胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置及其操作方法
【专利摘要】本发明公开了一种胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置，具有过流缓冲装置，防止胶体在沙柱段非正常沉积。该装置通过智能实时方式测得在沙柱中迁移的胶体的浓度、温度、pH值，及实验终止时取样测量沿程截留胶体的量和粒径分布情况，能有效地揭示胶体在多孔介质中的迁移机理。本发明还公开该实验装置的操作方法，能够测出截留胶体沿程的量和粒径分布情况，解决了以往沙柱实验中胶体沿程参数难以测量的问题。
【专利说明】胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置及其操作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水利工程、环境工程和农业工程【技术领域】，具体涉及一种胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置。
【背景技术】
[0002]在过去有很多的学者通过沙柱实验来探究了胶体在多孔介质中的截留量，只测量实验尾水的浓度，推算胶体的截留量，而把胶体在沙柱中的迁移过程看似黑箱，没有进一步探索，无法探究胶体在迁移过程中分层情况以及粒径变化状况，并且在具体实施过程中，还有如下困难，很多的参数难以直接测得，需经过繁琐的操作过程，以及一定推理转化才能获得，指示测量误差很大。为正确且方便的获得这些参数，如今设计一套实时智能的实验装置，并提供操作方法，以便更好的揭示胶体在沙柱中的迁移规律。
【发明内容】
[0003]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置。
[0004]技术方案:为解决上述技术问题，本发明的提供的一种胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置，包括进水控制装置、与进水控制装置一端相连的沙柱、与沙柱另一端相连的出水控制装置以及实时测量装置；所述沙柱包括实验穿透区以及与实验穿透区相连的过流缓冲区；所述进水控制装置与实验穿透区之间的连接端部设有进水阀门，所述实验穿透区上设有一组取样针孔、一组装在沙柱中的孔隙水电导率探头、每个孔隙水电导率探头和每个针孔安装位置对应，且不影响针孔的正常抽样，分别设置在实验穿透区两端一层尼龙网，所述过流缓冲区从进水向出水方向依次设有吸光度探头、出水电导率探头、温度pH探头、流量计；过流缓冲区末端设有尾水出口以及设在尾水出口上的出水阀门；所述实时测量装置包括计算机以及分别与计算机相连的数据采集器、激光粒度分析度仪、外接分光光度计；所述吸光度探头、孔隙水电导率探头、出水电导率探头、温度PH探头、流量计分别与数据采集器相连。
[0005]本发明中，实验穿透区为实验的主体部分，实验前在其中装满需要的沙体，作为实验测试段供胶体迁移的多孔介质，沙柱两端分别设一层尼龙网，以防止沙体散逸，取样针孔在沙柱表面每隔一段距离布置一个，以便沿程抽取孔隙水中胶体样品，孔隙水探头在对应取样针孔处每隔一段距离布置一个，探头插入沙柱内部，以便沿程测量溶液盐度，并在外部测量沿程的胶体浓度，过流缓冲柱有一定的长度，防止实验段沙柱中胶体在尾段因沙柱形状的变化，导致过流液体流态急剧变化，致使胶体非正常的沉积；出水阀门为可拆卸可调流量的螺旋阀门，在实验准备阶段可调节其开度，以得到需要的流量；在实验过程中保持开度，以稳定流量；在实验结束时，可拆下清洗，以防止胶体沉积而堵塞出水阀门。流量计为流量传感器，可将装置中的流量转化为电子信号传给计算机，实验操作人员可通过读取计算机中的数据得到装置中的流量。[0006]吸光度探头可以测出该点该时胶体的吸光度，通过数据采集器将数据传至计算机，计算机通过预先导入的胶体一浓度标定曲线，可将该点胶体吸光度转化为其浓度。电导率探头可以测出该点溶液的电导率，将数据传至计算机，通过预先导入计算机的溶液的电导率一浓度标定曲线，可将该点溶液的电导率转化为其盐度。穿透沙柱出口处溶液电导率探头在吸光度探头的后面，如此布置是为了让电导率探头不影响吸光度探头。胶体浓度是实验中最重要的参数，其测量准确性须较高，因为吸光度探头靠穿透实验沙柱最近，胶体浓度的测量受影响最小。温度及PH值为次要参数，放在缓冲柱中央附近，防止与其他探头相互干扰。在整套装置中，流量相等，流量计可布置在最靠出口处，以免影响其他探头。多功能数据采集器可收集吸光度探头、电导率探头、温度及PH探头、流量计传来的电信号，将其转化为有用信息，并传至计算机，供其处理；也可接受将计算机发出的测量方案，并控制各个探头的实时测量方式及时间间隔，计算机可下达指令给数据采集器和其他各部件，控制其工作状态；收集多功能数据采集器和其他各部件的数据，统一处理分析。
