張衛(wèi)國，石媛，穆睿

?

自動往復(fù)式淋濾實驗裝置開發(fā)與應(yīng)用＊

張衛(wèi)國1，石媛2，穆睿1

（1.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710054；2.山西省分析科學(xué)研究院，山西 太原 030000）

淋濾實驗是研究物質(zhì)遷入或遷出過程的重要手段之一，涉及學(xué)科廣泛。針對現(xiàn)有淋濾實驗裝置功能單一、自動化程度低等問題，開發(fā)了一套多功能自動往復(fù)式淋濾實驗裝置，詳細介紹了該套裝置的總體結(jié)構(gòu)、各部件連接關(guān)系、功能實現(xiàn)過程及原理。自動往復(fù)式淋濾實驗裝置可以完成3種不同類型的淋濾實驗，通過目標(biāo)物總量的加和計算，可以有效地驗證實驗的準(zhǔn)確性。該套裝置的開發(fā)與應(yīng)用對于固液間物質(zhì)交換的精細化、定量化研究具有一定的借鑒作用。

淋濾實驗；總體結(jié)構(gòu)；裝置開發(fā)；自動化程度

淋濾也稱“淋溶”，通常指大氣降水滲入地下時，滲流水把地表附近細小的破碎物質(zhì)和圍巖中易溶成分溶解帶走的過程。環(huán)境科學(xué)中經(jīng)常進行的淋濾實驗是模擬污水的滲入過程，研究污染物在飽氣帶中的吸附、轉(zhuǎn)化、自凈機制，確定飽氣帶的防護能力，為評價污水滲漏對地下水水質(zhì)的污染影響提供參考依據(jù)[1-2]。除此之外，淋濾還是煤等地質(zhì)體中有害元素遷移出的主要途徑之一[3-6]。地質(zhì)體中有害元素經(jīng)常通過地下水作用于鄰近巖層，雨水也會對地質(zhì)體中有害元素進行淋溶，通過地表徑流滲入土壤中，對人類健康和生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生危害。因此，淋濾實驗是研究物質(zhì)遷入或遷出能力的重要手段之一。

常用淋濾實驗方法（思路）有靜態(tài)浸泡和動態(tài)淋濾兩種。靜態(tài)浸泡是將淋濾液浸沒被淋濾介質(zhì)一段時間后取出液體，測試液體中目標(biāo)物的含量變化情況。動態(tài)淋濾又分為兩種，一種是目標(biāo)物在淋濾液中，測試淋濾液進入被淋濾介質(zhì)后目標(biāo)物的損耗量，即目標(biāo)物被淋濾介質(zhì)的吸附/轉(zhuǎn)化的情況；一種是目標(biāo)物在被淋濾介質(zhì)中，測試淋濾液進入被淋濾介質(zhì)后目標(biāo)物的增加量，即目標(biāo)物被淋濾液從介質(zhì)中攜帶出的情況[7]。由于淋濾實驗涉及學(xué)科比較多，研究者對淋濾機理關(guān)注比較多，淋濾實驗裝置的開發(fā)相對滯后[8]。目前，淋濾實驗裝置尚存一些問題。比如現(xiàn)有淋濾實驗裝置比較單一，淋濾時間、淋濾液流量、驅(qū)動力等參數(shù)控制和采集不夠精確；淋濾柱中多數(shù)僅放置單種被淋濾介質(zhì)，無法實現(xiàn)模擬多層介質(zhì)疊加作用下的復(fù)雜地質(zhì)體情況；連續(xù)動態(tài)淋濾情況下，淋濾液單程進入被淋濾介質(zhì)，造成淋濾液消耗大，且淋濾液中目標(biāo)物濃度低，實驗結(jié)果精度低，重現(xiàn)性差；實驗裝置自動化程度低，耗時費力，實驗中容易出錯[9-12]。

針對上述問題，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、數(shù)據(jù)精確，并且能夠模擬多層介質(zhì)疊加作用下的復(fù)雜地質(zhì)體情況的自動往復(fù)式淋濾裝置。

1 實驗裝置開發(fā)

基于傳統(tǒng)土柱淋濾實驗框架，參考美國環(huán)保局提出的淋濾環(huán)境評價體系（LEAF），遵循自動化、模塊化、多功能原則進行裝置研發(fā)。

1.1 裝置總體結(jié)構(gòu)

