專(zhuān)利名稱(chēng)：高壓多相界面模擬反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種反應(yīng)器，特別是一種模擬高壓多相界面的反應(yīng) 器。該反應(yīng)器可在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)自然水體各種條件進(jìn)行模擬并 可進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控，該反應(yīng)器適用于大水深水體高水壓條件下的多相界 面模擬研究。
背景技術(shù)：
隨著湖泊、水庫(kù)等地表水源的外源污染得到有效控制，內(nèi)源污染 成為影響水源水質(zhì)的主導(dǎo)因素。內(nèi)源污染對(duì)水源水質(zhì)的影響日益凸 現(xiàn)。造成內(nèi)源污染的沉積物和水體物質(zhì)交換相互作用的最重要過(guò)程發(fā) 生在水體一沉積物一微生物多相界面上，這一界面是最重要的環(huán)境邊 界層。因此對(duì)發(fā)生在此界面的污染物質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化過(guò)程、機(jī)理、影響因 素的研究對(duì)于改善水源水質(zhì)、降低水廠(chǎng)處理負(fù)荷具有重要意義。目前 所采用的研究方法主要包括以下兩類(lèi) 一類(lèi)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用反應(yīng)器
模擬自然條件進(jìn)行研究；另一類(lèi)是在湖泊水庫(kù)等地表水源地進(jìn)行實(shí)地
實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)或定期取樣監(jiān)測(cè)。但是這兩類(lèi)方法都存在一定的問(wèn)題。 現(xiàn)有研究所采用的反應(yīng)器均未考慮大水深水體所形成的高水壓對(duì)多 相界面及底部生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響，忽略了這種高水壓/高滲透壓對(duì) 底層水體中的生物過(guò)程、物理化學(xué)過(guò)程的影響。而大水深水體在我國(guó) 地表水源中所占比例極高。這種忽略了關(guān)鍵影響因素的模擬環(huán)境條件 與真實(shí)自然條件存在巨大差異，導(dǎo)致所得研究結(jié)果存在偏差，難以真 實(shí)反映水體中污染物的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。而在水源地實(shí) 時(shí)連續(xù)或間斷取樣監(jiān)測(cè)的方法，雖為真實(shí)自然條件，但無(wú)法根據(jù)研究 需要對(duì)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行及時(shí)調(diào)整與控制，因而也就無(wú)法對(duì)應(yīng)用水源水質(zhì) 改善技術(shù)或污染底泥修復(fù)技術(shù)的實(shí)施效果進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)。此外，實(shí)
地實(shí)時(shí)連續(xù)或間斷取樣監(jiān)測(cè)要求較高的野外操作條件，所需儀器昂 貴，并且耗時(shí)長(zhǎng)久，所需人力物力巨大，事倍功半，不能滿(mǎn)足科學(xué)研 究的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種高壓多相界面反應(yīng)器， 該反應(yīng)器能考察大水深形成的高滲透壓等關(guān)鍵影響因素，最大程度地 接近自然條件，可模擬大水深水體一沉積物一微生物多相界面。
本發(fā)明還可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)簡(jiǎn)單方便地控制研究所需的各種實(shí)驗(yàn) 條件，兼?zhèn)湓诰€(xiàn)監(jiān)測(cè)與隨時(shí)取樣的功能。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的它包括密閉主體反 應(yīng)器，所述密閉主體反應(yīng)器包括上部氣室(1)和下部反應(yīng)室(2)， 所述上部氣室(1)設(shè)置加壓孔(16)，所述上部氣室(1)和下部反 應(yīng)室(2)連接處設(shè)置彈性隔膜(3)。
