膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置及其操作方法

2023-05-13 04:26:31

膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置及其操作方法
【專利摘要】本發明公開了一種膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置，具有過流緩衝裝置，防止膠體在沙柱段非正常沉積。該裝置通過智能實時方式測得在沙柱中遷移的膠體的濃度、溫度、pH值，及實驗終止時取樣測量沿程截留膠體的量和粒徑分布情況，能有效地揭示膠體在多孔介質中的遷移機理。本發明還公開該實驗裝置的操作方法，能夠測出截留膠體沿程的量和粒徑分布情況，解決了以往沙柱實驗中膠體沿程參數難以測量的問題。
【專利說明】膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置及其操作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於水利工程、環境工程和農業工程【技術領域】，具體涉及一種膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置。
【背景技術】
[0002]在過去有很多的學者通過沙柱實驗來探究了膠體在多孔介質中的截留量，只測量實驗尾水的濃度，推算膠體的截留量，而把膠體在沙柱中的遷移過程看似黑箱，沒有進一步探索，無法探究膠體在遷移過程中分層情況以及粒徑變化狀況，並且在具體實施過程中，還有如下困難，很多的參數難以直接測得，需經過繁瑣的操作過程，以及一定推理轉化才能獲得，指示測量誤差很大。為正確且方便的獲得這些參數，如今設計一套實時智能的實驗裝置，並提供操作方法，以便更好的揭示膠體在沙柱中的遷移規律。

【發明內容】

[0003]發明目的:為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置。
[0004]技術方案:為解決上述技術問題，本發明的提供的一種膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置，包括進水控制裝置、與進水控制裝置一端相連的沙柱、與沙柱另一端相連的出水控制裝置以及實時測量裝置；所述沙柱包括實驗穿透區以及與實驗穿透區相連的過流緩衝區；所述進水控制裝置與實驗穿透區之間的連接端部設有進水閥門，所述實驗穿透區上設有一組取樣針孔、一組裝在沙柱中的孔隙水電導率探頭、每個孔隙水電導率探頭和每個針孔安裝位置對應，且不影響針孔的正常抽樣，分別設置在實驗穿透區兩端一層尼龍網，所述過流緩衝區從進水向出水方向依次設有吸光度探頭、出水電導率探頭、溫度pH探頭、流量計；過流緩衝區末端設有尾水出口以及設在尾水出口上的出水閥門；所述實時測量裝置包括計算機以及分別與計算機相連的數據採集器、雷射粒度分析度儀、外接分光光度計；所述吸光度探頭、孔隙水電導率探頭、出水電導率探頭、溫度PH探頭、流量計分別與數據採集器相連。
[0005]本發明中，實驗穿透區為實驗的主體部分，實驗前在其中裝滿需要的沙體，作為實驗測試段供膠體遷移的多孔介質，沙柱兩端分別設一層尼龍網，以防止沙體散逸，取樣針孔在沙柱表面每隔一段距離布置一個，以便沿程抽取孔隙水中膠體樣品，孔隙水探頭在對應取樣針孔處每隔一段距離布置一個，探頭插入沙柱內部，以便沿程測量溶液鹽度，並在外部測量沿程的膠體濃度，過流緩衝柱有一定的長度，防止實驗段沙柱中膠體在尾段因沙柱形狀的變化，導致過流液體流態急劇變化，致使膠體非正常的沉積；出水閥門為可拆卸可調流量的螺旋閥門，在實驗準備階段可調節其開度，以得到需要的流量；在實驗過程中保持開度，以穩定流量；在實驗結束時，可拆下清洗，以防止膠體沉積而堵塞出水閥門。流量計為流量傳感器，可將裝置中的流量轉化為電子信號傳給計算機，實驗操作人員可通過讀取計算機中的數據得到裝置中的流量。[0006]吸光度探頭可以測出該點該時膠體的吸光度，通過數據採集器將數據傳至計算機，計算機通過預先導入的膠體一濃度標定曲線，可將該點膠體吸光度轉化為其濃度。電導率探頭可以測出該點溶液的電導率，將數據傳至計算機，通過預先導入計算機的溶液的電導率一濃度標定曲線，可將該點溶液的電導率轉化為其鹽度。穿透沙柱出口處溶液電導率探頭在吸光度探頭的後面，如此布置是為了讓電導率探頭不影響吸光度探頭。