專(zhuān)利名稱(chēng)：污染水體凍融過(guò)程中冰內(nèi)污染物行為物理模擬裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于環(huán)境工程、水利工程和海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到結(jié)冰地區(qū)化學(xué)污染物泄露或排放到河流、湖泊、水庫(kù)、海洋時(shí)，水體凍結(jié)和融化過(guò)程中污染物在冰內(nèi)行為和歸宿的物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，國(guó)內(nèi)外利用實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展水體內(nèi)污染物行為和歸宿研究比較系統(tǒng)，雖然絕大多數(shù)利用小體積玻璃和不銹鋼容器進(jìn)行，但也有少數(shù)相對(duì)大體積的水槽物理模擬。水槽物理模擬更能真實(shí)模擬自然環(huán)境條件，但它操作相對(duì)復(fù)雜、實(shí)驗(yàn)花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，所以相對(duì)小體積容器實(shí)驗(yàn)而言，缺少成熟的實(shí)驗(yàn)裝備和實(shí)驗(yàn)方法。如果靜止和運(yùn)動(dòng)的污染水體凍結(jié)成冰，則在水體凍結(jié)和融化過(guò)程中污染物的行為和歸宿研究既需要現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)，也需要實(shí)驗(yàn)室物理模擬。在冰內(nèi)化學(xué)污染物物理模擬研究方面，現(xiàn)在更缺少具有共性的物理模擬裝備和方法。雖然有使用小容器進(jìn)行容器內(nèi)污染水體全部或部分凍結(jié)實(shí)驗(yàn)，但冰生長(zhǎng)不屬于一維熱力學(xué)過(guò)程，冰的晶體也不同于天然冰，導(dǎo)致冰分子結(jié)構(gòu)中“污染物包裹體”占據(jù)空間的方式不同于天然冰。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供一種在低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)物理模擬靜態(tài)和動(dòng)態(tài)化學(xué)污染水體在結(jié)冰和融冰過(guò)程中，冰內(nèi)化學(xué)污染物行為和歸宿的物理模擬裝置及方法；該裝置利用不銹鋼和玻璃材料制作，回避實(shí)驗(yàn)過(guò)程中化學(xué)污染物被實(shí)驗(yàn)水槽材料的吸收，化學(xué)反應(yīng)；實(shí)驗(yàn)同時(shí)解決冰生長(zhǎng)和融化過(guò)程中對(duì)冰溫度、冰厚度變化的跟蹤監(jiān)測(cè)；解決湖、河、海冰生長(zhǎng)和融化過(guò)程中，冰內(nèi)化學(xué)污染物遷移、分布和總百分含量的科學(xué)問(wèn)題。該方法在于水槽內(nèi)處于流動(dòng)或者靜止?fàn)顟B(tài)的水體由表面自上而下凍結(jié)；實(shí)驗(yàn)期間隨時(shí)采集冰樣和水樣并監(jiān)測(cè)冰生長(zhǎng)和融化過(guò)程中的冰溫度、冰厚度變化。