所述彈性隔膜(3)與水平面的角度為a: 0°C《a《45°C 所述下部反應(yīng)室(2)設(shè)置有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)。 所述在線(xiàn)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)包括在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭(7)、空氣壓縮機(jī)(6)、 加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4);所述在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭(7)通過(guò)控制 裝置(8)與空氣壓縮機(jī)(6)、加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4)相 連。
所述下部反應(yīng)室(2)沉積物區(qū)設(shè)置有泥樣采樣點(diǎn)，該泥樣采樣 通過(guò)泥樣采樣機(jī)構(gòu)(IOA， 10B)與下部反應(yīng)室(2)相連。
所述泥樣采樣機(jī)構(gòu)(10A， 10B)包括相套而成的內(nèi)螺旋外管(21)、 外螺旋內(nèi)管(22)和高壓螺旋活塞推進(jìn)器(11)，所述泥樣采樣機(jī)構(gòu) (IOA， 10B)上設(shè)有控制閥(20)，所述高壓螺旋活塞推進(jìn)器(11) 的密閉活塞(29)與取樣管(28)相連。
所述下部反應(yīng)室(2)上覆水體區(qū)設(shè)置有水樣采樣點(diǎn)，該水樣采
樣通過(guò)水樣采樣管(12A， 12B，12C， 12D)與下部反應(yīng)室(2)相連。 所述水樣采樣管(12A， 12B， 12C， 12D)設(shè)有減壓閥(18)和 控制閥(19)。
所述下部反應(yīng)室(2)接近彈性隔膜(3)下端設(shè)置有排氣管(23), 所述排氣管(23)上設(shè)有氣體流量計(jì)(14)，所述排氣管(23)接有 氣體收集瓶(15)。
所述上部氣室(1)和下部反應(yīng)室(2)通過(guò)法蘭(24)連接。 本發(fā)明解決上述問(wèn)題的設(shè)想是將高壓多相界面反應(yīng)器內(nèi)部腔體 分為氣室和反應(yīng)室兩部分，由一彈性隔膜分開(kāi)，通過(guò)對(duì)氣室充氣加壓 由彈性隔膜傳遞至下部反應(yīng)室水體及多相界面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)高水壓/高 滲透壓條件的模擬。由反應(yīng)室內(nèi)部設(shè)置的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭、反應(yīng)器外部 的加藥系統(tǒng)、溫度/DO自控系統(tǒng)、水力攪拌系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)所需條 件的調(diào)控。并可通過(guò)巧妙設(shè)置的采樣系統(tǒng)在不擾動(dòng)內(nèi)部水體及底泥、 不改變內(nèi)部連續(xù)模擬條件的前提下自如取樣。通過(guò)氣體計(jì)量收集系統(tǒng) 可對(duì)化學(xué)及生物化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行計(jì)量、收集和成分分析。該 反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)對(duì)大水深高水壓條件下污染物遷移轉(zhuǎn)化多相界面過(guò)程 的全程模擬研究。


圖l是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是反應(yīng)室下部沉積物區(qū)泥樣采樣機(jī)構(gòu)圖； 圖3是取樣中泥樣采樣機(jī)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明由上部氣室1 、下部反應(yīng)室2、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)和水樣、 泥樣采集及氣體計(jì)量收集系統(tǒng)組成。由上部氣室1和下部反應(yīng)室2組 成的主體反應(yīng)器為圓筒狀密閉容器，上部頂蓋體25通過(guò)連接拉桿和 螺栓17與下部底蓋體26錨固連接，上部氣室內(nèi)充壓縮空氣形成高壓， 下部反應(yīng)室裝滿(mǎn)水樣和沉積物泥樣，兩室之間采用法蘭24連接，連