膠體濃度是實驗中最重要的參數，其測量準確性須較高，因為吸光度探頭靠穿透實驗沙柱最近，膠體濃度的測量受影響最小。溫度及PH值為次要參數，放在緩衝柱中央附近，防止與其他探頭相互幹擾。在整套裝置中，流量相等，流量計可布置在最靠出口處，以免影響其他探頭。多功能數據採集器可收集吸光度探頭、電導率探頭、溫度及PH探頭、流量計傳來的電信號，將其轉化為有用信息，並傳至計算機，供其處理；也可接受將計算機發出的測量方案，並控制各個探頭的實時測量方式及時間間隔，計算機可下達指令給數據採集器和其他各部件，控制其工作狀態；收集多功能數據採集器和其他各部件的數據，統一處理分析。
[0007]作為優選，沙柱根據實驗目的分為水平放置和豎直放置，其中豎直放置中，液體流向包括從上往下和從下往上；不考慮重力影響時，可使用沙柱水平放置；為突出重力的影響，可採用沙柱豎直放置，液體從上往下過流，豎直放置是為了測量膠體自重引起的沉降作用。
[0008]作為優選，所述進水控制裝置包括進水漏鬥、設置在進水漏鬥上方的上水箱、設在上水箱一側的掛鈎架、與進水漏鬥相連的橡膠管，所述進水漏鬥上設有一溢流口和掛鈎；在實驗時，上水箱的所用膠體首先進入進水漏鬥，故進水漏鬥、溢流口的共同作用是保持實驗時，進水口的水頭穩定，使實驗過程中沙柱中有穩定的流場。掛鈎，掛鈎架，橡膠管，可方便的調節進水漏鬥的高程，這種結構可以寬範圍的調節進流源的水頭，即可寬範圍的調節沙柱的流速，進水閥門是控制整個裝置過流的總閥門，在正式實驗時為打開狀態，在實驗準備階段可根據需要開關。
[0009]作為優選，所述實驗穿透區、過流緩衝區、進水閥門、橡膠管以及它們之間的連接段外表設有一黑色塗料層，防止外界光線對光度探頭的影響。
[0010]作為優選，所述實時測量裝置中的外接分光光度計可測出取出孔隙水樣品的濃度，外接雷射粒度分析儀可測出實驗結束後截留膠體的粒徑分布。
[0011]上述膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置的操作方法，包括以下步驟:
(1)裝沙:將實驗穿透區沙柱中裝滿實驗要求的沙(沙的種類、粒徑等物理性質由實驗者自定；裝沙的密實度也由實驗者自定)，作為膠體的穿透介質；
(2)組裝裝置:將整套儀器連接，根據實驗目的不同，可將穿透實驗沙柱水平放置或豎直放置;
(3)啟動實時測量裝置:開啟實時測量裝置中的各部件；
(4)充水並調整流量:在進水漏鬥、橡膠管、實驗穿透區和過流緩衝區中充滿去離子水，調整並固定進水漏鬥高程，打開進水閥門，調整出水閥門開度，使出水流量為預設值，流量信息通過流量計傳至計算機，可方便讀出；
(5)準備穿透實驗所用膠體:將製備好的待穿透膠體，置於上水箱中；將進水口的閥門全部關閉，出水閥門保持其開度，並將進水閥門以上的管道內充滿待實驗膠體，出水閥門保持其開度與步驟(4)開度大小相同，這樣做可使正式實驗中過流流量和初設值一樣。「進水的閥門關閉，出水閥門保持其開度」的狀態不會使原來裝置中的去離子水漏出，這是因為當液體將要從出水閥門流出時，由於進水閥門是關閉的，整個裝置內的壓強變小，由於外界氣壓的作用，即可頂住液體不使之流出。
[0012](6)膠體穿透:將實時測量系統調試好，使之進入工作狀態，打開進水閥門，使膠體過流，以打開進水閥門的瞬間作為初始時間，使計算機記錄進口和出口的各個探頭傳來的數據，並做處理，此時出流膠體的濃度、溶液鹽度、pH值及溫度數據被計算機實時記錄。如欲測得沿程孔隙水中膠體的參數，可每隔一定的時間用針筒插入沙柱沿程各個針孔，抽取孔隙水樣品，並放入外接分光光度計測量膠體的濃度，整個過程中出水閥門保持其開度與步驟(4)、(5) —樣，這樣做可使裝置中過流流量和初設值一樣。
[0013]( 7 )結束取樣:預設時間到達後，將進水口閥門關閉，接著打開進水閥門、出水閥門，排空沙柱中的液體，再取出穿透實驗沙柱，將沙柱中的沙分段取出，並用超聲波剝離截留在沙粒上的膠粒，先利用外接分光光度計測量截留膠體的量，再放入外接雷射粒度分析儀測量器粒徑分布。這樣即可得出沿程截留膠體的量及粒徑分布。最後將其數據導入計算機統一處理。
[0014](8)整理清洗:將實驗裝置拆除清洗，特別是將出水閥門拆下清洗，以防止膠體沉積而堵塞出水閥門。
[0015]有益效果:本發明相對於現有技術而言具有以下優點:
(O能夠實時得出被測膠體的濃度、溫度、PH值，解決了以往沙柱實驗中膠體濃度測量難的問題。
