專利名稱：固體介質(zhì)中物質(zhì)過程解析研究裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于野外土壤等固體介質(zhì)的采樣分析裝置。
由于發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要，肥料及各種污染物等物質(zhì)在地下水-土壤-植物生物圈中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及其與大氣圈間物質(zhì)交換過程的研究受到越來越廣泛的關(guān)注，各國對有關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)項(xiàng)目的投入日益增加。
目前正在使用的土壤-植物系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究方法是傳統(tǒng)的野外剖面采樣和土柱實(shí)驗(yàn)。剖面采樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且無法做到水、土、氣同時(shí)采樣，研究結(jié)果受采樣代表性、氣候等因素的影響也較大。傳統(tǒng)土柱實(shí)驗(yàn)在取樣時(shí)則需停止實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，而且無法同時(shí)采集各層次的水、土、氣樣品，挖取樣品十分費(fèi)力并易污染樣品。
發(fā)達(dá)國家目前采用的土壤滲濾裝置雖可用以進(jìn)行地下水、土壤、植物和氣體采樣，但無法進(jìn)行土壤中多層次的解析研究。此外，此系統(tǒng)因需地下工程，造價(jià)很高。國外在生活污水土壤處理法研究中，為解析污水在土壤滲濾過程中的水質(zhì)變化，采用在設(shè)備中埋設(shè)收集桶的方法取各層次水樣，但收集桶改變土壤水的流態(tài)，易造成結(jié)果偏差，且無法收集土壤、氣體等樣品。此外，試驗(yàn)設(shè)備只能在固定試驗(yàn)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，靈活性和可控性差，占地面積大，造價(jià)高。
本發(fā)明的目的是提供一種可同時(shí)采集不同深度(高度)層次上的水、氣及土壤等固體介質(zhì)樣品，也可進(jìn)行部分化學(xué)指標(biāo)的在線監(jiān)測；有可控性，占地面積小，易于取樣解析的裝置。
本發(fā)明由主體部分、自控部分、監(jiān)測部分和樣品采集部分組成。主體部分為分段的柱體，用以裝填固體介質(zhì)(如土壤、砂礫等)，可進(jìn)行一次性采樣，也可設(shè)多個(gè)柱，在不同時(shí)間采樣。主體部分由一系列可上下插接的套筒分段組成裝填固體介質(zhì)柱體，筒徑、筒高及筒的數(shù)量視需要而定。套筒上端為凸沿，下端為凹沿，可將兩筒承接在一起。每個(gè)套筒上留有監(jiān)測孔、取樣孔和通氣孔、通水孔，孔的數(shù)量按需而定，位置可在圓周方向錯(cuò)開，通氣孔、通水孔經(jīng)通氣管路、布水管路與其控制部分的控制器輸出端相連，監(jiān)測孔埋入的電極和與其相連的顯示器或計(jì)錄器構(gòu)成監(jiān)測部分，采集部分設(shè)有液體采集器、氣體采集器、固體采集器。為模擬地下水，或需調(diào)節(jié)某一層次含水量，可制成帶有與外接管路相聯(lián)的布水管口的布水套筒和多孔套筒，插接到需布水的位置。柱體最下端的套筒可為由普通套筒和篩板組成，用于收集固體介質(zhì)的淋出液。
自控部分由控制器、布水管路和通氣管路組成。通過該部分可以在不同介質(zhì)層次定量布水和通氣，也可通過監(jiān)測部分的反饋，控制交替布水和通氣，以調(diào)節(jié)主體部分介質(zhì)保持一定的氧化還原電位、pH值?？刂破饔啥〞r(shí)器、繼電器和接受反饋信號、輸出控制信號的電路組成，有多個(gè)輸出通道。根據(jù)要求設(shè)定時(shí)間，接通不同的輸出，控制布水、通氣、監(jiān)測、采樣系統(tǒng)的啟動與關(guān)閉。布水管路由貯液槽、輸水管、止回閥、液體流量計(jì)和恒流泵組成。主體部分上的進(jìn)水口可按需要接在柱體上部(模擬降水等)或不同層次。通氣管路由氣泵、調(diào)節(jié)閥和氣體流量計(jì)組成。進(jìn)氣口可設(shè)在柱體不同層次上。
監(jiān)測部分可在線監(jiān)測主體部分的溫度、氧化還原電位、pH值和溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)等可用電極進(jìn)行測量的指標(biāo)。由插入部分不同層次，密封嚴(yán)密的電極和信號輸出顯示或計(jì)錄器組成。
