CN105334309A - 一种土壤重金属迁移转化模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种土壤重金属迁移转化模拟装置，包括：淋溶柱、储液***、多套收集检测单元及数据采集与控制***，通过储液***控制淋溶柱内土壤水势的变化，从而实现重金属在土壤中迁移与转化。通过收集检测单元对淋溶柱中的淋溶液收集和检测，数据采集与控制***能对淋溶液参数和土壤参数进行采集、存储及控制。该模拟装置集淋溶液的储存、收集、检测和数据采集于一体，结构紧凑、操作方便，为土壤中重金属离子运移转化模型建立提供了参数优化手段，缩短了试验周期，提高了试验精度，研究结果更科学可靠，是进行土壤重金属离子迁移等实验研究的工具。

Description

一种土壤重金属迁移转化模拟装置

技术领域

本发明涉及环境岩土工程技术领域，特别涉及一种土壤重金属迁移转化模拟装置。

背景技术

根据环保部发布的全国土壤污染调查公报显示：全国土壤环境状况总体不容乐观，部分地区土壤污染较重，耕地土壤环境质量堪忧，工矿业废弃地土壤环境问题突出。全国土壤总的超标率为16.1％，其中轻微、轻度、中度和重度污染点位比例分别为11.2％、2.3％、1.5％和1.1％。污染类型以无机型为主，有机型次之，复合型污染比重较小，无机污染物超标点位数占全部超标点位的82.8％。调查结果显示：在我国土壤污染中，重金属污染占有相当大的比例，且污染严重，急需治理。因此弄清重金属离子在土壤中的运移转化过程对于污染土壤治理的重要性不言而喻。

通过现场试验研究重金属在土壤中的运移转化过程，不仅操作难度大，费用消耗多，而且试验周期过长，根本无法满足现阶段对于污染土壤治理的急迫性，传统的土壤重金属离子运移转化实验装置是在土柱下方设有自由渗漏的孔，土壤水饱和后，将重金属溶液注入土柱内，开始向下渗漏，下渗完全依靠土壤水的重力势，进度非常缓慢，试验精度差，且重金属完全靠重力势向下迁移，有很大的不均一性，实验结果不准确。

现有技术中的方法只能做土壤饱和水重金属运移试验，靠自由水摆脱土壤的束缚开始迁移，导致类似实验结果不科学，且实验周期长，实验的真实性及准确性无法验证。

发明内容

本发明提供的一种土壤重金属迁移转化模拟装置，解决了或部分解决了现有技术中的方法只能做土壤饱和水重金属运移试验，导致试验结果不科学，实验周期长，实验的真实性及准确性无法验证的技术问题，实现了试验周期短、实验误差小、测试精度高且能实现重金属在土壤中的运移与转化过程动态监测的技术效果。

本发明提供了一种土壤重金属迁移转化模拟装置，包括：

淋溶柱，外部为密封结构，内部设置容置空间；所述淋溶柱的顶部开设第一进液口及排气口，周身开设有多个竖直高度不同的检测口，底部开设第二进液口及所述检测口；

储液***，所述储液***包括：蒸馏水存储罐、第一蠕动泵、重金属溶液储存罐及第二蠕动泵；所述蒸馏水存储罐通过管道连通所述第二进液口；所述第一蠕动泵设置在所述蒸馏水存储罐与所述淋溶柱之间的管道上；所述重金属溶液储存罐通过管道连通所述第一进液口；所述第二蠕动泵设置在所述重金属溶液储存罐与所述淋溶柱之间的管道上；

多套收集检测单元，数量与所述检测口的数量相同；所述收集检测单元包括：采样罐、采样管、土壤电导率传感器及土壤PH传感器；所述采样管的一端伸入所述淋溶柱的检测口，另一端连通所述采样罐；所述土壤电导率传感器及土壤PH传感器设置在所述淋溶柱内，靠近所述采样管布置；所述采样罐内设置有PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极及重金属电极；