本發(fā)明的技術(shù)方案是，用不銹鋼材料制作水槽，水槽分上下兩層，配以不銹鋼水泵，實(shí)現(xiàn)水體在不銹鋼水槽流動(dòng)。為保證水體在水槽內(nèi)均勻運(yùn)動(dòng)，水槽隔水板下層的水泵進(jìn)水管全長(zhǎng)開(kāi)窄口，水槽下層水泵出水管全長(zhǎng)等間距開(kāi)圓孔，進(jìn)水管同出水管之間隔開(kāi)。此外水槽內(nèi)出水口固定有導(dǎo)流柵，以減少水體的紊動(dòng)。實(shí)驗(yàn)水槽沿長(zhǎng)度兩側(cè)面均設(shè)玻璃觀測(cè)窗，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)水體和冰底面進(jìn)行觀測(cè)。為了防止玻璃觀測(cè)窗密封膠吸附和同污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將厚玻璃板研磨成楔形，由外側(cè)擠壓和打膠，實(shí)現(xiàn)密封。水槽外部連接水泵的不銹鋼管道外壁加保溫層并在管道外壁與保溫層之間包裹電熱絲帶，可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)溫度，對(duì)管道進(jìn)行加溫。排水管用于實(shí)驗(yàn)結(jié)束后排出水槽內(nèi)的實(shí)驗(yàn)用水。水槽上方敞口，其余五個(gè)面覆蓋保溫層，為了防止實(shí)驗(yàn)期間有機(jī)保溫泡沫材料落入水槽，對(duì)保溫層外面加貼保護(hù)膜。水槽制作完成后，對(duì)水槽進(jìn)行清洗。另外，取樣器、樣品存儲(chǔ)器皿、測(cè)試傳感器也均為不銹鋼或玻璃材料。實(shí)驗(yàn)時(shí)污染水體處于靜止和流動(dòng)狀態(tài)，利用低溫實(shí)驗(yàn)室為冷源，水槽上方敞口接受冷源，保證水體自上而下凍結(jié)。
本發(fā)明的效果和益處是，水體能夠處于流動(dòng)和靜止兩種狀態(tài)；水體能夠自上而下一維生長(zhǎng)和融化；水體和冰體內(nèi)化學(xué)污染物不能被吸附、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；冰下水體和冰底狀況能夠通過(guò)玻璃窗觀測(cè)；冰生消過(guò)程厚度變化和溫度變化能夠跟蹤監(jiān)測(cè)；冰樣和水樣能夠隨時(shí)采集；樣品能夠在低溫環(huán)境儲(chǔ)存并等待化學(xué)分析。


圖1是水槽下層平面布置示意圖。
圖中1水槽下層，2玻璃觀測(cè)窗，3射燈，4出水管出水孔，5進(jìn)水管開(kāi)槽，6保溫層，7排水口，8進(jìn)水通道，9進(jìn)水管，10出水管，11保溫塞，12電熱絲帶，13不銹鋼水泵，14調(diào)壓箱，15出水通道。
圖2是圖1中的A-A剖面圖。
圖中1水槽下層，2玻璃觀測(cè)窗，6保溫層，14調(diào)壓箱，16水槽上層，17水平隔板，18閥門(mén)，19排水管，20槽鋼支架，21導(dǎo)流柵。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
如模擬硝基苯污染水體在流動(dòng)狀態(tài)下凍結(jié)和融化過(guò)程中的凍結(jié)速率、融化速率和冰內(nèi)硝基苯含量，制作的實(shí)驗(yàn)裝置和采用的實(shí)驗(yàn)方法因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程要避免硝基苯被有機(jī)物吸附，所以實(shí)驗(yàn)過(guò)程中凡接觸含硝基苯水體或冰體的裝置、設(shè)備和工具都用不銹鋼、玻璃、陶瓷材料制作。特別制作的實(shí)驗(yàn)水槽結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1和圖2。該水槽用3毫米不銹鋼板焊制1米寬，2.8米長(zhǎng)的上方敞口長(zhǎng)方體水槽，水槽內(nèi)距槽底30厘米處固定有一塊1米寬，2.5米長(zhǎng)的不銹鋼水平隔板17，該水平隔板17與水槽1米寬直立面之間留有出水通道15和進(jìn)水通道8。水槽下層1和水平隔板17之間的水體經(jīng)不銹鋼水泵13推動(dòng)，由出水通道15進(jìn)入水槽上層16流動(dòng)并經(jīng)進(jìn)水通道8回流到隔板下層。