一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置及方法

1.本发明涉及土壤技术领域，特别是涉及一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置及方法。


背景技术：

2.土壤是环境的重要组成部分，是人类活动的载体，土壤质量的好坏影响着人类的生活和发展。近年来，我国土壤污染问题逐渐凸显，由于各种污染物引起的土壤污染十分严重。土壤污染不仅会通过食物链影响人体健康，还会引起各种次生生态环境问题。其中，重金属、有机污染物土壤污染问题尤为突出。因此，研究重金属及有机污染物在土壤中的动态迁移行为趋势，可为减少土壤中的重金属与有机物污染提供一定的科学依据，并为预防土壤重金属和有机物污染、进行环境风险评价提供一定的理论依据。土柱的应用是研究污染物在土壤中迁移和转化的有效手段之一，它可以用来模拟污染物在土壤垂直方向上的迁移转化过程，进而了解其迁移转化趋势。
3.目前的垂直土柱主要存在低流量时布水不匀、密封性差、模拟条件不完善、取土不方便等不足，从而导致实验误差较大，较为麻烦的使用方法也会给实验人员带来不便。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置及方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够保证淋滤实验时当溶液流量低时溶液的均匀淋滤，同时温度可调，使得模拟实验更加精确，取土口的设置能够使得后续实验更为方便，当内腔内的液位低于或高于指定高度时报警，还可自动取样，可使实验人员不必时刻监管。通过细致的设计保证了装置的密封性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置，包括铁架台、监控端，所述铁架台上固定安装有第一基座和第二基座，所述第一基座位于所述第二基座上方，所述第一基座上固定连接有供液箱，所述第二基座顶端固定连接有淋滤机构，所述第二基座下方设置有渗滤液收集器，所述淋滤机构与所述供液箱和所述渗滤液收集器相连通；
6.所述淋滤机构包括腔体，所述腔体的两端密封连接有端盖，所述腔体底部的端盖与所述第二基座固接，所述腔体包括内腔和外腔，所述内腔分别与所述供液箱和所述渗滤液收集器连通，所述内腔上开设有若干取土口，所述外腔连通有恒温水箱；所述内腔两端均设置有扩散垫片，所述扩散垫片上均匀开设有出水孔，所述内腔内设置有探测器，所述探测器与所述监控端电性连接。
7.优选的，所述供液箱连通有第一软管，所述第一软管的出水端贯穿所述腔体顶端的所述端盖并位于所述扩散垫片上方，所述第一软管通过所述扩散垫片与所述内腔连通，所述第一软管上设置有蠕动泵。
8.优选的，所述内腔底端连通有第二软管，所述第二软管的进水端贯穿所述腔体底
端的所述端盖并位于所述扩散垫片下方，所述渗滤液收集器包括转动座，所述转动座电性连接有定时器，所述转动座顶端固定连接有镂空转盘，所述镂空转盘顶端周向等间距开设有若干固定槽，所述固定槽内设置有收集小瓶，所述收集小瓶与所述第二软管对应设置。
9.优选的，所述外腔上开设有水循环入口和水循环出口，所述水循环入口位于所述水循环出口下方，所述恒温水箱连通有进水管和出水管，所述进水管与所述水循环入口连通，所述出水管与所述水循环出口连通。
10.优选的，所述扩散垫片包括垫片本体，所述垫片本体顶端周向等间距开设有若干导水槽，所述导水槽侧壁开设有若干进水孔，所述进水孔与所述出水孔连通。
11.优选的，所述探测器包括液位计和压力传感探针，所述液位计位于靠近所述内腔顶端的一端，所述液位计电性连接有液位传感器，所述压力传感探针贯穿所述内腔和外腔，所述压力传感探针电性连接有压力传感器,所述液位传感器和所述压力传感器均与所述监控端电性连接。
12.优选的，所述取土口上固定连接有取土管，所述取土管远离所述内腔的一端贯穿所述外腔并伸出所述外腔，所述取土管远离所述内腔的一端螺纹连接有密封盖。
13.一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置的使用方法，基于上述用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置，步骤如下：
14.a、柱状实验装置的安装：首先将腔体的底端与端盖进行组装，根据实验需要在内腔内放置若干压力传感探针，向内腔内装填分层土样并进行压实，将端盖与腔体的顶端组装，将进水管与水循环入口连通，将出水管与水循环出口连通，开启恒温水箱；