[0007]作为优�。持菔笛槟康姆治椒胖煤褪狈胖茫渲惺狈胖弥校禾辶飨虬ù由贤潞痛酉峦希徊豢悸侵亓τ跋焓保墒褂蒙持椒胖茫晃怀鲋亓Φ挠跋欤刹捎蒙持狈胖茫禾宕由贤鹿鳎狈胖檬俏瞬饬拷禾遄灾匾鸬某两底饔�。
[0008]作为优选，所述进水控制装置包括进水漏斗、设置在进水漏斗上方的上水箱、设在上水箱一侧的挂钩架、与进水漏斗相连的橡胶管，所述进水漏斗上设有一溢流口和挂钩；在实验时，上水箱的所用胶体首先进入进水漏斗，故进水漏斗、溢流口的共同作用是保持实验时，进水口的水头稳定，使实验过程中沙柱中有稳定的流场。挂钩，挂钩架，橡胶管，可方便的调节进水漏斗的高程，这种结构可以宽范围的调节进流源的水头，即可宽范围的调节沙柱的流速，进水阀门是控制整个装置过流的总阀门，在正式实验时为打开状态，在实验准备阶段可根据需要开关。
[0009]作为优�。鍪笛榇┩盖�、过流缓冲区、进水阀门、橡胶管以及它们之间的连接段外表设有一黑色涂料层，防止外界光线对光度探头的影响。
[0010]作为优�。鍪凳辈饬孔爸弥械耐饨臃止夤舛燃瓶刹獬鋈〕隹紫端返呐ǘ龋饨蛹す饬６确治鲆强刹獬鍪笛榻崾蠼亓艚禾宓牧＞斗植�。
[0011]上述胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置的操作方法，包括以下步骤:
(1)装沙:将实验穿透区沙柱中装满实验要求的沙(沙的种类、粒径等物理性质由实验者自定；装沙的密实度也由实验者自定)，作为胶体的穿透介质；
(2)组装装置:将整套仪器连接，根据实验目的不同，可将穿透实验沙柱水平放置或竖直放置;
(3)启动实时测量装置:开启实时测量装置中的各部件；
(4)充水并调整流量:在进水漏斗、橡胶管、实验穿透区和过流缓冲区中充满去离子水，调整并固定进水漏斗高程，打开进水阀门，调整出水阀门开度，使出水流量为预设值，流量信息通过流量计传至计算机，可方便读出；
(5)准备穿透实验所用胶体:将制备好的待穿透胶体，置于上水箱中；将进水口的阀门全部关闭，出水阀门保持其开度，并将进水阀门以上的管道内充满待实验胶体，出水阀门保持其开度与步骤(4)开度大小相同，这样做可使正式实验中过流流量和初设值一样。“进水的阀门关闭，出水阀门保持其开度”的状态不会使原来装置中的去离子水漏出，这是因为当液体将要从出水阀门流出时，由于进水阀门是关闭的，整个装置内的压强变�。捎谕饨缙沟淖饔茫纯啥プ∫禾宀皇怪鞒�。
[0012](6)胶体穿透:将实时测量系统调试好，使之进入工作状态，打开进水阀门，使胶体过流，以打开进水阀门的瞬间作为初始时间，使计算机记录进口和出口的各个探头传来的数据，并做处理，此时出流胶体的浓度、溶液盐度、pH值及温度数据被计算机实时记录。如欲测得沿程孔隙水中胶体的参数，可每隔一定的时间用针筒插入沙柱沿程各个针孔，抽取孔隙水样品，并放入外接分光光度计测量胶体的浓度，整个过程中出水阀门保持其开度与步骤(4)、(5) —样，这样做可使装置中过流流量和初设值一样。
[0013]( 7 )结束取样:预设时间到达后，将进水口阀门关闭，接着打开进水阀门、出水阀门，排空沙柱中的液体，再取出穿透实验沙柱，将沙柱中的沙分段取出，并用超声波剥离截留在沙粒上的胶粒，先利用外接分光光度计测量截留胶体的量，再放入外接激光粒度分析仪测量器粒径分布。这样即可得出沿程截留胶体的量及粒径分布。最后将其数据导入计算机统一处理。
[0014](8)整理清洗:将实验装置拆除清洗，特别是将出水阀门拆下清洗，以防止胶体沉积而堵塞出水阀门。
[0015]有益效果:本发明相对于现有技术而言具有以下优点:
(O能够实时得出被测胶体的浓度、温度、PH值，解决了以往沙柱实验中胶体浓度测量难的问题。
[0016](2)能够测出截留胶体沿程的量，解决了以往沙柱实验中胶体沿程参数难以测量的问题。
