自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)與應(yīng)用＊

張衛(wèi)國，石媛，穆睿

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自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)與應(yīng)用＊

張衛(wèi)國1，石媛2，穆睿1

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030000）

淋濾實(shí)驗(yàn)是研究物質(zhì)遷入或遷出過程的重要手段之一，涉及學(xué)科廣泛。針對現(xiàn)有淋濾實(shí)驗(yàn)裝置功能單一、自動化程度低等問題，開發(fā)了一套多功能自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置，詳細(xì)介紹了該套裝置的總體結(jié)構(gòu)、各部件連接關(guān)系、功能實(shí)現(xiàn)過程及原理。自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置可以完成3種不同類型的淋濾實(shí)驗(yàn)，通過目標(biāo)物總量的加和計(jì)算，可以有效地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。該套裝置的開發(fā)與應(yīng)用對于固液間物質(zhì)交換的精細(xì)化、定量化研究具有一定的借鑒作用。

淋濾實(shí)驗(yàn)；總體結(jié)構(gòu)；裝置開發(fā)；自動化程度

淋濾也稱“淋溶”，通常指大氣降水滲入地下時，滲流水把地表附近細(xì)小的破碎物質(zhì)和圍巖中易溶成分溶解帶走的過程。環(huán)境科學(xué)中經(jīng)常進(jìn)行的淋濾實(shí)驗(yàn)是模擬污水的滲入過程，研究污染物在飽氣帶中的吸附、轉(zhuǎn)化、自凈機(jī)制，確定飽氣帶的防護(hù)能力，為評價污水滲漏對地下水水質(zhì)的污染影響提供參考依據(jù)[1-2]。除此之外，淋濾還是煤等地質(zhì)體中有害元素遷移出的主要途徑之一[3-6]。地質(zhì)體中有害元素經(jīng)常通過地下水作用于鄰近巖層，雨水也會對地質(zhì)體中有害元素進(jìn)行淋溶，通過地表徑流滲入土壤中，對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，淋濾實(shí)驗(yàn)是研究物質(zhì)遷入或遷出能力的重要手段之一。

常用淋濾實(shí)驗(yàn)方法（思路）有靜態(tài)浸泡和動態(tài)淋濾兩種。靜態(tài)浸泡是將淋濾液浸沒被淋濾介質(zhì)一段時間后取出液體，測試液體中目標(biāo)物的含量變化情況。動態(tài)淋濾又分為兩種，一種是目標(biāo)物在淋濾液中，測試淋濾液進(jìn)入被淋濾介質(zhì)后目標(biāo)物的損耗量，即目標(biāo)物被淋濾介質(zhì)的吸附/轉(zhuǎn)化的情況；一種是目標(biāo)物在被淋濾介質(zhì)中，測試淋濾液進(jìn)入被淋濾介質(zhì)后目標(biāo)物的增加量，即目標(biāo)物被淋濾液從介質(zhì)中攜帶出的情況[7]。由于淋濾實(shí)驗(yàn)涉及學(xué)科比較多，研究者對淋濾機(jī)理關(guān)注比較多，淋濾實(shí)驗(yàn)裝置的開發(fā)相對滯后[8]。目前，淋濾實(shí)驗(yàn)裝置尚存一些問題。比如現(xiàn)有淋濾實(shí)驗(yàn)裝置比較單一，淋濾時間、淋濾液流量、驅(qū)動力等參數(shù)控制和采集不夠精確；淋濾柱中多數(shù)僅放置單種被淋濾介質(zhì)，無法實(shí)現(xiàn)模擬多層介質(zhì)疊加作用下的復(fù)雜地質(zhì)體情況；連續(xù)動態(tài)淋濾情況下，淋濾液單程進(jìn)入被淋濾介質(zhì)，造成淋濾液消耗大，且淋濾液中目標(biāo)物濃度低，實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度低，重現(xiàn)性差；實(shí)驗(yàn)裝置自動化程度低，耗時費(fèi)力，實(shí)驗(yàn)中容易出錯[9-12]。

針對上述問題，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、數(shù)據(jù)精確，并且能夠模擬多層介質(zhì)疊加作用下的復(fù)雜地質(zhì)體情況的自動往復(fù)式淋濾裝置。

1 實(shí)驗(yàn)裝置開發(fā)

基于傳統(tǒng)土柱淋濾實(shí)驗(yàn)框架，參考美國環(huán)保局提出的淋濾環(huán)境評價體系（LEAF），遵循自動化、模塊化、多功能原則進(jìn)行裝置研發(fā)。

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置主要包括淋濾柱、升降機(jī)、濾液箱、翻轉(zhuǎn)機(jī)、空壓機(jī)和控制器等，如圖1所示。升降機(jī)、空壓機(jī)和控制器固定安裝在載臺上；翻轉(zhuǎn)機(jī)通過支撐架固定安裝在載臺上；淋濾柱通過卡位釘與翻轉(zhuǎn)電機(jī)相連；兩個濾液箱分別放置在升降機(jī)的升降臺上，濾液箱液路口通過液路管分別與淋濾柱液路孔相連；濾液箱氣路口通過氣路管與空壓機(jī)相連；氣液路端口設(shè)置有電磁閥、氣壓表和流量計(jì)，由控制器微機(jī)控制開閉和數(shù)據(jù)采集。