15.b、土柱饱和：完成步骤a后，先将第一软管与内腔底端连通，第二软管与内腔顶端连通，调节蠕动泵使流量为零，再将供液箱内加入超纯水，通过蠕动泵调节流体流速，对土柱进行饱和，液位传感器实时检测液位；
16.c、淋滤实验：完成步骤b后，将第一软管由内腔底端取下后与内腔顶端连通，将第二软管由内腔顶端取下后与内腔底端连通，再将若干收集小瓶置于固定槽中，利用定时器对转动座设置启动、关闭时间，最后将供液箱内超纯水换为实验用溶液，调整蠕动泵，液位传感器、压力传感器实时监测液位与压力，开始淋滤实验。
17.d、渗滤液收集：完成步骤c后，待若干收集小瓶均收集完毕渗滤液后及时进行更换。
18.优选的，所述内腔内由下至上依次装填有尼龙滤网、粗石英砂、细石英砂、分层土样、细石英砂、粗石英砂、尼龙滤网。
19.本发明公开了以下技术效果：
20.本发明提供的一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置及方法，通过供液箱提供实验用溶液，模拟污染物进入土壤的过程，同时扩散垫片提高在低流量下的布水效果；通过向包围土壤的外腔内输入恒温水，可以更好地模拟研究区域土壤环境条件，使得实验结果更加精确；通过设有的取土口，可以方便地取出土样，进行后续定量分析；通过在内腔设置探测器，探测器与监控端电性连接，当液位低于或高于指定高度时报警，可以使液位维持在一定高度而不需实验人员频繁看管；通过设置渗滤液收集器，可以实现自动取样，为实验的进行带来方便。通过以上设置，达到降低实验误差，提高实验精度，同时减少实验人员在进行实验时的操作步骤，使得实验快速精确的进行。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置的结构示意图；
23.图2为图1中a处的局部放大图；
24.图3为图1中b处的局部放大图；
25.图4为扩散垫片的立体图；
26.图5为滤液收集器的结构示意图；
27.图6为本发明分层土样填充完毕后的结构示意图；
28.图7为本发明得到的两次氯离子示踪曲线；
29.图8为采用其他土柱得到的两次氯离子示踪曲线；
30.其中，1-铁架台，2-第一基座，3-第二基座，4-供液箱，5-腔体，51-内腔，52-外腔，6-取土口，7-恒温水箱，8-垫片本体，81-导水槽，82-进水孔，83-出水孔，9-第一软管，10-蠕动泵，11-第二软管，121-底座，122-中空柱，123-转动杆，124-驱动齿轮，125-驱动电机，13-定时器，14-镂空转盘，15-固定槽，16-收集小瓶，17-第一连接板，18-o型密封垫圈，19-第二连接板，20-水循环入口，21-水循环出口，22-进水管，23-出水管，24-液位计，25-压力传感探针，26-液位传感器，27-压力传感器，28-取土管，29-密封盖，30-连接螺栓，31-废液缸，32-细石英砂，33-尼龙滤网，34-粗石英砂，35-分层土样。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
33.本发明提供一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置，包括铁架台1、监控端，所述铁架台1上固定安装有第一基座2和第二基座3，所述第一基座2位于所述第二基座3上方，所述第一基座2上固定连接有供液箱4，所述第二基座3顶端固定连接有淋滤机构，所述第二基座3下方设置有渗滤液收集器，所述淋滤机构与所述供液箱4和所述渗滤液收集器相连通；所述淋滤机构包括腔体5，所述腔体的两端密封连接有端盖，所述腔体5底部的端盖与所述第二基座3固接，所述腔体5包括内腔51和外腔52，所述内腔51分别与所述供液箱4和所述渗滤液收集器连通，所述内腔51上开设有若干取土口6，所述外腔52连通有恒温水箱7；所述内腔51两端均设置有扩散垫片，所述扩散垫片上均匀开设有出水孔83，所述内腔51内设置有探测器，所述探测器与所述监控端电性连接。
34.铁架台1起到支撑第一基座2和第二基座3的作用，端盖起到密封作用，防止实验用溶液的流出，同时端盖上设置有连接螺栓30，连接螺栓30一方面起到紧固端盖的作用，另一