[0016](2)能夠測出截留膠體沿程的量，解決了以往沙柱實驗中膠體沿程參數難以測量的問題。
[0017](3)能夠測量膠體沿程粒徑分布情況，進而能夠分析膠體沿程截留機制。
[0018](4)具有過流緩衝裝置，防止膠體在沙柱段非正常沉積。
[0019](5)可根據實驗需要，自主選擇裝置沙柱的組裝方式，並且整個裝置組裝拆卸簡單。
[0020](6)能夠考慮膠體的自重影響，可以分析在自重作用下的遷移機制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明裝置的結構示意圖。
[0022]圖2為沙柱豎直過流的過流部分裝置示意圖。
[0023]圖3為NaCl溶液濃度溶液電導率標定曲線。
[0024]圖4膠體濃度與其吸光度標定曲線。
[0025]圖5膠體及溶液穿透曲線。
【具體實施方式】
[0026]下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0027]如圖1所示，一種膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置，包括進水控制裝置、與進水控制裝置一端相連的沙柱、與沙柱另一端相連的出水控制裝置以及實時測量裝置；所述沙柱包括實驗穿透區以及與實驗穿透區相連的過流緩衝區；所述進水控制裝置包括進水漏鬥2、設置在進水漏鬥2上方的上水箱1、設在上水箱一側的掛鈎架4、與進水漏鬥2相連的橡膠管5，所述進水漏鬥上設有一溢流口 22和掛鈎3，所述進水控制裝置與實驗穿透區之間的連接端部設有進水閥門8，所述實驗穿透區包括一組取樣針孔10、一組孔隙水電導率探頭7、一組尼龍網6 (a)、6 (b)，所述實驗穿透區和過流緩衝區連接處從進水向出水方向依次設有吸光度探頭11尾水電導率探頭12，過流緩衝區末端設有出水閥門15，在出水電導率探頭12與出水閥門15之間從進水向出水方向依次設有溫度pH探頭13、流量計14 ;所述實時測量裝置包括計算機19以及分別與計算機19相連的數據採集器9、雷射粒度分析度儀16、外接分光光度計17 ;所述吸光度探頭11、孔隙水電導率探頭7、出水電導率探頭12、溫度pH探頭13、流量計14分別與數據採集器9相連。所述實驗穿透區20、過流緩衝區21、進水閥門8的、橡膠管5以及它們之間的連接段外表設有一黑色塗料層。
[0028]如圖2所示，本實施例根據實驗目地的不同，沙柱可以為水平放置和豎直放置不考慮重力影響時，可使用沙柱水平放置；為突出重力的影響，可採用沙柱豎直放置，液體從上往下過流。
[0029]上述的膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置的操作方法，包括以下步驟:
(1)裝沙:將實驗穿透區沙柱中裝滿粒徑為1_的石英沙，不擠壓密實，鬆散裝入，以作為膠體的穿透介質；
(2)組裝裝置:將整套儀器連接，將穿透實驗沙柱水平放置；
(3)啟動實時測量裝置:開啟實時測量裝置中的計算機、數據採集器；
(4)充水並調整流量:在進水漏鬥、橡膠管、實驗穿透區和過流緩衝區中充滿去離子水，調整並固定進水漏鬥高程，打開進水閥門，調整出水閥門開度，使流量計顯示出水流量為10mL/min,並保持出水閥門開度；
(5)準備穿透實驗所用膠體:將製備好的高嶺土膠體，置於上水箱中；將進水口的閥門全部關閉，出水閥門保持其開度，並將進水閥門以上的管道內充滿待實驗膠體，出水閥門保持其開度與步驟(4)開度大小相同；
(6)膠體穿透:將實時測量系統調試完畢後，使之進入工作狀態，打開進水閥門，使膠體過流，以打開進水閥門的瞬間作為初始時間，使計算機記錄進口和出口的各個探頭傳來的數據，並依據溶液和膠體標準曲線(見圖3和圖4)做處理，此時出流膠體的濃度、溶液鹽度、PH值及溫度數據被計算機實時記錄，如圖5所示，膠體和NaCl穿透曲線；每隔一定的時間用針筒插入沙柱沿程各個針孔，抽取孔隙水樣品，並放外接分光光度計測量膠體的濃度和溶液鹽度，整個過程中出水閥門保持其開度與步驟(4)、(5)相同，這樣做可使裝置中過流流量和初設值相同；
(7 )結束取樣:預設時間到達後，將進水口閥門關閉，接著打開進水閥門、出水閥門，排空沙柱中的液體，再取出穿透實驗沙柱，將沙柱中的沙分段取出，並用超聲波剝離截留在沙粒上的膠粒，先利用外接分光光度計測量截留膠體的量，再放入外接雷射粒度分析儀測量器粒徑分布，最後將其數據導入計算機統一進行數據處理；
