水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置的製作方法

2023-12-05 10:26:56 2

專利名稱：水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型與水體泥沙採集分離裝置有關。特別與可應用於水體中懸移質泥沙以 及表層沉積物一體化快速採集分離裝置有關。
技術背景天然河流中的泥沙分為懸移質和推移質。推移質泥沙粒徑較大(如卵礫石)，在河 流中滾動、滑動、跳躍、層移。懸移質泥沙粒徑較小，在河流中處於長期懸浮狀態，是汙染物 質遷移、轉化的主要載體。因而在水_沙_汙染物相互作用的研究中主要以懸移質泥沙為 主導。此外，與懸移質泥沙接觸的表層沉積物(又稱床面泥沙、底泥)也是吸附、蓄積、釋放 汙染物的主要載體。懸移質泥沙、底泥的採集對於環境汙染水文等方面的研究至關重要。水體中懸移質泥沙粒徑非常小(一般< 63 μ m)，可在水體中長期懸浮，很難使其 沉降。為能夠取到足夠量的泥沙樣品，往往需要抽取大量的水帶回實驗室後再用離心機分 離。以長江上遊三峽庫區水體為例，懸移質泥沙多年平均含量在0. 5 2. Okg/m3，若需取 500克懸移質泥沙樣品，則至少需要抽取0. 25 1噸水，注意這裡還沒考慮樣品在運輸及分 離操作上可能帶來的損失，實際採水量可能大於1噸。顯然這種方法不可能滿足大流域的 樣品採集達到監測該流域水土流失狀況的目的。目前採集懸移質泥沙常用的儀器有瞬時式和積時式兩類。①瞬時式採樣器，主要 是橫式採樣器。取樣筒由薄壁鋼管制成，容積0. 5 2. 0升，兩端有蓋，蓋緣裝有拉力彈簧。 採樣時，張開筒蓋，水流從筒中流過，然後操縱開關，借彈簧拉力將筒蓋關閉，採集水樣。這 種儀器結構簡單，適用範圍廣。缺點是受泥沙脈動影響嚴重，單點取樣成果的代表性差。採 集泥沙效率低，在實際使用時常需要三個月至1年時間才有可能採集到足夠樣品。因為採 樣器需系在線纜上或沉入河底，所以在洪水期易被水流衝走。此外還常出現遺失或被盜的 現象。②積時式採樣器，有積點式和積深式兩種。積點式採樣器是在測點上吸取水樣，測定 某一時段內平均含沙量的儀器，器內有水樣倉和調壓倉，兩者用連通管連接，儀器入水後， 調壓倉內進水，空氣受壓縮使採樣器內外靜水壓力相平衡，以保持儀器取樣時進水管內流 速與天然流速一致。積深式採樣器是一種沿垂線連續吸取水樣，測定垂線平均含沙量的儀 器，適用於淺水河流取樣。取樣時，要求儀器提放速度均勻並小於垂線平均流速的三分之 一。可見該類採樣器操作複雜，採樣量也難以滿足要求。有研究者曾試過泵抽水後濾芯過 濾的方法，由於懸移質泥沙粒徑非常小(如長江上遊三峽庫區水體中懸移質泥沙70%低於 50微米，30 %小於4微米)，濾芯孔徑要求在數微米範圍內，濾芯很容易阻塞，過濾速度很 慢。濾芯一旦阻塞難以回收利用，因而使用成本很高，效率很低。因無快速有效的即時採樣 器，在洪水期水土保持工作者常因取不到足夠量的樣品而錯失研究良機。目前採集底泥常用的儀器有拖曳式(如拖沙筒等)、挖掘式(如挖鬥式採樣器等) 和鑽式(如活塞式採樣器等)三類，用於採集床面或床面以下一定深度內泥沙樣品，粒徑在 10毫米以下的礫石和粗、細沙樣品，但對卵石床層的底泥，此類儀器採集具有相當大的難 度。實用新型內容本實用新型的目的是為了克服已有技術的不足，提供一種成本低廉、結構合理、便 於攜帶，易操作、維護、使用壽命長，有助於懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離的
直ο本實用新型的目的是這樣來實現的本實用新型水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，包括收集 器，與收集器頂部密封連接相通的分離器，與分離器頂部密封連接相通的溢流導流錐，與溢 流導流錐出口連接的溢流管，分離器從下向上依次設置有第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形 腔，第一倒圓錐形腔的錐度大於第二倒圓錐形腔，壓力管一端從分離器第二倒圓錐形腔上 部內壁圓周切線方向進入分離器，收集器安裝在分離器下部並密封便於沙樣排出後的儲 存，溢流管連接溢流導流錐排出去除泥沙的水。