方面使底端的端盖与第二基座3固定连接，在内腔51内设置探测器，探测器可以实时探测内腔51内的超纯水以及实验用溶液的高度，并根据溶液的高度进行实时报警，从而达到不需要实验人员频繁看管的效果，同时，渗滤液收集器可以根据实验需要在规定的时间内多批次的自动取样，两者均降低了实验人员的负担。腔体5为不锈钢材质，在内腔51的侧壁上开设若干取土口6，取土口6的设置可以使取样更为便捷，方便后续实验的展开，同时取土口6的分布可以视具体情况而定，外腔52连通恒温水箱7，使得实验过程中可以根据需要模拟研究区域土壤环境调节，从而提高实验的精确性。
35.进一步的，所述供液箱4连通有第一软管9，所述第一软管9的出水端贯穿所述腔体5顶端的所述端盖并位于所述扩散垫片上方，所述第一软管9通过所述扩散垫片与所述内腔51连通，所述第一软管9上设置有蠕动泵10。供液箱4的顶部带有箱盖，防止供液箱4内的溶液被污染，供液箱4底部与第一软管9连通的位置设置有阀门，从而控制供液箱4内的溶液流动，蠕动泵10起到控制溶液流速的作用，第一软管9起到将供液箱4内的溶液导入内腔51的作用，腔体5顶端的端盖上开设有进水口，以方便第一软管9的插入，第一软管9的出水端排出的溶液流动至扩散垫片上，由扩散垫片对溶液进行分流，进而提高淋滤效果。
36.进一步的，所述内腔51底端连通有第二软管11，所述第二软管11的进水端贯穿所述腔体5底端的所述端盖并位于所述扩散垫片下方，所述渗滤液收集器包括转动座，所述转动座电性连接有定时器13，所述转动座顶端固定连接有镂空转盘14，所述镂空转盘14顶端周向等间距开设有若干固定槽15，所述固定槽15内设置有收集小瓶16，所述收集小瓶16与所述第二软管11对应设置。镂空转盘14下方设置有废液缸31，转动座包括底座121，底座121顶端固定连接有中空柱122，中空柱内设置有转动杆123，转动杆123顶端与镂空转盘14固定连接，转动杆123上套设有驱动齿轮124，中空柱122内设置有驱动电机125，驱动电机125的输出端与驱动齿轮124啮合，驱动电机125与定时器13电性连接。第二软管11起到将内腔51内的溶液导出的作用，腔体5底端的端盖上开设有出水口，以方便第二软管11的插入，内腔51内的溶液先流至底端的扩散垫片上，再经过第二软管11导出，并流入收集小瓶16内。镂空转盘14起到支撑收集小瓶16的作用，收集小瓶16均匀分布在镂空转盘14边缘上的若干固定槽15内，用于收集在不同时间段从第二软管11滴入的渗滤液。当不需要收集时，渗滤液经过镂空转盘14滴入废液缸31内，在驱动电机125和驱动齿轮124的作用下，转动杆123转动带动镂空转盘14发生转动，定时器13用来控制驱动电机125的启停时间，进而实现自动取样的效果。
37.所述端盖包括与所述腔体5固定连接的第一连接板17，所述第一连接板17上开设有凹槽，所述扩散垫片位于所述凹槽内，所述第一连接板17上固定连接有o型密封垫圈18，所述o型密封垫圈18与所述扩散垫片对应设置，且所述o型密封垫圈18的直径不小于所述扩散垫片的直径，所述o型密封垫圈18顶端固定连接有第二连接板19。端盖起到密封作用，使内腔51内的溶液均经过第一软管9和第二软管11流入或流出，提高实验的精确性，第一连接板17和第二连接板19之间可以通过连接螺栓30固定连接，同时连接螺栓30起到将端盖与第二基座3固定的作用，o型密封垫圈18的直径大于扩散垫片的直径，防止流至扩散垫片上的溶液流至其他位置。
38.进一步的，所述外腔52上开设有水循环入口20和水循环出口21，所述水循环入口20位于所述水循环出口21下方，所述恒温水箱7连通有进水管22和出水管23，所述进水管22
与所述水循环入口20连通，所述出水管23与所述水循环出口21连通。恒温水箱7的出水口可通过阀门控制其打开或关闭，恒温水箱7内的温度可控，内装调节温度用循环水，通过进水管22和出水管23与外腔52连通，从而调节温度使得实验能够模拟土壤原本的环境温度，让结果更加准确。
39.进一步的，所述扩散垫片包括垫片本体8，所述垫片本体8顶端周向等间距开设有若干导水槽81，所述导水槽81侧壁开设有若干进水孔82，所述进水孔82与所述出水孔83连通。扩散垫片起到提高溶液扩散效果的作用，导水槽81周向分布，溶液落至垫片本体8的中心位置，也就是若干导水槽81相交处，溶液由导水槽81引向不同方向，在导水槽81上开设若干进水孔82，导水槽81上的进水孔82数量相同，且若干进水孔82的孔径大小相等，溶液通过进水孔82流至相邻两导水槽81之间的位置，并通过出水孔83扩散并滴入下方土柱中，从而使得溶液均匀分布，提高实验的精确性。