隔板下層的水泵進(jìn)水管9全長(zhǎng)開(kāi)1厘米寬窄槽5，而水槽隔水板下層水泵出水管10均勻分布9個(gè)1厘米直徑圓孔4，以便水體在整個(gè)水平面內(nèi)出水；進(jìn)水管9同出水管10之間隔開(kāi)，由此實(shí)現(xiàn)水體循環(huán)。出水通道15上方固定導(dǎo)流柵21，水體通過(guò)側(cè)邊篩孔流出，以減少水體的紊動(dòng)。水槽的2.8米長(zhǎng)度的兩側(cè)面安裝玻璃觀測(cè)窗2，以便對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中運(yùn)動(dòng)水體和冰底面進(jìn)行觀測(cè)。為了防止玻璃觀測(cè)窗2的有機(jī)玻璃膠吸附硝基苯，將18毫米厚度的玻璃板研磨成楔形，由外側(cè)擠壓和打膠，實(shí)現(xiàn)密封。水槽除頂面外，其他五個(gè)面加10厘米厚度的泡沫保溫層6，為了防止實(shí)驗(yàn)期間保溫泡沫材料落入水槽，保溫層外面加貼單面膠膜。另外防止水槽上層16注水后引起冰下水承壓，在水槽下層1的側(cè)邊焊接一不銹鋼連通管，作為調(diào)壓箱14。水槽制作完成后，開(kāi)動(dòng)不銹鋼泵13，對(duì)整體裝置用含洗潔劑水清洗三次，用清水清洗三次。當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由排水口7通過(guò)排水管19和閥門(mén)18排出水槽內(nèi)的實(shí)驗(yàn)用水。另外，采樣器使用不銹鋼材料、樣品存儲(chǔ)器皿使用玻璃瓶和不銹鋼容器、溫度傳感器為不銹鋼護(hù)套、厚度測(cè)量使用自行加工的鎳鉻絲。
為了保障水泵和水管在低溫下正常運(yùn)行以及融化實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)槽內(nèi)水體加溫，在管道周?chē)惭b耐腐蝕、防潮性能好、絕緣強(qiáng)度高和使用壽命長(zhǎng)的硅橡膠電熱絲帶12并由Pt100鉑電阻溫度傳感器和數(shù)字顯示調(diào)節(jié)器及空氣開(kāi)關(guān)控制電熱絲帶12的工作。電熱絲帶12纏繞在進(jìn)水管9、出水管10和不銹鋼水泵13的底座上，溫度傳感器分別固定在水泵底座和管道壁上，此外在兩個(gè)排水管19處也纏繞了電熱絲帶12。
實(shí)驗(yàn)水槽的下方由80毫米×40毫米的槽鋼焊制支架20，支承水槽，支架內(nèi)全部填滿(mǎn)保溫材料6?？紤]到實(shí)驗(yàn)水體，水槽及支架20的總重量接近3噸并為了防止實(shí)驗(yàn)過(guò)程發(fā)生漏水、漫水現(xiàn)象，所以低溫實(shí)驗(yàn)室地面全部安裝木龍骨；地面鋪設(shè)隔水橡膠。
實(shí)驗(yàn)方法是將水溫接近零度的自來(lái)水泵入水槽，水體開(kāi)始低速流動(dòng)；根據(jù)模擬的目的，決定在水體凍結(jié)前或凍結(jié)到一定厚度添加硝基苯；添加硝基苯溶液時(shí)在水槽出水口通道一側(cè)安排三個(gè)添加點(diǎn)，用玻璃移液管緩慢注入硝基苯溶液；水體流動(dòng)5分鐘后取第一次水樣，作為水體含硝基苯的本底濃度值；然后再令冰生長(zhǎng)約1厘米厚度，取2升水樣、12升冰樣，用于測(cè)量水體和冰體中硝基苯濃度；繼續(xù)凍結(jié)，當(dāng)冰厚度再增加1.5厘米、1厘米、0.4厘米時(shí)，分別取2升水樣和12升冰樣；到達(dá)實(shí)驗(yàn)預(yù)定冰厚度后，電熱絲帶開(kāi)始通電加熱，使水槽內(nèi)水體溫度保持在1.5±0.2攝氏度，同時(shí)將低溫實(shí)驗(yàn)室溫度升高到0±1攝氏度，令冰層融化；當(dāng)冰的厚度減少1.5厘米和再減少0.5厘米時(shí)，分別取2升水樣和12升冰樣；為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室凍結(jié)冰與天然冰晶體上的一致性，在-18攝氏度下凍結(jié)水體36小時(shí)，停止降溫，取冰晶體分析樣品一個(gè)、再次取2升水樣和12升冰樣；所有水樣、冰樣均在稱(chēng)重量后，在低溫實(shí)驗(yàn)室的0攝氏度房間保存，等待測(cè)試它們的硝基苯濃度；整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每隔半小時(shí)，測(cè)量空氣、冰層、水體溫度和水槽內(nèi)七處固定點(diǎn)的冰厚度計(jì)算平均的冰厚度。