上述的第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形腔的錐度分別為14 18度、3 5度。上述的第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形腔的錐度分別為16度、4度。上述的溢流導流錐伸入分離器中的錐體從下向上有導流圓錐形腔、圓柱形喉部。上述的導流圓錐形腔的錐度為4 6度。上述的導流圓錐形腔的錐度為5度。上述的溢流導流錐伸入分離器中的錐體長高為分離器中第二倒圓錐形腔高度的 50 70%，溢流導流錐中錐體與第二倒圓錐形腔內壁間形成上大下小的環形腔，補償水在 流動中的能量損失及調整沙的速度。上述的分離器通過連接螺釘與收集器頂部密封螺紋連接，溢流導流錐通過連接螺 釘和密封與分離器頂部密封螺紋連接，裝、拆、使用方便。上述的壓力管伸出分離器的另一端裝有有外大內小的圓錐形腔的第一連接法蘭， 與第一連接法蘭連接的第二連接法蘭中有與第一連接法蘭圓錐形腔連通的進水管道，進水 管道內徑小於第一連接法蘭的圓錐形腔與進水管道接觸面內徑，水流經進水管道進入第一 連接法蘭圓錐形腔，壓力上升，使水流迅速通過壓力管進入分離器中。將本實用新型裝置中的進水管道通過輸送管道與泵連接，將泵進水口與水體連 通。取樣時，一定壓力和流速的水從壓力管切向進入到分離器中作圓周運動，因為水體中 的間斷相(沙)顆粒均勻懸浮在連續相(水)中，經泵抽取上來的水中顆粒質量濃度與原 水體中的顆粒質量濃度基本相同，故間斷相與連續相應有相同的速度矢量切向進入到分離 器中。兩相擁有不同的密度，在作圓周運動時連續相分子與間斷相顆粒所受到的離心力、 浮力、阻尼力、重力不相同會在徑向出現明顯的分離現象，這樣就會形成兩種基本的旋轉液 流，向下的外旋流和向上的內旋流，間斷相顆粒在作圓周運動時同時向下運動形成外旋流， 逐漸進入到收集器中，連續相向上運動進入到溢流導流錐中形成內旋流。分離器帶有兩個 不同的圓錐形腔，第二倒圓錐形腔主要用於規整流場特性，補償間斷相和連續相在圓周運 動過程中的能量損失，第一倒圓錐形腔使間斷相和連續相分離，幫助排沙。在整個場內每一 個位置點瞬時速度和壓力不是完全一致的，因此不同軸向層高位置上會出現層間擾動流， 為了抑制這種擾動流，改善分離器內壓力和流速分布，需要合理設置溢流導流錐的錐度的 大小，錐段伸入分離器的長度。將連續相的最大速度放在溢流導流錐的喉部內，減少直接進入溢流導流錐的間斷相顆粒數量，適度延長分離時間，降低水力損失，避免較大的壓損，降 低泵的功耗。啟動泵，水經過壓力管切向進入到分離器中的第二倒圓錐形腔中做高速旋轉遠 動，在連續相和間斷相分離的同時流場得到規整，間斷相得到部分能量補充；在進入到第一 倒圓錐形腔時，使連續相和間斷相分離，間斷相介質向上旋轉形成內旋並通過溢流導流錐 和其後與大氣連通的溢流管排入河道，間斷相則繼續向下進入到收集器中，經過一段時間 後打開收集器取出樣品，完成泥沙收集。本實用新型採用新的研究思路，水用泵抽上來後，因勢利導，利用水和泥沙重力差 異篩選出泥沙，可快速即時地採集到足量樣品。對於懸移質泥沙，採樣時間為半小時-數小 時(具體時間見水中懸移質含沙量)；對於表層沉積物，採樣時間僅為數分鐘_半小時(取 決於泵的功率)。本實用新型便於攜帶，操作簡單，收集高效。本實用新型不需要抽取大量的水帶回實驗室分析，不用絮凝劑加速沉澱，也沒有 高速旋轉的離心機轉子。本實用新型裝置成本低廉結構合理，操作簡單、維護方便，使用安 全，鋁合金材質使總質量在4kg左右(不包含泵)便於攜帶，可以在線即時取樣。在不同的 季節下河道含沙量不同的情況下有比較好的適應性。水體中懸移質泥沙不僅影響水體感觀，還因易吸附各種汙染物有害於人體健康。 目前在飲用水或汙染處理廠所用的沉沙池佔地面積大，而且只能去除大顆粒的泥沙，對於 小於100微米的懸移質泥沙只能使用加入明礬、氯化鐵等絮凝劑的方法去除，前者絮凝沉 降效果差，後者水解產酸從而腐蝕設備。本實用新型可根據實際運行條件靈活設計，無需土 建工程，佔地面積小；無需添加化學試劑引入二次汙染，避免了後續處理的麻煩，特別是對 於小型處理廠具有顯著的成本上的優勢。長期以來農村的傳統方法是水抽上來放到水缸等大容器中，然後加明礬等待澄 清，費時耗力，而且明礬食用多了可能造成金屬鋁在腎、肝、脾等器官產生蓄積，如果在大腦 中產生沉積就容易引起老年痴呆、記憶力減退、智力下降等症狀。目前我國新農村已建的飲 用水處理廠因缺乏足夠的資金維護日常運轉，使用效率很低。本實用新型泥沙分離裝置成 本低廉，佔地很小，地下水抽上來後通過本裝置既可分離掉大部分懸浮顆粒物，視水質情況 既可飲用。本實用新型有助於解決分散農戶飲水難的問題，對於我國新農村建設具有重要
