王首同， 王旭東， 楊 靖， 陳 洋

(1.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041; 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué)，四川 成都 625041;3.遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽 110006)

0 引 言

光釋光（OSL）是一種測(cè)年方法，自20世紀(jì)80年代提出以來，在地質(zhì)、環(huán)境、考古等研究中得到廣泛應(yīng)用[1]。OSL測(cè)年方法已成熟應(yīng)用，測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，測(cè)試范圍為幾百年至數(shù)十萬年，但在測(cè)試過程中，其前處理過程耗時(shí)耗力，樣品前處理的目的是去除雜質(zhì)，提取純凈的測(cè)試用礦物顆粒（石英、長(zhǎng)石）[2]。所有實(shí)驗(yàn)步驟均在暗室紅光（中心波長(zhǎng)約為655 nm±30 nm）條件下完成，整個(gè)制樣流程需要約40 d，因此測(cè)年樣品制備嚴(yán)重限制其時(shí)效性。

目前，土壤顆粒提取方法有吸管法、篩分法、離心法以及重液法[3-5]。應(yīng)用的分離原理有重力沉降、過濾分離以及離心分離，每種方法均存在一定的缺陷，重力沉降主要應(yīng)用為重力沉降量筒，雖然沉降量筒操作簡(jiǎn)單，但由于吸取量有限，分離中等待的時(shí)間長(zhǎng)，因此沉降吸管法的使用會(huì)消耗大量的人力、物力、財(cái)力。過濾分離則利用多孔介質(zhì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑顆粒的篩選，使用過濾分離技術(shù)，會(huì)隨著分離粒徑的減小，導(dǎo)致過濾阻力逐漸增大，過濾過程中易發(fā)生介質(zhì)的堵塞，需要反復(fù)進(jìn)行沖洗，過濾分離技術(shù)很難分離250 μm以下的顆粒[6]。旋流器是利用離心沉降原理將非均勻相混合物中不同密度或粒徑的組分機(jī)械分離的元件，主要作用可分為分離、澄清、濃縮、顆粒分級(jí)，顆粒分選等，旋流分離技術(shù)分為固-液分離、固-固分離、氣-液分離、液-液分離、氣-固分離等，其中用于分離氣-固兩相的旋流器稱為旋風(fēng)分離器，用于分離固-液、液-液兩相流體的旋流器稱為水力旋流器，水力旋流器可以分離4～500 μm的不同粒徑的顆粒[7-8]，因其具有體積小、效率高、分離效率高等特點(diǎn)在化工、環(huán)保、礦物加工等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。

標(biāo)準(zhǔn)旋流分離器的最小直徑d=25 mm，旋流器直徑越大，處理能力越強(qiáng)，分級(jí)效果越好[9]，但是用于實(shí)驗(yàn)室樣量有限，樣品提取需要小尺寸旋流器，為提高旋流器的分離性能，通過縮小旋流器的尺寸，采用3D打印技術(shù)，研制了直徑D=20 mm、10 mm以及帶篩網(wǎng)的新型旋流分離器，基于旋流分流原理，研發(fā)一套自動(dòng)樣品前處理制備裝置，實(shí)現(xiàn)樣品的初選、物理化學(xué)處理、自動(dòng)清洗以及后期分級(jí)篩選，通過本制樣方法，以期望縮短實(shí)驗(yàn)周期，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少試劑耗材用量，提高光釋光測(cè)年測(cè)年效率。

1 固-液水力旋流器設(shè)計(jì)