在試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，當(dāng)需要觀測(cè)水體運(yùn)動(dòng)和冰底面狀態(tài)時(shí)，將水槽兩側(cè)玻璃觀測(cè)窗2的保溫塞11拿掉，打開(kāi)射燈3，從對(duì)面玻璃觀測(cè)窗2進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)完畢，關(guān)掉射燈3，將保溫塞11安放好。
權(quán)利要求
1.一種污染水體凍融過(guò)程中冰內(nèi)污染物行為物理模擬裝置及方法，其裝置特征在于用不銹鋼材料制作上方敞口水槽，水槽分上下兩層，配以不銹鋼水泵(13)；水槽上層(16)出水通道(15)固定有導(dǎo)流柵(21)；實(shí)驗(yàn)水槽沿長(zhǎng)度兩側(cè)面均設(shè)玻璃觀測(cè)窗(2)，觀測(cè)窗玻璃板研磨成楔形，由外側(cè)擠壓和打膠密封；不銹鋼管道(9、10)外壁與保溫層(6)之間包裹電熱絲帶(12)；水槽除上方敞口外，其余五個(gè)面覆蓋保溫層(6)，保溫層(6)外面加貼保護(hù)膜；取樣器、樣品存儲(chǔ)器皿、測(cè)試傳感器均為不銹鋼和玻璃材料制品；其方法特征在于水槽內(nèi)處于流動(dòng)或者靜止?fàn)顟B(tài)的水體由表面自上而下凍結(jié)；實(shí)驗(yàn)期間隨時(shí)采集冰樣和水樣并監(jiān)測(cè)冰生長(zhǎng)和融化過(guò)程中的冰溫度、冰厚度變化。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)境工程、水利工程和海洋工程技術(shù)領(lǐng)域。其特征是，提供一種在低溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)物理模擬靜態(tài)和動(dòng)態(tài)化學(xué)污染水體在結(jié)冰和融冰過(guò)程中，冰內(nèi)化學(xué)污染物行為和歸宿的物理模擬裝置及方法，解決湖、河、海冰生長(zhǎng)和融化過(guò)程中，冰內(nèi)化學(xué)污染物遷移、分布和總百分含量；該裝置用不銹鋼和玻璃材料制作；水槽上方敞口接受低溫實(shí)驗(yàn)室冷源；能夠監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中的冰溫度、厚度變化，能夠隨時(shí)采集冰樣和水樣。本發(fā)明的效果和益處是，水體能夠處于流動(dòng)和靜止兩種狀態(tài)；水體能夠自上而下一維生長(zhǎng)和融化；水體和冰體內(nèi)化學(xué)污染物不能被吸附、不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；冰下水體和冰底狀況能夠通過(guò)玻璃窗觀測(cè)；樣品能夠在低溫環(huán)境儲(chǔ)存并等待化學(xué)分析。
文檔編號(hào)G09B25/00GK101021978SQ20071001078
公開(kāi)日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2007年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月26日
發(fā)明者李志軍, 李廣偉, 李青山, 許士國(guó), 徐向舟, 白焱, 王昕 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué), 松遼水環(huán)境科學(xué)研究所