数据采集与控制***，所述数据采集与控制***包括：多个数据采集器及数据集合控制器；多个所述数据采集器对应多套所述收集检测单元；所述数据采集器与所述PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极及所述重金属电极通过导线连接；所述数据集合控制器与所述土壤电导率传感器、所述土壤PH传感器及多个所述数据采集器电性连接；

其中，进行模拟试验时，将土壤填充在所述容置空间内形成土柱，所述土柱的上方和下方分别依次设置透水滤膜、透水石层及玻璃珠层；所述土柱上方的所述玻璃珠层紧贴所述淋溶柱的顶部内壁；所述土柱下方的所述玻璃珠层紧贴所述淋溶柱的底部内壁；所述模拟试验能模拟重金属离子在饱和土壤中的迁移与转化过程，也能模拟重金属离子在非饱和土壤中的迁移与转化过程。

作为优选，所述淋溶柱包括：淋溶壁、顶盖、底盖及两个密封圈；

所述淋溶壁为两端敞口的空心圆筒体，所述淋溶壁的两端分别向外延伸出设定宽度的环板；

所述顶盖通过螺栓与所述淋溶壁顶部的所述环板固定连接；

所述底盖通过螺栓与所述淋溶壁底部的所述环板固定连接；所述底盖的底部与底座固定连接；

所述密封圈呈圆环形；其中一个所述密封圈固定在所述顶盖与淋溶壁之间，另一个所述密封圈固定在所述底盖与淋溶壁之间；

其中，所述淋溶壁、顶盖与所述底盖整体组成密封的空心圆筒体；所述顶盖开设有所述第一进液口及所述排气口；所述淋溶壁开设有多个竖直高度不同的所述检测口；所述底盖开设有所述第二进液口及所述检测口。

作为优选，所述淋溶壁、顶盖及底盖都采用透明的聚氯乙烯材料。

作为优选，所述储液***还包括：可调空压机、压力表、分压阀、第一流量计及第二流量计；

所述可调空压机通过气管与所述分压阀连通；

所述压力表设置在所述可调空压机与分压阀之间的气管上；

所述分压阀设置有两个气体出口，其中一个所述气体出口通过气管与所述蒸馏水存储罐连通，另一个所述气体出口通过气管与所述重金属溶液储存罐连通；

所述第一流量计设置在所述第一蠕动泵与所述淋溶柱之间的管道上；

所述第二流量计设置在所述第二蠕动泵与所述淋溶柱之间的管道上。

作为优选，所述收集检测单元还包括：固定器、过滤器、电磁阀及第三流量计；

所述固定器与所述淋溶柱固定连接，能将所述采样管固定在所述淋溶柱的所述检测口；

所述过滤器、电磁阀及第三流量计依次设置在所述采样管上；所述过滤器靠近所述淋溶柱；

所述土壤电导率传感器及土壤PH传感器与对应的所述采样管位于同一水平高度。

作为优选，所述重金属溶液储存罐、土壤电导率传感器、土壤PH传感器、过滤器、电磁阀、第三流量计、PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极、重金属电极和采样罐均采用耐酸碱腐蚀材料。

作为优选，所述模拟装置包括5套所述收集检测单元及5个所述数据采集器；

所述淋溶柱的周身开设有4个竖直高度不同的所述检测口，底部开设1个所述检测口；各个所述检测口的竖直间距为设定值；

5套所述收集检测单元中的所述采样管分别与5个所述检测口连通；

5个所述数据采集器分别设置在5个所述采样罐上；

其中，所述数据采集器能接受对应的所述PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极及所述重金属电极发送的电信号，并生成对应信息。