1.1 水-砂旋流器基本原理

水-砂旋流器是土壤顆粒分離提取的核心元件，利用離心沉降原理將非均勻相混合物中不同密度或粒徑的組分機(jī)械分離[10-11]。將水-砂混合物兩相流體通過動(dòng)力設(shè)備如機(jī)械泵、氣壓等外力作用輸出高速流體，使固-液混合物沿著入口切線方向進(jìn)入旋流器內(nèi)部，旋流器內(nèi)部的流體高速旋轉(zhuǎn)形成旋轉(zhuǎn)流，在離心力、流體曳力、向心浮力等多種力的共同作用下，細(xì)顆粒從外旋流轉(zhuǎn)進(jìn)內(nèi)旋流，從溢流口排出，而粗顆粒重組分則由沉沙口排出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同粒徑和比重顆粒的篩選，圖1為旋流分離器結(jié)構(gòu)示意圖及內(nèi)部流場(chǎng)分布，圖2為帶外旋篩網(wǎng)的改進(jìn)型旋流器結(jié)構(gòu)示意圖，圖3為帶內(nèi)旋篩網(wǎng)的旋流器。

圖1 旋流器結(jié)構(gòu)原理及內(nèi)部流場(chǎng)

圖2 帶外篩網(wǎng)的改進(jìn)旋流器

圖3 帶內(nèi)篩網(wǎng)的改進(jìn)旋流器

1.2 水力旋流器設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型及原理

水力旋流分離器性能的影響因數(shù)國(guó)內(nèi)外已做過大量的研究，主要包括五個(gè)方面[9-11]：旋流器圓柱段的大小，圓錐段形狀、錐角大小，進(jìn)料口的尺寸、形狀以及入料角度，底流口（排沙口）的大小，溢流口的大小及插入深度。根據(jù)布雷德利經(jīng)驗(yàn)公式[7]：

式中：d50——分離器效率為50%時(shí)的粒徑，μm；

D0——分離器直徑，cm；

μ——液體粘度，cP；

L——進(jìn)樣流量，L/min；

ρS——固體密度，g/cm3；

ρL——液體密度，g/cm3。

方程式（1）給出分離粒徑d50所需要的分離器直徑，它代表進(jìn)入旋流分離器內(nèi)固-液混合物性質(zhì)的函數(shù)，顆粒50%的概率出現(xiàn)在溢流液中，分離效率為50%，而其他顆粒的分離效率與d50的關(guān)系，根據(jù)貝內(nèi)特公式：

式中：η——分離其他顆粒粒徑為d時(shí)的效率，%；

d——所需分離顆粒的直徑，μm。

假設(shè)水力固液旋流分離器內(nèi)的水為黏性且不可壓縮流體，進(jìn)入旋流器內(nèi)部的混合物，僅僅考慮重力和旋流器壁的影響，不考慮表面張力等其他因數(shù)，由于篩網(wǎng)的加入，流體區(qū)域中多孔介質(zhì)對(duì)流體的產(chǎn)生阻力，多孔介質(zhì)模型中，通過在流體的動(dòng)量方程中增加源項(xiàng)的方式，源項(xiàng)計(jì)算方程式[12-14]：

式中：D——黏性阻力系數(shù)矩陣；

C——慣性阻力系數(shù)矩陣；

υ——流體速度，m/s。

帶篩網(wǎng)的旋流分離器設(shè)計(jì)中，由于多孔介質(zhì)黏性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)和孔隙率是3個(gè)重要參數(shù)[12,15]，孔隙率由所選擇的過濾介質(zhì)決定，黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)由顆粒平均直徑和孔隙率通過公式計(jì)算得到，黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)的計(jì)算公式可以采用半經(jīng)驗(yàn)的Ergun公式：

