腔体111内，从而在观测腔体111内形成背景流场，通过控制背景流场的流速为4.1m/d；
82.3)通过注入机构120在背景流场中注入浓度为150mg/l的纳米零价铁，其中流量为2ml/min，注入20min后停止注入。随后纳米零价铁在背景流场的作用下继续运动；
83.4)使用位于观测腔体111观测面的工业相机对观测腔体111进行拍摄，在步骤3)中纳米零价铁的注入阶段(20min)内，每隔5s采集一个数字图片。如图4中的(a)和(b)所示，利用计算机，采用matlab或python编程语言将数字图片转化为灰度图像，图片中每个像素点上的灰度值取值范围为0～255，将每一张图的灰度值减去注入纳米零价铁前观测面的初始图像中各像素点所对应的灰度值，以删除背景值对于结果的影响，使处理后的背景值的灰度降为0。在注入阶段(20min)纳米零价铁运动区域有限，因此取灰度图像中距离注入口1221处上下10cm的区域作为计算区域进行后续分析；
84.5)如图5所示，在注入阶段(20min)，步骤4)中计算区域的平均灰度与时间呈正比例关系，其关系式为y＝0.4377x，r2＝0.9985。而在注入阶段，纳米零价铁的总量与时间同样呈正比例关系，则根据两个正比例关系式可以建立各像素点灰度与浓度的比例关系式，并将图4中(b)所示的灰度分布图转化为浓度分布图，如图6所示；
85.6)拍摄观测面任意时刻的实时图像，通过灰度与浓度的比例关系获得浓度分布图，从而获得观测腔体111内各位点处任意时刻浓度随时间的变化曲线。如图7所示，本实施例中取注入口1221所在的水平线上的3个研究点处的纳米零价铁浓度随注入时间的变化过程，其中第一个研究点(p1)与注入口1221相距12cm，p1、p2及p3之间同样相距12cm。各研究点处纳米零价铁的浓度随时间的变化如图8所示。
86.本发明通过将注入流场和背景流场分离，从而能够更灵活的设计实验条件。通过注入阶段平均灰度随时间变化的正比例关系将灰度分布转化为浓度分布，省去了取样的环节，减少了取样过程对流场的干扰，简化试验流程的同时能够使检测结果更准确。而且通过浓度转换后，可以获得任意时刻观测腔体111内纳米零价铁的浓度分布，能够更全面的获得了浓度信息。
87.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存
在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
88.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。