自動往復(fù)式淋濾實驗裝置主要包括淋濾柱、升降機、濾液箱、翻轉(zhuǎn)機、空壓機和控制器等，如圖1所示。升降機、空壓機和控制器固定安裝在載臺上；翻轉(zhuǎn)機通過支撐架固定安裝在載臺上；淋濾柱通過卡位釘與翻轉(zhuǎn)電機相連；兩個濾液箱分別放置在升降機的升降臺上，濾液箱液路口通過液路管分別與淋濾柱液路孔相連；濾液箱氣路口通過氣路管與空壓機相連；氣液路端口設(shè)置有電磁閥、氣壓表和流量計，由控制器微機控制開閉和數(shù)據(jù)采集。

1.2 淋濾柱

淋濾柱由多節(jié)單模塊、上下封蓋、一組夾持蓋、4根拉桿、8個螺絲組成；單模塊、上下封蓋、夾持蓋材質(zhì)為有機玻璃，拉桿、螺絲材質(zhì)為合金鋼；淋濾柱單模塊設(shè)置有墊圈和篩孔，各單模塊上下疊套，通過墊圈密封；上封蓋設(shè)置有密封圈和液路口，與最上端單模塊上下疊套，通過密封圈密封；下封蓋設(shè)置有墊圈和液路口，與最下端單模塊上下疊套，通過墊圈密封；夾持蓋設(shè)置有4個拉桿孔、墊片和液路孔，分別與上下封蓋疊套，通過墊片緩沖；拉桿設(shè)置有螺絲和卡位釘；拉桿孔與夾持蓋相連，通過螺絲固定夾緊；淋濾柱上下液路孔分別與氣路管相連，氣路管與液路管為耐壓抗腐軟管，各接口處由密封卡扣固定。

1—升降機；2—氣路；3—濾液箱；4—翻轉(zhuǎn)機；5—淋濾柱； 6—液路；7—空壓機；8—控制器；9—載臺。

1.3 升降結(jié)構(gòu)

實驗載臺兩端設(shè)置有升降機，升降機由升降電機、軌道和升降臺組成。升降電機通過線路與控制器相連，受控制器支配，升降電機通過軌道驅(qū)動升降臺；升降臺上放置濾液箱，升降臺帶動濾液箱上下移動。濾液箱由出液口、進液口、氣路口和液路口組成；濾液箱材質(zhì)耐壓、抗腐、透明，箱體標(biāo)有刻度線；出液口設(shè)置有手動閥門，用于采集箱內(nèi)液體；進液口為漏斗狀，方便向箱內(nèi)倒入液體，進液口設(shè)置有電磁閥；氣路口設(shè)置有電磁閥和氣壓表，通過氣路管與空壓機相連；液路口設(shè)置有電磁閥和流量計，通過液路管與淋濾柱相連。

1.4 翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)

翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)主要涉及翻轉(zhuǎn)機，翻轉(zhuǎn)機由翻轉(zhuǎn)器和翻轉(zhuǎn)電機組成，通過支撐架固定安裝在載臺上，翻轉(zhuǎn)器通過卡位釘與淋濾柱連接，翻轉(zhuǎn)電機通過線路與控制器相連，受控制器支配，實現(xiàn)180°回程往復(fù)翻轉(zhuǎn)動作。

1.5 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由控制器上的時間顯示、翻轉(zhuǎn)計次顯示、電源開關(guān)、升降機開關(guān)、翻轉(zhuǎn)機開關(guān)、空壓機開關(guān)和微機組成，固定安裝在載臺上；通過線路與升降機、翻轉(zhuǎn)機、空壓機、各電磁閥和流量計相連，通過控制升降機、翻轉(zhuǎn)機和各電磁閥實現(xiàn)淋濾柱往復(fù)式淋濾實驗，通過采集流量計和翻轉(zhuǎn)器的信號實現(xiàn)淋濾液流量記錄、淋濾時間記錄、翻轉(zhuǎn)次數(shù)記錄。