接處夾有彈性隔膜3，用于傳遞上部氣室施加的高壓，彈性隔膜3與 水平面成一定傾角以便于密閉反應(yīng)室2內(nèi)氣體的匯集與排出，該傾角
為a : (TC《a《45。C;在線(xiàn)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)由在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭7、控制系統(tǒng)8、
空氣壓縮機(jī)6、加藥泵5和水力攪拌裝置4組成，根據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭 7所測(cè)相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)，由控制裝置8發(fā)出控制信號(hào)，除模擬自然條件 外，還可根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究需要啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)6、加藥泵5和水力攪拌 裝置4等相關(guān)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)多相界面處的溶解氧濃度DO、 pH 值、壓力和氧化還原電位ORP等參數(shù)，使反應(yīng)室內(nèi)受試水體與沉積 物及分布于其中的生物相所形成的多相界面體系處于穩(wěn)定連續(xù)的可 控環(huán)境中，保證底部生態(tài)條件與自然真實(shí)情況的一致性；泥樣、水樣 采樣系統(tǒng)由泥樣采樣機(jī)構(gòu)10，水樣取樣管12及設(shè)于其上的控制閥20 (泥樣取樣管加裝高壓螺旋活塞推進(jìn)器11)、減壓閥18、控制閥19 組成。氣體計(jì)量收集系統(tǒng)由排氣閥13、氣體流量計(jì)14和氣體收集瓶 15組成，其中排氣閥13、氣體流量計(jì)14和氣體收集瓶15安裝于排 氣管23上，排氣管23接于彈性隔膜3下端，位于其傾斜上側(cè)方，對(duì) 于因控制條件(主要是溶解氧濃度DO)所需進(jìn)入系統(tǒng)的氮?dú)狻嚎s 空氣等對(duì)研究分析無(wú)意義的氣體由排氣閥直接排出，對(duì)于反應(yīng)室內(nèi)因 多相界面體系發(fā)生化學(xué)、生物化學(xué)等反應(yīng)而產(chǎn)生的氣體經(jīng)氣體流量計(jì) 計(jì)量后由氣體收集瓶收集做進(jìn)一步成分分析。水樣、泥樣采樣系統(tǒng)通 過(guò)對(duì)閥門(mén)18、 19、 20及的高壓螺旋活塞推進(jìn)器11的組合使用實(shí)現(xiàn)采 樣，具體采樣辦法下文結(jié)合附圖詳細(xì)說(shuō)明。
模擬自然條件時(shí)，將原水和原始狀態(tài)的柱狀泥樣裝入下部反應(yīng)室 2內(nèi)，密封下部反應(yīng)室2，通過(guò)控制系統(tǒng)8開(kāi)啟空氣壓縮機(jī)6使得壓縮空
氣充入上部氣室l內(nèi)，隨著壓力逐漸增大，彈性隔膜3產(chǎn)生微小變形， 將壓力傳遞至下部水體，控制裝置8根據(jù)在多相界面處測(cè)得壓力的大 小調(diào)控充入上部氣室的氣體量，待界面處壓力達(dá)到所需模擬的壓力條
件后，微微打開(kāi)排氣閥13，保持界面處壓力穩(wěn)定。由于水體和底泥耗 氧，界面處變?yōu)閰捬鯛顟B(tài)。此時(shí)關(guān)閉排氣閥，對(duì)反應(yīng)器內(nèi)部產(chǎn)生的氣 體量進(jìn)行計(jì)量并收集進(jìn)行下一步分析。在泥水多相界面上下附近分配 有多個(gè)取樣口。保持反應(yīng)室2內(nèi)模擬的壓力、溫度、DO等自然條件， 定期通過(guò)取樣口取樣進(jìn)行測(cè)試分析。