1.2 淋濾柱

淋濾柱由多節(jié)單模塊、上下封蓋、一組夾持蓋、4根拉桿、8個螺絲組成；單模塊、上下封蓋、夾持蓋材質(zhì)為有機(jī)玻璃，拉桿、螺絲材質(zhì)為合金鋼；淋濾柱單模塊設(shè)置有墊圈和篩孔，各單模塊上下疊套，通過墊圈密封；上封蓋設(shè)置有密封圈和液路口，與最上端單模塊上下疊套，通過密封圈密封；下封蓋設(shè)置有墊圈和液路口，與最下端單模塊上下疊套，通過墊圈密封；夾持蓋設(shè)置有4個拉桿孔、墊片和液路孔，分別與上下封蓋疊套，通過墊片緩沖；拉桿設(shè)置有螺絲和卡位釘；拉桿孔與夾持蓋相連，通過螺絲固定夾緊；淋濾柱上下液路孔分別與氣路管相連，氣路管與液路管為耐壓抗腐軟管，各接口處由密封卡扣固定。

1—升降機(jī)；2—?dú)饴罚?—濾液箱；4—翻轉(zhuǎn)機(jī)；5—淋濾柱； 6—液路；7—空壓機(jī)；8—控制器；9—載臺。

1.3 升降結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)載臺兩端設(shè)置有升降機(jī)，升降機(jī)由升降電機(jī)、軌道和升降臺組成。升降電機(jī)通過線路與控制器相連，受控制器支配，升降電機(jī)通過軌道驅(qū)動升降臺；升降臺上放置濾液箱，升降臺帶動濾液箱上下移動。濾液箱由出液口、進(jìn)液口、氣路口和液路口組成；濾液箱材質(zhì)耐壓、抗腐、透明，箱體標(biāo)有刻度線；出液口設(shè)置有手動閥門，用于采集箱內(nèi)液體；進(jìn)液口為漏斗狀，方便向箱內(nèi)倒入液體，進(jìn)液口設(shè)置有電磁閥；氣路口設(shè)置有電磁閥和氣壓表，通過氣路管與空壓機(jī)相連；液路口設(shè)置有電磁閥和流量計(jì)，通過液路管與淋濾柱相連。

1.4 翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要涉及翻轉(zhuǎn)機(jī)，翻轉(zhuǎn)機(jī)由翻轉(zhuǎn)器和翻轉(zhuǎn)電機(jī)組成，通過支撐架固定安裝在載臺上，翻轉(zhuǎn)器通過卡位釘與淋濾柱連接，翻轉(zhuǎn)電機(jī)通過線路與控制器相連，受控制器支配，實(shí)現(xiàn)180°回程往復(fù)翻轉(zhuǎn)動作。

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制器上的時間顯示、翻轉(zhuǎn)計(jì)次顯示、電源開關(guān)、升降機(jī)開關(guān)、翻轉(zhuǎn)機(jī)開關(guān)、空壓機(jī)開關(guān)和微機(jī)組成，固定安裝在載臺上；通過線路與升降機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)、空壓機(jī)、各電磁閥和流量計(jì)相連，通過控制升降機(jī)、翻轉(zhuǎn)機(jī)和各電磁閥實(shí)現(xiàn)淋濾柱往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)，通過采集流量計(jì)和翻轉(zhuǎn)器的信號實(shí)現(xiàn)淋濾液流量記錄、淋濾時間記錄、翻轉(zhuǎn)次數(shù)記錄。

2 實(shí)驗(yàn)裝置應(yīng)用

自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)3種不同類型的淋濾實(shí)驗(yàn)：①單一介質(zhì)往復(fù)淋濾實(shí)驗(yàn)；②多介質(zhì)往復(fù)淋濾實(shí)驗(yàn)；③液壓差往復(fù)淋濾實(shí)驗(yàn)。以上3種淋濾實(shí)驗(yàn)，均可裝配不同類型的淋濾液如超純水、標(biāo)液、自然水體（雨水、河水、礦井水）等，以供不同類型淋濾液條件下淋濾效果對比分析使用。淋濾柱可進(jìn)行多樣多節(jié)組合，以供模擬復(fù)雜地質(zhì)體和新材料研究使用。通過目標(biāo)物總量的加和計(jì)算，可以有效地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性；可以測定從淋濾實(shí)驗(yàn)開始到某一時間點(diǎn)，淋濾液中增加的目標(biāo)物的絕對量占實(shí)驗(yàn)前被淋濾介質(zhì)中目標(biāo)物的絕對量的百分比，即淋出率；可以測定從淋濾實(shí)驗(yàn)開始到某一時間點(diǎn)，被淋濾介質(zhì)中增加的目標(biāo)物的絕對量占實(shí)驗(yàn)前淋濾液中目標(biāo)物的絕對量的百分比，即介質(zhì)吸附率。根據(jù)不同時間淋出率和介質(zhì)吸附率繪制曲線，淋出率曲線可以直觀地看出目標(biāo)物在介質(zhì)中被淋濾出的起始時間和速率，介質(zhì)吸附率曲線可以直觀地看出目標(biāo)物被介質(zhì)吸附的起始時間和速率。

3 結(jié)束語

淋濾實(shí)驗(yàn)涉及學(xué)科廣泛，對于科學(xué)研究具有重要作用。針對現(xiàn)有淋濾實(shí)驗(yàn)裝置功能單一、自動化程度低等問題，開發(fā)了一套自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置。該套裝置結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、節(jié)省人力、占地面積小、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長、自動化程度高，有效減少了實(shí)驗(yàn)中的人為誤差。自動往復(fù)式淋濾實(shí)驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)3種不同類型的淋濾實(shí)驗(yàn)，通過目標(biāo)物總量的加和計(jì)算，可以有效地驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

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張衛(wèi)國（1985—），男，河北雄縣人，碩士，工程師，主要從事煤地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。

國家自然科學(xué)基金（編號：41802187）；陜西省教育廳科學(xué)研究計(jì)劃專項(xiàng)項(xiàng)目（編號：18JK0521）

2095－6835（2018）24－0095－02

TQ534

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.095

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