作为优选，所述处理设备还包括：数据终端；

所述数据终端为电脑；所述数据终端与所述数据集合控制器电性连接；

其中，所述数据集合控制器能接受和存储所述数据采集器发送的信息；所述数据终端能显示和处理所述信息。

本发明提供的土壤重金属迁移转化模拟装置通过储液***控制淋溶柱内土壤水势的变化，通过多个收集检测单元对不同高度处淋溶柱的重金属溶液收集和参数检测，土壤电导率传感器和土壤PH传感器实时检测土壤的电导率和PH，PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极、重金属电极可实时检测淋溶液的PH、电导率、氧化还原电位、重金属浓度，数据采集与控制***能对重金属溶液参数和土壤参数的信息进行采集和存储，从而实现重金属离子在土壤中迁移与转化过程的快速观测。因此，该模拟装置集溶液的储存、收集、检测和数据采集于一体，结构紧凑、操作方便，为土壤重金属离子迁移与转化模型建立提供了参数优化手段，缩短了试验周期，提高了试验精度，研究结果更科学可靠，是进行土壤重金属迁移与转化等实验研究的工具，能实现土壤中重金属迁移与转化过程的实时、高效和监测。

附图说明

图1为本发明实施例提供的土壤重金属迁移转化模拟装置的结构示图。

附图中标号代表的部件依次为：1可调空压机、2压力表、3分压阀、4蒸馏水存储罐、5第一蠕动泵、6第一流量计、7重金属溶液存储罐、8第二蠕动泵、9第二流量计、10第一进液口、11顶盖、12排气口、13密封圈、14玻璃珠、15螺栓、16透水石层、17透水滤膜、18土壤电导率传感器、19土壤PH传感器、20淋溶壁、21底盖、22底座、23第二进液口、24固定器、25过滤器、26电磁阀、27第三流量计、28PH电极、29电导率电极、30氧化还原电位电极、31重金属电极、32采样罐、33数据采集器、34数据集合控制器、35数据终端。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述：

本申请实施例提供了一种土壤重金属迁移转化模拟装置，解决了或部分解决了现有技术中的方法只能做土壤饱和水重金属运移试验，导致试验结果不科学，试验周期长，试验的真实性及准确性无法验证的技术问题，通过设置淋溶柱、储液***、多套收集检测单元及数据采集与控制***；实现了试验周期短、试验误差小、测试精度高且能实现重金属在土壤中的运移与转化过程动态监测的技术效果。

本申请实施例提供了一种土壤重金属迁移转化模拟装置，包括：淋溶柱、储液***、多套收集检测单元及数据采集与控制***34。

淋溶柱的外部为密封结构，内部设置容置空间；淋溶柱的顶部开设第一进液口10及排气口12，周身开设有多个竖直高度不同的检测口，底部开设第二进液口23及检测口。

储液***包括：蒸馏水存储罐4、第一蠕动泵5、重金属溶液储存罐7及第二蠕动泵8；蒸馏水存储罐4通过管道连通第二进液口23；第一蠕动泵5设置在蒸馏水存储罐4与淋溶柱之间的管道上；重金属溶液储存罐7通过管道连通第一进液口10；第二蠕动泵8设置在重金属溶液储存罐7与淋溶柱之间的管道上。

多套收集检测单元，数量与检测口的数量相同；收集检测单元包括：采样罐32、采样管、土壤电导率传感器18及土壤PH传感器19；采样管的一端伸入淋溶柱的检测口，另一端连通采样罐32；土壤电导率传感器18及土壤PH传感器19设置在淋溶柱内，靠近采样管布置；采样罐32内设置有PH电极28、电导率电极29、氧化还原电位电极30及重金属电极31。

数据采集与控制***包括：多个数据采集器33及数据集合控制器34；多个数据采集器33对应多套收集检测单元；数据采集器33与PH电极28、电导率电极29、氧化还原电位电极30及重金属电极31通过导线连接；数据集合控制器34与土壤电导率传感器18、土壤PH传感器19及多个数据采集器33电性连接。

其中，进行模拟试验时，将土壤填充在容置空间内形成土柱，土柱的上方和下方分别依次设置透水滤膜17、透水石层16及玻璃珠层14；土柱上方的玻璃珠层14紧贴淋溶柱的顶部内壁；土柱下方的玻璃珠层14紧贴淋溶柱的底部内壁；模拟试验能模拟重金属离子在饱和土壤中的迁移与转化过程，也能模拟重金属离子在非饱和土壤中的迁移与转化过程。