根據(jù)研究目的需要對(duì)下部反應(yīng)室內(nèi)2的環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)控時(shí)，可 根據(jù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭7所監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)由控制裝置8發(fā)出控制信號(hào)調(diào)控加 藥泵5、空氣壓縮機(jī)6及水體攪拌裝置4的啟閉，通過(guò)空氣壓縮機(jī)6可對(duì) 下部反應(yīng)室2內(nèi)的溶解氧濃度進(jìn)行調(diào)控，研究不同充氧條件下各種污 染物遷移轉(zhuǎn)化的多相界面過(guò)程和作用機(jī)制。通過(guò)加藥泵5可對(duì)多相界 面處的其它環(huán)境條件如pH值、氧化還原電位等進(jìn)行調(diào)控。此外，下 部反應(yīng)室2內(nèi)的溫度可由高壓多相界面反應(yīng)器外部的自動(dòng)溫控系統(tǒng)進(jìn) 行調(diào)節(jié)和控制。這些調(diào)控過(guò)程均需配合水力混合系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)可 通過(guò)改變水力混合系統(tǒng)的混合強(qiáng)度，研究不同混合條件下的多相界面 過(guò)程，以期全面把握污染物在多相界面的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，進(jìn)而提出切 實(shí)可行且經(jīng)濟(jì)適用的水源水質(zhì)原位改善與沉積物修復(fù)技術(shù)。
由于本發(fā)明采用了彈性隔膜及多種控制系統(tǒng)，不但可以最大程度 地實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)自然條件的模擬，而且可根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究需要調(diào)控各種條 件，操作方便，運(yùn)行可靠，便于進(jìn)行自動(dòng)控制。
本發(fā)明只需調(diào)整壓力調(diào)控系統(tǒng)，即可作為模擬一般水深水體一沉 積物一微生物多相界面的反應(yīng)器。
實(shí)施例
如圖1和圖2所示高壓多相界面反應(yīng)器為圓筒狀封閉結(jié)構(gòu)，由
1、 2和3組成。1為上部氣室，2為下部反應(yīng)室，兩部分由法蘭24 連接，連接處夾有彈性隔膜3。 4為水力攪拌系統(tǒng)通過(guò)泵對(duì)下部反應(yīng) 室2內(nèi)水體進(jìn)行混合。5為加藥泵，通過(guò)加藥泵可向反應(yīng)器內(nèi)投加各
種化學(xué)藥劑，27為儲(chǔ)藥罐，可用于配置各種藥劑。6為空氣壓縮機(jī)， 既可向上部氣室1充氣加壓，又可向反應(yīng)室2內(nèi)充氣調(diào)節(jié)溶解氧濃度。 7為在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭，與控制裝置8相連，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)器中DO、 pH值、壓力、溫度、氧化還原電位(ORP)及多種水質(zhì)參數(shù)，控制 裝置8根據(jù)此數(shù)據(jù)發(fā)出控制指令。9為氣壓計(jì)，測(cè)氣室內(nèi)壓力。10為 泥樣采樣機(jī)構(gòu)，泥樣采樣操作通過(guò)內(nèi)螺旋外管21、外螺旋內(nèi)管22、 控制閥20聯(lián)合高壓螺旋活塞推進(jìn)器11進(jìn)行取樣，具體操作如下不 采集樣品時(shí)，控制閥20為關(guān)閉狀態(tài)。進(jìn)行取樣操作前先將閥門(mén)20打 開(kāi)，旋動(dòng)內(nèi)螺旋外管21，使高壓螺旋活塞推進(jìn)器11中與采樣管28 相連的密閉活塞29將采樣管28緩慢推入反應(yīng)室內(nèi)受試底泥中，迫使 底泥充滿(mǎn)采樣管后再慢慢反方向旋動(dòng)內(nèi)螺旋外管21拉出至原位，關(guān) 閉閥門(mén)20，將采樣管28抽出，對(duì)所采泥樣進(jìn)行分析。12為水樣采樣 管，設(shè)有減壓閥18和控制閥19，取樣時(shí)先打開(kāi)減壓閥18使水體壓 力降低，再打開(kāi)控制閥19進(jìn)行取樣。13為排氣閥，用以排出反應(yīng)器 內(nèi)的廢氣，保持內(nèi)部壓力平衡。14為氣體流量計(jì)，對(duì)反應(yīng)內(nèi)反應(yīng)產(chǎn) 生的N2、 C02、 CH4、 H2及02等進(jìn)行體積計(jì)量，為研究分析提供依 據(jù)。15為氣體收集瓶，收集經(jīng)過(guò)計(jì)量后的氣體做進(jìn)一步成分分析。 16為上部氣室加壓孔，所充壓縮氣體由此進(jìn)入氣室。17為連接拉桿 與螺栓，上部頂蓋體25通過(guò)連接拉桿和螺栓17與下部底蓋體26錨 固連接。