眉、ο本實用新型成本低廉、結構合理、便於攜帶，易操作、維護、使用壽命長，有助於懸 移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離

圖1為本實用新型裝置結構示意圖。圖2為本實用新型裝置俯視示意圖。圖3為圖2中的A向視圖。圖4為圖3中的B-B剖視圖。圖5為本實用新型裝置軸側示意圖。圖6為採用本實用新型裝置採集的懸移質泥沙粒度分布圖。圖7為採用本實用新型裝置採集的表層沉積物粒度分布圖。
具體實施方式
參見圖1 圖5，本實施例水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝 置，包括收集器1，通過連接螺釘和0型密封圈與收集器頂部密封連接的分離器3，通過連接 螺釘和0型密封圈與分離器頂部密封連接的溢流導流錐4，與溢流導流錐出口連接的溢流 管5。分離器中的圓錐體2伸入收集器中。分離器從下向上依次設置有第一倒圓錐形腔7， 第二倒圓錐形腔8。第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形腔的錐度分別為16度、4度。壓力管6 一端從分離器第二倒圓錐形腔上部內壁圓周切線方向進入分離器。上述的溢流導流錐伸入分離器中的錐體4-1中從下向上有錐度為5度的導流圓錐 形腔9、圓柱形喉部10。溢流導流錐伸入分離器中的錐體高度為分離器中第二倒圓錐形腔 高度的60%。參見圖3、圖4、圖5，壓力管伸出分離器的另一端有有外大內小的圓錐形腔11的第 一連接法蘭12。與第一連接法蘭連接的第二連接法蘭13中有與第一連接法蘭圓錐形腔連 通的進水管道14，進水管道內徑小於第一連接法蘭的圓錐形腔與進水管道接觸面內徑。本實用新型裝置工作時，將泵的出水口和第二法蘭的進水口用軟管連通，啟動泵， 水通過壓力管進入分離器，在分離器中水分子和泥沙顆粒一同作圓周運動。泥沙邊旋轉邊 向下運動進入到收集器中，水在分離器中形成內旋向上通過溢流導流錐、溢流管排回河道。 收集完畢後，取下收集器和分離器上的連接螺釘，取下分離器，打開收集器，將收集器中的 泥沙倒出。採用本實施例採樣裝置和尼龍纖維布、過濾布袋分別通過採樣作業比較下面是試 驗情況記錄一、三種採樣方法採集懸移質泥沙的比較結果
方法尼龍纖維布過濾法布袋過濾法本釆樣裝置釆樣結果描述河水流經尼龍纖維布過濾片刻後，採樣時間30分鐘，採(孔徑100 μ m)，未收布袋受阻，水樣質量67. 7g(乾重).到泥沙溢出布袋，未進水濁度(0. lkg/m3)收到泥沙進水流量(2m3/h)二、本實用新型採樣裝置測試結果本實用新型採樣裝置對懸移質泥沙和表層沉積物的採集結果進行了測試。d(0. 5)表徵該樣品的累計粒度分布百分數達到50%時所對應的粒徑。它的物理 意義是粒徑大於它的顆粒佔50%，小於它的顆粒也佔50%，其亦稱為中位徑或中值粒徑。 常用來表示固體顆粒的平均粒度。d(0. 9)表徵該樣品的累計粒度分布數達到90%時所對應的粒徑。它的物理意義 是粒徑小於它的顆粒佔90%。常用來表示固體顆粗端的粒度指標。SSA表徵樣品的比表面積，表徵單位質量顆粒的表面積之和。1)收集懸移質泥沙採樣程序泵入口距河底30釐米處抽取水樣50分鐘後，將收集器內的水樣連同泥沙(約1. 5L)裝瓶，帶回實驗室經0. 45 μ m過濾分離後乾燥稱重。採樣質量141. 7g (乾重)。泥沙樣品粒度(見圖6)d(0. 5) = 38. 047 μ md(0. 9) = 81. 546 μ mSSA = 0. 319m2/g< 10 μ m的累積百分比為13. 58%<511111的累積百分比為5.66%結論本實用新型採樣裝置可快速收集懸移質泥沙，收集效率可達85%以上。2)收集表層沉積物採樣程序泵入口放置在河底床面上，抽取水樣30分鐘後，收集器內的水樣靜置 半小時後傾去上層水樣，收集器內底部的泥沙裝入塑料樣袋，帶回實驗室乾燥稱重。採樣質量358g (乾重)。泥沙樣品粒度(見圖7)d(0. 5) = 76. 648 μ md (0· 9) = 127. 665 μ m結論本實用新型裝置可方便快速收集表層沉積物，收集效率95%以上。上述實施例是對本實用新型的上述內容作進一步的說明，但不應將此理解為本實 用新型上述主題的範圍僅限於上述實施例。凡基於上述內容所實現的技術均屬於本實用新 型的範圍。