进一步的，该淋溶柱包括：淋溶壁20、顶盖11、底盖21及两个密封圈13；淋溶壁20为两端敞口的空心圆筒体，淋溶壁20的两端分别向外延伸出设定宽度的环板；顶盖11通过螺栓15与淋溶壁20顶部的环板固定连接；底盖21通过螺栓15与淋溶壁20底部的环板固定连接；底盖21的底部与底座22固定连接；密封圈13呈圆环形；其中一个密封圈13固定在顶盖11与淋溶壁20之间，另一个密封圈13固定在底盖21与淋溶壁20之间。

其中，淋溶壁20、顶盖11与底盖21整体组成密封的空心圆筒体；顶盖11开设有第一进液口10及排气口12；淋溶壁20开设有多个竖直高度不同的检测口；底盖21开设有第二进液口23及检测口。作为一种优选的实施例，淋溶壁20、顶盖11及底盖21都采用透明的聚氯乙烯材料。

进一步的，该储液***还包括：可调空压机1、压力表2、分压阀3、第一流量计6及第二流量计9；可调空压机1通过气管与分压阀3连通；压力表2设置在可调空压机1与分压阀3之间的气管上；分压阀3设置有两个气体出口，其中一个气体出口通过气管与蒸馏水存储罐4连通，另一个气体出口通过气管与重金属溶液储存罐7连通；第一流量计6设置在第一蠕动泵5与淋溶柱之间的管道上；第二流量计9设置在第二蠕动泵8与淋溶柱之间的管道上。

进一步的，收集检测单元还包括：固定器24、过滤器25、电磁阀26及第三流量计27；固定器24与淋溶柱固定连接，能将采样管固定在淋溶柱的检测口；过滤器25、电磁阀26及第三流量计27依次设置在采样管上；过滤器25靠近淋溶柱；土壤电导率传感器18及土壤PH传感器19与对应的采样管位于同一水平高度。

作为一种优选的实施例，重金属溶液储存罐7、第二蠕动泵8、第二流量计9、土壤电导率传感器18、土壤PH传感器19、过滤器25、电磁阀26、第三流量计27、PH电极28、电导率电极29、氧化还原电位电极30、重金属电极31和采样罐32均采用耐酸碱腐蚀材料。

作为一种优选的实施例，模拟装置包括5套收集检测单元及5个数据采集器33；淋溶柱的周身开设有4个竖直高度不同的检测口，底部开设1个检测口；各个检测口的竖直间距为设定值；5套收集检测单元中的采样管分别与5个检测口连通；5个数据采集器33分别设置在5个采样罐32上；其中，数据采集器33能接受对应的PH电极28、电导率电极29、氧化还原电位电极30及重金属电极31发送的电信号，并生成对应信息。

进一步的，该处理设备还包括：数据终端35；数据终端35为电脑；数据终端35与数据集合控制器34电性连接；其中，数据集合控制器34能接受和存储数据采集器33发送的信息；数据终端35能显示和处理信息。

下面结合具体实施例对本申请提供的土壤重金属迁移转化模拟装置的工作原理及各个部件的运行特征进行详细说明：

工作时，首先将淋溶壁20的下端和底盖21用螺栓15固定连接，密封圈13紧贴在淋溶壁20下端和底座22之间，在底盖21内平铺玻璃珠层14，透水石层16置于玻璃珠层14上，将透水滤膜17紧贴在透水石层16上，将土壤装入淋溶壁20内，在土壤上部依次放上透水滤膜17、透水石层16和玻璃珠层14，然后将顶盖11和淋溶壁20的上端用螺栓固定连接，密封圈13紧贴在淋溶壁20上端和顶盖11之间，将重金属溶液管道和蒸馏水管道分别与第一进液口10和第二进液口23连接。