2 實驗裝置應(yīng)用

自動往復(fù)式淋濾實驗裝置可以實現(xiàn)3種不同類型的淋濾實驗：①單一介質(zhì)往復(fù)淋濾實驗；②多介質(zhì)往復(fù)淋濾實驗；③液壓差往復(fù)淋濾實驗。以上3種淋濾實驗，均可裝配不同類型的淋濾液如超純水、標(biāo)液、自然水體（雨水、河水、礦井水）等，以供不同類型淋濾液條件下淋濾效果對比分析使用。淋濾柱可進行多樣多節(jié)組合，以供模擬復(fù)雜地質(zhì)體和新材料研究使用。通過目標(biāo)物總量的加和計算，可以有效地驗證實驗的準(zhǔn)確性；可以測定從淋濾實驗開始到某一時間點，淋濾液中增加的目標(biāo)物的絕對量占實驗前被淋濾介質(zhì)中目標(biāo)物的絕對量的百分比，即淋出率；可以測定從淋濾實驗開始到某一時間點，被淋濾介質(zhì)中增加的目標(biāo)物的絕對量占實驗前淋濾液中目標(biāo)物的絕對量的百分比，即介質(zhì)吸附率。根據(jù)不同時間淋出率和介質(zhì)吸附率繪制曲線，淋出率曲線可以直觀地看出目標(biāo)物在介質(zhì)中被淋濾出的起始時間和速率，介質(zhì)吸附率曲線可以直觀地看出目標(biāo)物被介質(zhì)吸附的起始時間和速率。

3 結(jié)束語

淋濾實驗涉及學(xué)科廣泛，對于科學(xué)研究具有重要作用。針對現(xiàn)有淋濾實驗裝置功能單一、自動化程度低等問題，開發(fā)了一套自動往復(fù)式淋濾實驗裝置。該套裝置結(jié)構(gòu)緊湊、功能全面、節(jié)省人力、占地面積小、應(yīng)用范圍廣、使用壽命長、自動化程度高，有效減少了實驗中的人為誤差。自動往復(fù)式淋濾實驗裝置可以實現(xiàn)3種不同類型的淋濾實驗，通過目標(biāo)物總量的加和計算，可以有效地驗證實驗的準(zhǔn)確性。

［1］劉少文，焦如珍，董玉紅，等.土壤重金屬污染的生物修復(fù)研究進展［J］.林業(yè)科學(xué)，2017，53（5）：146-155.

［2］于揚，李德先，王登紅，等.溶解態(tài)稀土元素在離子吸附型稀土礦區(qū)周邊地表水中的分布特征及影響因素［J］.地學(xué)前緣，2017，24（5）：172-181.

［3］王運泉，任德貽，尹金雙，等.煤及其燃燒產(chǎn)物中微量元素的淋濾試驗研究［J］.環(huán)境科學(xué)，1996，17（1）：16-19.

［4］宋黨育，秦勇，張軍營，等.煤及其燃燒產(chǎn)物中有害痕量元素的淋濾特性研究［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2005（9）：1195-1201.

［5］劉欽甫，鄭麗華，張金山，等.煤矸石中氮溶出的動態(tài)淋濾實驗［J］.煤炭學(xué)報，2010，35（6）：1009-1014.

［6］劉桂建，袁自嬌，周春財，等.采礦區(qū)土壤環(huán)境污染及其修復(fù)研究［J］.中國煤炭地質(zhì)，2017，29（9）：37-40.

［7］曹云全，張雙圣，劉漢湖，等.煤矸石中重金屬動態(tài)淋濾和靜態(tài)浸泡溶出特征研究［J］.河北工程大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，27（1）：76-80.

［8］李光宇，王少坡，邱春生，等.淋濾技術(shù)去除剩余污泥重金屬研究進展［J］.環(huán)境工程，2017，35（2）：133-137.

［9］程艷坤，趙文霞，李麗，等.粉煤灰中有害元素淋濾實驗研究［J］.河北化工，2008，3（3）：23-24.

［10］周普雄，嚴勰，余震，等.生物淋濾聯(lián)合類Fenton反應(yīng)去除污染土壤中重金屬的效果［J］.環(huán)境科學(xué)，2016，37（9）：23-24.

［11］王念秦，賀磊.非飽和煤矸石淋濾儀的研制與應(yīng)用［J］.煤炭技術(shù)，2016，35（11）：263-265.

［12］楊永昌，莘星，紀(jì)冬平，等.燃煤產(chǎn)物中微量元素的淋濾實驗方案和淋濾特征［J］.中國資源綜合利用，2017，35（8）：11-13.

張衛(wèi)國（1985—），男，河北雄縣人，碩士，工程師，主要從事煤地球化學(xué)實驗研究。

國家自然科學(xué)基金（編號：41802187）；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃專項項目（編號：18JK0521）

2095－6835（2018）24－0095－02

TQ534

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.095

〔編輯：嚴麗琴〕