采樣部分可進(jìn)行固體介質(zhì)、液體(水)、氣體樣品的同時(shí)采集，并可由自控部分控制。
各層次的液體樣品和采集是由插入固體介質(zhì)的真空取樣管取出。在柱體底部的收集管可收集柱體淋出的液體樣品。固體介質(zhì)樣的采集是將各層套筒聯(lián)接處拆下，在兩筒之間插入隔板，可將上一段套筒取下，再用推板將固體介質(zhì)樣品從該段套筒推出。依此方法取各段套筒樣品，用以進(jìn)行多種指標(biāo)的分析。氣體樣品的采集是在各層套筒中埋入氣體平衡取樣管抽出氣體。
本發(fā)明不僅可節(jié)省人力，加快工作進(jìn)度，也可按需設(shè)定試驗(yàn)條件，使一套系統(tǒng)發(fā)揮多種功能，還可使柱體內(nèi)部體系保持在需要的氧化還原狀態(tài)下進(jìn)行多種水文等條件下的研究。它適用于進(jìn)行土壤等固體介質(zhì)中的物質(zhì)過程解析研究，還可以在野外自然條件下和室內(nèi)受控條件下自動運(yùn)行，并可按需要隨意拆裝組合。它具有在裝置運(yùn)行過程中，同時(shí)采集系統(tǒng)輸入、輸出處不同深度(高度)層次上的水、氣及土壤等固體介質(zhì)樣品的功能，且取樣精確、無樣品污染。其靈活性和可控性好，占地面積小，造價(jià)低，易于推廣應(yīng)用。它不但可以進(jìn)行部分化學(xué)指標(biāo)的在線監(jiān)測，亦可自動控制固體介質(zhì)內(nèi)的氧化還原狀態(tài)。此外，此裝置也可供水處理過濾工藝、化工填料塔等工業(yè)單元操作的工藝研究與技術(shù)開發(fā)使用。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明主體部分的套筒結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為與圖2的套筒底口相接的底板結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為圖2的套筒內(nèi)(底層)所用篩板結(jié)構(gòu)示意圖。
圖5為圖4的俯視圖。
圖6為圖2的套筒上所設(shè)布水、通氣孔管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為本發(fā)明中的采樣管結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8為本發(fā)明的自控部分電路原理圖。
本發(fā)明的監(jiān)測部分由電極P和信號輸出顯示器或計(jì)錄器(12)組成，插入套筒(14)監(jiān)測孔(15)的電極P輸出端連至顯示器或計(jì)錄器(12)和自控部分控制器(1)的反饋端。采集部分中用于套筒(14)中埋入的氣體平衡取樣管E(采樣器)由外覆紗網(wǎng)F的斜端孔管和橡膠套塞D組成；插入固體介質(zhì)中，使固體介質(zhì)中氣體向管內(nèi)擴(kuò)散至平衡，用真空管或取樣針管G刺入膠塞抽出氣樣。自控部分包括有時(shí)間設(shè)定和氧化還原電位設(shè)定，時(shí)間設(shè)定由數(shù)顯數(shù)字時(shí)間繼電器Jt設(shè)定時(shí)間，通過按鈕開關(guān)K1啟動，接通輸出Bc，當(dāng)計(jì)時(shí)到設(shè)定的時(shí)間后，與輸出Bc相聯(lián)的輸出繼電器在JB停止輸出，同時(shí)觸發(fā)數(shù)顯數(shù)字時(shí)間繼電器Jt復(fù)零，重新計(jì)對并啟動另一輸出繼電器JA，依此方式實(shí)現(xiàn)輸出Ac與輸出Bc的交替輸出，輸出端Ac、Bc分別與氣泵(3)和恒流泵(7)相聯(lián)。氧化還原電流的設(shè)定是由電極P采集信號，經(jīng)Eh計(jì)將信號轉(zhuǎn)化成輸入電流。由比較放大電路U設(shè)定某一Eh值，通過比較放大電路將輸入電流與設(shè)定值比較，當(dāng)輸入電位小于設(shè)定值時(shí)，接通雙向可控硅開關(guān)K2，啟動連接于氣泵(3)的輸出。主體部分的底層套筒(14)為收集固體介質(zhì)的淋出液，由普通套筒(14)和篩板(22)、螺栓(20)、支栓(21)、底板(18)、出水口(19)組裝而成。