權利要求水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，其特徵在於包括收集器，與收集器頂部密封連接相通的分離器，與分離器頂部密封相通的溢流導流錐，與溢流導流錐出口連接的溢流管，分離器從下向上依次設置有第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形腔，第一倒圓錐形腔的錐度大於第二倒圓錐形腔，壓力管一端從分離器第二倒圓錐形腔上部內壁圓周切線方向進入分離器。
2.如權利要求1所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，其 特徵在於第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形腔的錐度分別為14 18度、3 5度。
3.如權利要求2所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，其 特徵在於第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形腔的錐度分別為16度、4度。
4.如權利要求1或2或3所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離 裝置，其特徵在於溢流導流錐伸入分離器中的錐體從下向上有導流圓錐形腔、圓柱形喉部。
5.如權利要求4所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，其 特徵在於導流圓錐形腔的錐度為4 6度。
6.如權利要求5所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，其 特徵在於導流圓錐形腔的錐度為5度。
7.如權利要求4所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，其 特徵在於溢流導流錐伸入分離器中的錐體高度為分離器中第二倒圓錐形腔高度的50 70%。
8.如權利要求1或2或3所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離 裝置，其特徵在於分離器通過連接螺釘與收集器頂部密封螺紋連接，溢流導流錐通過連接 螺釘和密封與分離器頂部密封螺紋連接。
9.如權利要求1或2或3所述的水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分 離裝置，其特徵在於壓力管伸出分離器的另一端裝有有外大內小的圓錐形腔的第一連接法 蘭，與第一連接法蘭連接的第二連接法蘭中有與第一連接法蘭圓錐形腔連通的進水管道， 進水管道內徑小於第一連接法蘭的圓錐形腔與進水管道接觸面內徑。
專利摘要本實用新型水體中懸移質泥沙、表層沉積物一體化快速採集分離裝置，包括收集器，與收集器頂部密封連接相通的分離器，與分離器頂部密封連接相通的溢流導流錐，與溢流導流錐出口連接的溢流管，分離器從下向上依次設置有第一倒圓錐形腔、第二倒圓錐形腔，第一倒圓錐形腔的錐度大於第二倒圓錐形腔，壓力管一端從分離器第二倒圓錐形腔上部內壁圓周切線方向進入分離器。本實用新型成本低廉、結構合理，易操作、維護，使用壽命長，便於攜帶，有助於水體中水沙分離、懸移質泥沙及表層沉積物的高效採集。
文檔編號C02F1/40GK201713356SQ20102023555
公開日2011年1月19日 申請日期2010年6月24日 優先權日2010年6月24日
發明者曹植菁 申請人:曹植菁