[0017](3)能够测量胶体沿程粒径分布情况，进而能够分析胶体沿程截留机制。
[0018](4)具有过流缓冲装置，防止胶体在沙柱段非正常沉积。
[0019](5)可根据实验需要，自主选择装置沙柱的组装方式，并且整个装置组装拆卸简单。
[0020](6)能够考虑胶体的自重影响，可以分析在自重作用下的迁移机制。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明装置的结构示意图。
[0022]图2为沙柱竖直过流的过流部分装置示意图。
[0023]图3为NaCl溶液浓度溶液电导率标定曲线。
[0024]图4胶体浓度与其吸光度标定曲线。
[0025]图5胶体及溶液穿透曲线。
【具体实施方式】
[0026]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0027]如图1所示，一种胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置，包括进水控制装置、与进水控制装置一端相连的沙柱、与沙柱另一端相连的出水控制装置以及实时测量装置；所述沙柱包括实验穿透区以及与实验穿透区相连的过流缓冲区；所述进水控制装置包括进水漏斗2、设置在进水漏斗2上方的上水箱1、设在上水箱一侧的挂钩架4、与进水漏斗2相连的橡胶管5，所述进水漏斗上设有一溢流口 22和挂钩3，所述进水控制装置与实验穿透区之间的连接端部设有进水阀门8，所述实验穿透区包括一组取样针孔10、一组孔隙水电导率探头7、一组尼龙网6 (a)、6 (b)，所述实验穿透区和过流缓冲区连接处从进水向出水方向依次设有吸光度探头11尾水电导率探头12，过流缓冲区末端设有出水阀门15，在出水电导率探头12与出水阀门15之间从进水向出水方向依次设有温度pH探头13、流量计14 ;所述实时测量装置包括计算机19以及分别与计算机19相连的数据采集器9、激光粒度分析度仪16、外接分光光度计17 ;所述吸光度探头11、孔隙水电导率探头7、出水电导率探头12、温度pH探头13、流量计14分别与数据采集器9相连。所述实验穿透区20、过流缓冲区21、进水阀门8的、橡胶管5以及它们之间的连接段外表设有一黑色涂料层。
[0028]如图2所示，本实施例根据实验目地的不同，沙柱可以为水平放置和竖直放置不考虑重力影响时，可使用沙柱水平放置；为突出重力的影响，可采用沙柱竖直放置，液体从上往下过流。
[0029]上述的胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置的操作方法，包括以下步骤:
(1)装沙:将实验穿透区沙柱中装满粒径为1_的石英沙，不挤压密实，松散装入，以作为胶体的穿透介质；
(2)组装装置:将整套仪器连接，将穿透实验沙柱水平放置；
(3)启动实时测量装置:开启实时测量装置中的计算机、数据采集器；
(4)充水并调整流量:在进水漏斗、橡胶管、实验穿透区和过流缓冲区中充满去离子水，调整并固定进水漏斗高程，打开进水阀门，调整出水阀门开度，使流量计显示出水流量为10mL/min,并保持出水阀门开度；
(5)准备穿透实验所用胶体:将制备好的高岭土胶体，置于上水箱中；将进水口的阀门全部关闭，出水阀门保持其开度，并将进水阀门以上的管道内充满待实验胶体，出水阀门保持其开度与步骤(4)开度大小相同；
(6)胶体穿透:将实时测量系统调试完毕后，使之进入工作状态，打开进水阀门，使胶体过流，以打开进水阀门的瞬间作为初始时间，使计算机记录进口和出口的各个探头传来的数据，并依据溶液和胶体标准曲线(见图3和图4)做处理，此时出流胶体的浓度、溶液盐度、PH值及温度数据被计算机实时记录，如图5所示，胶体和NaCl穿透曲线；每隔一定的时间用针筒插入沙柱沿程各个针孔，抽取孔隙水样品，并放外接分光光度计测量胶体的浓度和溶液盐度，整个过程中出水阀门保持其开度与步骤(4)、(5)相同，这样做可使装置中过流流量和初设值相同；
(7 )结束取样:预设时间到达后，将进水口阀门关闭，接着打开进水阀门、出水阀门，排空沙柱中的液体，再取出穿透实验沙柱，将沙柱中的沙分段取出，并用超声波剥离截留在沙粒上的胶粒，先利用外接分光光度计测量截留胶体的量，再放入外接激光粒度分析仪测量器粒径分布，最后将其数据导入计算机统一进行数据处理；
(8)整理清洗:将实验装置拆除清洗。