(8)整理清洗:將實驗裝置拆除清洗。
[0030]以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出:對於本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置，其特徵在於:包括進水控制裝置、與進水控制裝置一端相連的沙柱、與沙柱另一端相連的出水控制裝置以及實時測量裝置；所述沙柱包括實驗穿透區(20)以及與實驗穿透區(20)相連的過流緩衝區(21);所述實驗穿透區(20)兩側設有尼龍網(6 (a)、6 (b));所述進水控制裝置與實驗穿透區(20)之間的連接端部設有進水閥門(8 )，所述實驗穿透區(20 )上設有一組取樣針孔(10 )和一組裝在沙柱中孔隙水電導率探頭(7)，所述過流緩衝區(21)從進水向出水方向依次設有吸光度探頭(11)、出水電導率探頭(12)、溫度pH探頭(13 )、流量計(14 );過流緩衝區(21)末端設有尾水出口(18)以及設在尾水出口(18)上的出水閥門(15);所述實時測量裝置包括計算機(19)以及分別與計算機(19)相連的數據採集器(9)、雷射粒度分析度儀(16)、外接分光光度計(17);所述吸光度探頭(11)、孔隙水電導率探頭(7)、出水電導率探頭(12)、溫度pH探頭(13)、流量計(14)分別與數據採集器(9)相連。
2.根據權利要求1所述的膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置，其特徵在於:沙柱根據實驗目的分為水平放置和豎直放置。
3.根據權利要求1所述的膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置，其特徵在於:所述進水控制裝置包括進水漏鬥(2)、設置在進水漏鬥(2)上方的上水箱(1)、設在上水箱一側的掛鈎架(4)、與進水漏鬥(2)相連的橡膠管(5)，所述進水漏鬥上設有一溢流口(22)和掛鈎(3)。
4.根據權利要求1或者3所述的膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置，其特徵在於:所述實驗穿透區(20)、過流緩衝區(21)、進水閥門(8)、橡膠管(5)以及它們之間的連接段外表設有一黑色塗料層。
5.一種權利 要求1~4中任一權利要求所述的膠體在沙柱中穿透的實時測量智能實驗裝置的操作方法，其特徵在於:包括以下步驟: (1)裝沙:將實驗穿透區沙柱中盛裝實驗要求的沙，作為膠體的穿透介質； (2)組裝裝置:將整套儀器連接，根據實驗目的不同，可將穿透實驗沙柱水平放置或豎直放置; (3)啟動實時測量裝置:開啟實時測量裝置中的各部件； (4)充水並調整流量:在進水漏鬥、橡膠管、實驗穿透區和過流緩衝區中充滿去離子水，調整並固定進水漏鬥高程，打開進水閥門，調整出水閥門開度，使出水流量為預設值，流量信息通過流量計傳至計算機； (5)準備穿透實驗所用膠體:將製備好的待穿透膠體，置於上水箱中；將進水口的閥門全部關閉，出水閥門保持其開度，並將進水閥門以上的管道內充滿待實驗膠體，出水閥門保持其開度與步驟(4)開度大小相同； (6)膠體穿透:將實時測量系統調試完畢後，使之進入工作狀態，打開進水閥門，使膠體過流，以打開進水閥門的瞬間作為初始時間，使計算機記錄進口和出口的各個探頭傳來的數據，並做處理，此時出流膠體的濃度、溶液鹽度、PH值及溫度數據被計算機實時記錄；每隔一定的時間用針筒插入沙柱沿程各個針孔，抽取孔隙水樣品，並放入外接分光光度計測量膠體濃度，整個過程中出水閥門保持其開度與步驟(4)、(5)相同，這樣做可使裝置中過流流量和初設值相同； (7)結束取樣:預設時間到達後，將進水口閥門關閉，接著打開進水閥門、出水閥門，排空沙柱中的液體，再取出穿透實驗沙柱，將沙柱中的沙分段取出，並用超聲波剝離截留在沙粒上的膠粒，先利用外接分光光度計測量截留膠體的量，再放入外接雷射粒度分析儀測量器粒徑分布，最後將其數據導入計算機統一進行數據處理； (8)整理清洗:將實驗裝置拆除清洗。
【文檔編號】G01N15/00GK104034635SQ201410240772
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年5月30日 優先權日:2014年5月30日
【發明者】金光球, 張中天, 唐洪武, 楊小全, 徐慧宇, 張沛, 姜啟豪, 李凌 申請人:河海大學