采用本發(fā)明進(jìn)行亞表面土壤床(Subsurface Soil Bed)生活污水處理技術(shù)的開發(fā)研究時(shí)，通過對處理污水的功能土壤層進(jìn)行分層次解析研究，獲得了不同土壤類型的水分、氧化還原電位、主要功能菌群、氨化和硝化強(qiáng)度的分布狀況，確定出所需土壤深度、主要處理層次的位置和最佳運(yùn)行條件。所開發(fā)的生活污水處理設(shè)備與國外同類技術(shù)相比，不僅深度減少，而且在保證相同效率前提下，提高了一倍的處理量。將本發(fā)明應(yīng)用于提高氮肥利用率的研究。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中施用的氮肥可以通過氨揮發(fā)、形成硝酸鹽和某些氣態(tài)氮化物而損失，這不僅降低氮肥利用率，而且易造成地下水污染和大氣中溫室效應(yīng)氣體濃度的增加。利用本發(fā)明進(jìn)行研究，可以獲得不同土壤氣候條件下氮肥的形態(tài)轉(zhuǎn)化規(guī)律、轉(zhuǎn)化發(fā)生的主要土壤層次和機(jī)理。據(jù)此提出減少氨素?fù)p失的措施，獲得具體的技術(shù)參數(shù)。將本發(fā)明應(yīng)用于土壤中污染物過程研究和污染物在土壤-植物生態(tài)系統(tǒng)中遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律研究。不僅可研究污染物在土壤、植物、水中的分布和形態(tài)變化，也可研究由于土壤或水文條件變化以及土壤水流態(tài)分布等對污染物遷移轉(zhuǎn)化的影響。
采用本發(fā)明和傳統(tǒng)土柱方法進(jìn)行″NOVO農(nóng)用污泥對天津鹽堿土的鹽分動態(tài)影響″研究為例說明如下″NOVO家用污泥對天津鹽堿土的鹽分動態(tài)影響研究″首先需要采原狀土按原容重裝填土柱。傳統(tǒng)土柱法由于土柱長而且不分段，底層土無法保證原來的容重；而采用本發(fā)明的分段套筒裝填時(shí)，可將不同段套筒分別插入不同濃度原狀土后取出，即可保證柱內(nèi)土柱與原狀土有相同的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。為獲得不同生長季的鹽分動態(tài)，傳統(tǒng)土柱法需根據(jù)取樣次數(shù)設(shè)多個(gè)土柱，并且每次取樣均需先挖出不同層次土樣，浸提后分析電導(dǎo)率。采用本發(fā)明則只需一個(gè)土柱，在各層次進(jìn)行電導(dǎo)率的在線監(jiān)測即可，使工作效率大大提高。采用傳統(tǒng)土柱研究需將所有柱體安裝在現(xiàn)場，以保證與當(dāng)?shù)貧夂驐l件一致。而采用本發(fā)明，可通過自控系統(tǒng)在室內(nèi)模擬典型氣候條件進(jìn)行研究，不僅獲得的結(jié)果有代表性，同時(shí)節(jié)省赴現(xiàn)場采樣分析的人力物力。
圖1中的2為貯液槽，4為氣體流量計(jì)，5為控制閥，6為止回閥，8為液體流量計(jì)，10為取樣閥，11為真空泵；圖2～6中的13為膠塞，23為布水、通氣孔管；圖7中的A為柱體，B為固體介質(zhì)，C為密封圈，；圖8中的L為指示燈，R為電阻。
權(quán)利要求
1．一種固體介質(zhì)中物質(zhì)過程解析研究裝置，包括主體部分、自控部分、監(jiān)測部分和采集部分，其特征在于主體部分由一系列可上下插接的套筒(14)分段組成裝填固體介質(zhì)柱體(9)，每個(gè)套筒上留有監(jiān)測孔(15)、取樣孔(16)、通氣孔和通水孔(17)，通氣孔、通水孔經(jīng)通氣管路、布水管路與其控制部分的控制器(1)輸出端相連，監(jiān)測孔(15)埋入的電極P與其相連的顯示器或計(jì)錄器(12)構(gòu)成監(jiān)測部分，采集部分設(shè)有液體采集器、氣體采集器、固體采集器。
2．按照權(quán)利要求1所述的固體介質(zhì)中物質(zhì)過程解析研究裝置，其特征在于監(jiān)測部分由電極P和信號輸出顯示器或計(jì)錄器(12)組成，插入套筒(14)監(jiān)測孔的電極P輸出端連至顯示器或計(jì)錄器和自控部分控制器(1)的反饋端。
3．按照權(quán)利要求1所述的固體介質(zhì)中物質(zhì)過程解析研究裝置，其特征在于套筒中埋入的氣體平衡取樣管E由外覆紗網(wǎng)F的斜端孔管和橡膠套塞D組成。
全文摘要
本發(fā)明屬于野外土壤等介質(zhì)的采樣分析裝置。它由主體部分、自控部分、監(jiān)測部分和采集部分組成。主體部分由一系列可上下插接的套筒分段組成裝填固體介質(zhì)的柱體,自控部分由控制器、布水管路和通氣管路組成,監(jiān)測部分可在線監(jiān)測主體部分的溫度、氧化還原電位、pH值和溶解氧(DO)、化學(xué)需氧量(COD)等可用電極進(jìn)行測量的指標(biāo)。本發(fā)明不僅可節(jié)省人力,加快工作進(jìn)度,也可按需設(shè)定試驗(yàn)條件,使一套系統(tǒng)發(fā)揮多種功能,還可使柱體內(nèi)部體系保持在需要的氧化還原狀態(tài)下進(jìn)行多種水文的研究。
文檔編號G01N33/00GK1223375SQ9811372
公開日1999年7月21日 申請日期1998年1月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年1月15日
發(fā)明者祁兵, 侯愛新 申請人:中國科學(xué)院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所