启动数据采集与控制***，可调空压机1给电启动，气压通过管道经压力表2和分压阀3分别施加在蒸馏水储存罐4和重金属溶液储存罐7内，如若模拟重金属离子在饱和土壤中的迁移与转化过程，启动第一蠕动泵5，第一蠕动泵5将蒸馏水从蒸馏水储存罐4抽出，第一流量计6控制蒸馏水的流量，蒸馏水通过管道通过第二进液口23进入淋溶柱内，蒸馏水在蒸馏水储存罐4内气压的作用下，自下而上去淋溶柱内的土壤进行饱和，土壤内的空气通过排气管排出，如若模拟重金属离子在非饱和土壤中的迁移与转化过程，则启动第二蠕动泵8，第二蠕动泵8将重金属溶液从重金属溶液储存罐7抽出，第二流量计9控制重金属溶液的流量，重金属溶液通过管道通过第一进液口10进入淋溶柱内的土壤中，重金属溶液在重金属溶液储存罐7内气压的作用下，自上而下渗入土壤，启动收集检测单元，收集检测单元分别收集对应高度的土壤溶液，土壤溶液经过滤器25、电磁阀26、第三流量计27进入采样罐32内，过滤器25去除溶液内的杂质，第三流量计27测量溶液的体积，采样罐32内PH电极28、电导率电极29、氧化还原电位电极30、重金属电极31分别检测溶液的PH、电导率、氧化还原电位、重金属的浓度，土壤电导率传感器18、土壤PH传感器19分别检测淋溶柱内土壤的电导率及PH，采样罐32的上部的数据采集器33分别采集该收集检测单元的检测数据，数据通过数据集合控制器34传至电脑中。

本发明提供的土壤重金属迁移转化模拟装置通过储液***控制淋溶柱内土壤水势的变化，可调空压机1可使重金属溶液和蒸馏水保持一定压力，从而加速溶液在淋溶柱内的下渗，通过多个收集检测单元对不同高度处淋溶柱的重金属溶液收集和参数检测，过滤器25可去除淋溶液中的杂质，提高试验精度，土壤电导率传感器18和土壤PH传感器19实时检测土壤的电导率和PH，PH电极28、电导率电极29、氧化还原电位电极30、重金属电极31可实时检测淋溶液的PH、电导率、氧化还原电位、重金属浓度，数据采集与控制***能对重金属溶液参数和土壤参数的信息进行采集和存储，从而实现重金属离子在土壤中迁移与转化过程的快速观测。因此，该模拟装置集溶液的储存、收集、检测和数据采集于一体，结构紧凑、操作方便，为土壤重金属离子迁移与转化模型建立提供了参数优化手段，缩短了试验周期，提高了试验精度，研究结果更科学可靠，是进行土壤重金属迁移与转化等实验研究的工具，能实现土壤中重金属迁移与转化过程的实时、高效和监测。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种土壤重金属迁移转化模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括：

淋溶柱，外部为密封结构，内部设置容置空间；所述淋溶柱的顶部开设第一进液口及排气口，周身开设有多个竖直高度不同的检测口，底部开设第二进液口及所述检测口；

储液***，所述储液***包括：蒸馏水存储罐、第一蠕动泵、重金属溶液储存罐及第二蠕动泵；所述蒸馏水存储罐通过管道连通所述第二进液口；所述第一蠕动泵设置在所述蒸馏水存储罐与所述淋溶柱之间的管道上；所述重金属溶液储存罐通过管道连通所述第一进液口；所述第二蠕动泵设置在所述重金属溶液储存罐与所述淋溶柱之间的管道上；

多套收集检测单元，数量与所述检测口的数量相同；所述收集检测单元包括：采样罐、采样管、土壤电导率传感器及土壤PH传感器；所述采样管的一端伸入所述淋溶柱的检测口，另一端连通所述采样罐；所述土壤电导率传感器及土壤PH传感器设置在所述淋溶柱内，靠近所述采样管布置；所述采样罐内设置有PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极及重金属电极；