[0030]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置，其特征在于:包括进水控制装置、与进水控制装置一端相连的沙柱、与沙柱另一端相连的出水控制装置以及实时测量装置；所述沙柱包括实验穿透区(20)以及与实验穿透区(20)相连的过流缓冲区(21);所述实验穿透区(20)两侧设有尼龙网(6 (a)、6 (b));所述进水控制装置与实验穿透区(20)之间的连接端部设有进水阀门(8 )，所述实验穿透区(20 )上设有一组取样针孔(10 )和一组装在沙柱中孔隙水电导率探头(7)，所述过流缓冲区(21)从进水向出水方向依次设有吸光度探头(11)、出水电导率探头(12)、温度pH探头(13 )、流量计(14 );过流缓冲区(21)末端设有尾水出口(18)以及设在尾水出口(18)上的出水阀门(15);所述实时测量装置包括计算机(19)以及分别与计算机(19)相连的数据采集器(9)、激光粒度分析度仪(16)、外接分光光度计(17);所述吸光度探头(11)、孔隙水电导率探头(7)、出水电导率探头(12)、温度pH探头(13)、流量计(14)分别与数据采集器(9)相连。
2.根据权利要求1所述的胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置，其特征在于:沙柱根据实验目的分为水平放置和竖直放置。
3.根据权利要求1所述的胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置，其特征在于:所述进水控制装置包括进水漏斗(2)、设置在进水漏斗(2)上方的上水箱(1)、设在上水箱一侧的挂钩架(4)、与进水漏斗(2)相连的橡胶管(5)，所述进水漏斗上设有一溢流口(22)和挂钩(3)。
4.根据权利要求1或者3所述的胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置，其特征在于:所述实验穿透区(20)、过流缓冲区(21)、进水阀门(8)、橡胶管(5)以及它们之间的连接段外表设有一黑色涂料层。
5.一种权利 要求1~4中任一权利要求所述的胶体在沙柱中穿透的实时测量智能实验装置的操作方法，其特征在于:包括以下步骤: (1)装沙:将实验穿透区沙柱中盛装实验要求的沙，作为胶体的穿透介质； (2)组装装置:将整套仪器连接，根据实验目的不同，可将穿透实验沙柱水平放置或竖直放置; (3)启动实时测量装置:开启实时测量装置中的各部件； (4)充水并调整流量:在进水漏斗、橡胶管、实验穿透区和过流缓冲区中充满去离子水，调整并固定进水漏斗高程，打开进水阀门，调整出水阀门开度，使出水流量为预设值，流量信息通过流量计传至计算机； (5)准备穿透实验所用胶体:将制备好的待穿透胶体，置于上水箱中；将进水口的阀门全部关闭，出水阀门保持其开度，并将进水阀门以上的管道内充满待实验胶体，出水阀门保持其开度与步骤(4)开度大小相同； (6)胶体穿透:将实时测量系统调试完毕后，使之进入工作状态，打开进水阀门，使胶体过流，以打开进水阀门的瞬间作为初始时间，使计算机记录进口和出口的各个探头传来的数据，并做处理，此时出流胶体的浓度、溶液盐度、PH值及温度数据被计算机实时记录；每隔一定的时间用针筒插入沙柱沿程各个针孔，抽取孔隙水样品，并放入外接分光光度计测量胶体浓度，整个过程中出水阀门保持其开度与步骤(4)、(5)相同，这样做可使装置中过流流量和初设值相同； (7)结束取样:预设时间到达后，将进水口阀门关闭，接着打开进水阀门、出水阀门，排空沙柱中的液体，再取出穿透实验沙柱，将沙柱中的沙分段取出，并用超声波剥离截留在沙粒上的胶粒，先利用外接分光光度计测量截留胶体的量，再放入外接激光粒度分析仪测量器粒径分布，最后将其数据导入计算机统一进行数据处理； (8)整理清洗:将实验装置拆除清洗。
【文档编号】G01N15/00GK104034635SQ201410240772
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月30日 优先权日:2014年5月30日
【发明者】金光球, 张中天, 唐洪武, 杨小全, 徐慧宇, 张沛, 姜启豪, 李凌 申请人:河海大学
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