權(quán)利要求
1、一種高壓多相界面模擬反應(yīng)器，包括密閉主體反應(yīng)器，其特征是所述密閉主體反應(yīng)器包括上部氣室(1)和下部反應(yīng)室(2)，所述上部氣室(1)設(shè)置加壓孔(16)，所述上部氣室(1)和下部反應(yīng)室(2)連接處設(shè)置彈性隔膜(3)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述 彈性隔膜(3)與水平面的角度為a: 0°C《a《45°C
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述 下部反應(yīng)室(2)設(shè)置有在線(xiàn)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)調(diào)控系統(tǒng)包括在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭(7)、空氣壓縮機(jī)(6)、加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4);所述在線(xiàn)監(jiān)測(cè)探頭(7)通過(guò)控制裝置(8) 與空氣壓縮機(jī)(6)加藥泵(5)和水力攪拌裝置(4)相連。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述 下部反應(yīng)室(2)沉積物區(qū)設(shè)置有泥樣采樣點(diǎn)，該泥樣采樣通過(guò)采樣 機(jī)構(gòu)(IOA， 10B)與下部反應(yīng)室(2)相連。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述 泥樣采樣機(jī)構(gòu)(IOA， 10B)包括相套而成的內(nèi)螺旋外管(21)、外螺 旋內(nèi)管(22)和高壓螺旋活塞推進(jìn)器(11)，所述泥樣采樣機(jī)構(gòu)(10A, 10B)上設(shè)有控制閥(20)，所述高壓螺旋活塞推進(jìn)器(11)的密閉活 塞(29)與取樣管(28)相連。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述 下部反應(yīng)室(2)上覆水體區(qū)設(shè)置有水樣采樣點(diǎn)，該水樣采樣通過(guò)采 樣管(12A， 12B, 12C， 12D)與下部反應(yīng)室(2)相連。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述 水樣采樣管(12A， 12B， 12C， 12D)設(shè)有減壓閥(18)和控制閥(19)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所述下部反應(yīng)室(2)接近彈性隔膜(3)下端設(shè)置有排氣管(23),所述 排氣管(23)上設(shè)有氣體流量計(jì)(14)，所述排氣管(23)接有氣體 收集瓶(15)。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的高壓多相界面模擬反應(yīng)器，其特征是所 述所述上部氣室(1)和下部反應(yīng)室(2)通過(guò)法蘭(24)連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高壓多相界面反應(yīng)器，它包括密閉主體反應(yīng)器，所述密閉主體反應(yīng)器包括上部氣室(1)和下部反應(yīng)室(2)，所述上部氣室(1)設(shè)置加壓孔(16)，所述上部氣室(1)和下部反應(yīng)室(2)連接處設(shè)置彈性隔膜(3)。該反應(yīng)器能考察大水深形成的高滲透壓等關(guān)鍵影響因素，最大程度地接近自然條件，可模擬大水深水體-沉積物-微生物多相界面。本發(fā)明還可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)簡(jiǎn)單方便地控制研究所需的各種實(shí)驗(yàn)條件，兼?zhèn)湓诰€(xiàn)監(jiān)測(cè)與隨時(shí)取樣的功能。
文檔編號(hào)C02F3/00GK101357787SQ200810150300
公開(kāi)日2009年2月4日 申請(qǐng)日期2008年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月10日
發(fā)明者柴蓓蓓, 黃廷林 申請(qǐng)人:西安建筑科技大學(xué)