数据采集与控制***，所述数据采集与控制***包括：多个数据采集器及数据集合控制器；多个所述数据采集器对应多套所述收集检测单元；所述数据采集器与所述PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极及所述重金属电极通过导线连接；所述数据集合控制器与所述土壤电导率传感器、所述土壤PH传感器及多个所述数据采集器电性连接；

其中，进行模拟试验时，将土壤填充在所述容置空间内形成土柱，所述土柱的上方和下方分别依次设置透水滤膜、透水石层及玻璃珠层；所述土柱上方的所述玻璃珠层紧贴所述淋溶柱的顶部内壁；所述土柱下方的所述玻璃珠层紧贴所述淋溶柱的底部内壁；所述模拟试验能模拟重金属离子在饱和土壤中的迁移与转化过程，也能模拟重金属离子在非饱和土壤中的迁移与转化过程。

2.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，

所述淋溶柱包括：淋溶壁、顶盖、底盖及两个密封圈；

所述淋溶壁为两端敞口的空心圆筒体，所述淋溶壁的两端分别向外延伸出设定宽度的环板；

所述顶盖通过螺栓与所述淋溶壁顶部的所述环板固定连接；

所述底盖通过螺栓与所述淋溶壁底部的所述环板固定连接；所述底盖的底部与底座固定连接；

所述密封圈呈圆环形；其中一个所述密封圈固定在所述顶盖与淋溶壁之间，另一个所述密封圈固定在所述底盖与淋溶壁之间；

其中，所述淋溶壁、顶盖与所述底盖整体组成密封的空心圆筒体；所述顶盖开设有所述第一进液口及所述排气口；所述淋溶壁开设有多个竖直高度不同的所述检测口；所述底盖开设有所述第二进液口及所述检测口。

3.如权利要求2所述的模拟装置，其特征在于，

所述淋溶壁、顶盖及底盖都采用透明的聚氯乙烯材料。

4.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，

所述储液***还包括：可调空压机、压力表、分压阀、第一流量计及第二流量计；

所述可调空压机通过气管与所述分压阀连通；

所述压力表设置在所述可调空压机与分压阀之间的气管上；

所述分压阀设置有两个气体出口，其中一个所述气体出口通过气管与所述蒸馏水存储罐连通，另一个所述气体出口通过气管与所述重金属溶液储存罐连通；

所述第一流量计设置在所述第一蠕动泵与所述淋溶柱之间的管道上；

所述第二流量计设置在所述第二蠕动泵与所述淋溶柱之间的管道上。

5.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，

所述收集检测单元还包括：固定器、过滤器、电磁阀及第三流量计；

所述固定器与所述淋溶柱固定连接，能将所述采样管固定在所述淋溶柱的所述检测口；

所述过滤器、电磁阀及第三流量计依次设置在所述采样管上；所述过滤器靠近所述淋溶柱；

所述土壤电导率传感器及土壤PH传感器与对应的所述采样管位于同一水平高度。

6.如权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，

所述重金属溶液储存罐、土壤电导率传感器、土壤PH传感器、过滤器、电磁阀、第三流量计、PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极、重金属电极和采样罐均采用耐酸碱腐蚀材料。

7.如权利要求5所述的模拟装置，其特征在于，

所述模拟装置包括5套所述收集检测单元及5个所述数据采集器；

所述淋溶柱的周身开设有4个竖直高度不同的所述检测口，底部开设1个所述检测口；各个所述检测口的竖直间距为设定值；

5套所述收集检测单元中的所述采样管分别与5个所述检测口连通；

5个所述数据采集器分别设置在5个所述采样罐上；

其中，所述数据采集器能接受对应的所述PH电极、电导率电极、氧化还原电位电极及所述重金属电极发送的电信号，并生成对应信息。

8.如权利要求1所述的模拟装置，其特征在于，

所述处理设备还包括：数据终端；

所述数据终端为电脑；所述数据终端与所述数据集合控制器电性连接；

其中，所述数据集合控制器能接受和存储所述数据采集器发送的信息；所述数据终端能显示和处理所述信息。