40.进一步的，所述探测器包括液位计24和压力传感探针25，所述液位计24位于靠近所述内腔51顶端的一端，所述液位计24电性连接有液位传感器26，所述压力传感探针25贯穿所述内腔51和外腔52，所述压力传感探针25电性连接有压力传感器27。液位传感器26和压力传感器27均连接有监控端，监控端可以为电脑，液位计24的测量面为土壤上层石英砂与内腔51顶部留出的缓冲区内液位，根据实验需要，缓冲区内液位低于或高于指定高度时报警，可使实验人员不必时刻监管，压力传感探针25的测量面为分层土样分界面。
41.进一步的，所述取土口6上固定连接有取土管28，所述取土管28远离所述内腔51的一端贯穿所述外腔52并伸出所述外腔52，所述取土管28远离所述内腔51的一端螺纹连接有密封盖29。取土管28为带螺纹的中空圆柱体，为了保证实验的密封性，可以在取土管28内设置滤网以及圆柱形防渗水橡皮塞，并在最外层设置带有o型密封垫片的密封盖29，从而保证装置整体的密封性，以及在实验过程中方便取拿土样。
42.一种用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置的使用方法，基于上述用于土壤中污染物迁移转化实验的实验装置，步骤如下：
43.a、柱状实验装置的安装：首先将腔体5的底端与端盖进行组装，根据实验需要在内腔51内放置若干压力传感探针25，向内腔51内装填分层土样35并进行压实，将端盖与腔体5的顶端组装，将进水管22与水循环入口20连通，将出水管23与水循环出口21连通，开启恒温水箱7；端盖起到密封腔体5的作用，使得内腔51内的溶液只能由端盖流出，防水剂可以采用凡士林，起到防水密封的作用，恒温水箱7保证腔体5周围的温度，从而调节温度使得实验能够模拟土壤原本的环境温度，三者均提高了实验的精确性。
44.b、土柱饱和：完成步骤a后，先将第一软管9与内腔51底端连通，第二软管11与内腔51顶端连通，调节蠕动泵10使流量为零，再将供液箱4内加入超纯水，通过蠕动泵10调节流体流速，对土柱进行饱和，液位传感器26实时检测液位；在进行淋滤实验前，需要进行土柱饱和操作，第一软管9连接内腔51底端，第二软管11连接内腔52顶端，此时第二软管11的出水端可以连通废液缸31，在供液箱4内加入超纯水，超纯水由下至上进行土柱饱和操作，在此过程中，供液箱4内的超纯水通过蠕动泵10泵入内腔51，并同时开启液位传感器26和监控端，待监控端报警，表明液位已达到指定高度，土柱饱和完毕。
45.c、淋滤实验：完成步骤b后，将第一软管9由内腔51底端取下后与内腔51顶端连通，将第二软管11由内腔51顶端取下后与内腔51底端连通，再将若干收集小瓶16置于固定槽15
中，利用定时器13对转动座设置启动、关闭时间，最后将供液箱4内超纯水换为实验用溶液，调整蠕动泵10、液位传感器26、压力传感器27，实时检测液位与压力，开始淋滤实验。土柱饱和完毕后，将第一软管9和第二软管11复原，在供液箱4内加入实验用溶液，并开启定时器13和驱动电机125，在定时器13的作用下，渗滤液在需要时滴入收集小瓶16内，不需要时滴入废液缸31内。
46.d、渗滤液收集：完成步骤c后，待若干收集小瓶16均收集完毕渗滤液后及时进行更换。当所有收集小瓶16内的渗滤液收集满后，及时更换新的收集小瓶16。
47.进一步的，内腔51由下至上依次放置尼龙滤网33、粗石英砂34、细石英砂32、分层土样35、细石英砂32、粗石英砂34、尼龙滤网33，同时在内腔51顶部的入水口和内腔51底部的出水口均放置扩散垫片，且底部出水口的扩散垫片需要倒置放置，尼龙滤网33起到固定粗石英砂34的作用，避免粗石英砂24堵塞扩散垫片上的进水孔82和出水孔83，扩散垫片与粗石英砂34、尼龙滤网33、细石英砂32配合，提高了溶液的均匀淋滤效果。
48.按照本发明实施例，使用0.05mol/l的nacl溶液作为实验过程中的示踪溶液，分别采用本发明土柱和其他土柱进行两次氯离子示踪试验。采用滴定法测定渗滤液中氯离子浓度，得到效果验证例如图(图7)所示。相较于对比例(图8)，采用本发明得到的氯离子示踪曲线较为稳定。
49.以下为采用本发明得到的两次氯离子示踪曲线和采用其他土柱得到的两次氯离子示踪曲线的数据表：
[0050][0051]
[0052][0053]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的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。
[0054]
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。