式中：DP——平均顆粒直徑，μm；

L——床層厚度，mm；

ε——孔隙率，%。

黏性阻力系數(shù)公式和慣性阻力損失系數(shù)公式：

帶過濾結(jié)構(gòu)的旋流分離器，根據(jù)Poiseuille方程和Dracy定律得到過濾速率方程：

式中：A——過濾面積，cm3；

μ——過濾液粘度，cP；

L——濾餅厚度；

KP——滲透系數(shù)；

ΔP——過濾壓差，Pa。

由式（7）可以看出過濾面積、滲透系數(shù)和過濾壓差是影響過濾速率的主要因素，旋流器內(nèi)過濾材料選用單層不銹鋼編織網(wǎng)，因?yàn)槠渚哂凶枇ο禂?shù)低、耐高壓、過濾精度高、耐腐蝕等特點(diǎn)，過濾介質(zhì)的形狀設(shè)計(jì)為圓柱體，該形狀的優(yōu)點(diǎn)是在保證盡可能大的過濾面積的前提下，不破壞旋流器內(nèi)的流場(chǎng)，由于圓柱體過濾介質(zhì)的存在，使得旋流器內(nèi)的空氣柱更加穩(wěn)定，旋流器流暢數(shù)字模擬已做過很多研究，包括流體介質(zhì)及顆粒的軸向速度、切向速度、經(jīng)向速度、空氣柱、固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡等[16-19]，圖4旋流器流場(chǎng)網(wǎng)格，圖5旋流器流程密度云。

圖4 旋流器流場(chǎng)網(wǎng)格

圖5 旋流器流場(chǎng)密度分布

1.3 水力旋流分離器結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)Fluent流體力學(xué)軟件模擬，假設(shè)液體介質(zhì)粘度μ=1 cp，進(jìn)樣速度0.5～3.0 L/min，液體ρl=1.0 g/cm3，固體ρs=2.5 g/cm3，結(jié)合改進(jìn)型水力旋流器固液分離特點(diǎn)，采用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)制作3種不同用途的旋流分離器，旋流分離器：1）用于粗選的帶外篩網(wǎng)的旋流器（圖6為粗選旋流器），圓筒外直徑Do=75 mm，內(nèi)直徑d1=60 mm，圓柱高度L0=80 mm，錐角24°，底流口直徑Du=7.5 mm，進(jìn)料口直徑Di=10 mm，溢流口直徑Dc=6 mm，測(cè)流口直徑Dk=6 mm，溢流管插入深度VFL=48 mm，篩網(wǎng)80目；2）用于粗選后水液分離的旋流器（圖7為濃縮器），圓筒外直徑Do=20 mm，圓柱高度L0=45 mm，錐角6°，底流口直徑Du=3 mm，進(jìn)料口直徑Di=6 mm，溢流口直徑Dc=4 mm，溢流管插入深度VFL=24 mm；3）用于精選的帶內(nèi)篩網(wǎng)的旋流器（圖8為精選旋流器），圓筒外直徑Do=75 mm，內(nèi)直徑d1=36 mm，圓柱高度L0=85 mm，錐角35°，底流口直徑Du=7.5 mm，進(jìn)料口直徑Di=10 mm，溢流口直徑Dc=10 mm，溢流管插入深度VFL=32 mm，篩網(wǎng)400目。

圖6 粗選器結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

圖7 濃縮器結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

圖8 精選器結(jié)構(gòu)參數(shù)（單位：mm）

2 光釋光制樣裝置設(shè)計(jì)

2.1 初選濃縮模塊

本模塊包括超聲波分散裝置、孔徑為500 μm的不銹鋼篩筒、初選器、初選器循環(huán)泵、濃縮器、連接各裝置的循環(huán)泵管。待處理樣品放入帶孔(孔徑=500 μm)圓筒中，將圓筒放入超聲池中，在超聲波的作用下，粘結(jié)樣品顆粒被分散[20]，小于孔徑的顆粒進(jìn)入超聲池，離心泵將水-砂混合物送入帶外篩網(wǎng)的旋流器（粗選器）中，小于200 μm的土壤顆粒穿過篩網(wǎng)從側(cè)流口排出，隨后進(jìn)入濃縮器，濃縮器將固體-液分離，固體顆粒由底流口進(jìn)入反應(yīng)池，黏土細(xì)顆粒物在粗選器和濃縮器溢流口排出，粗選濃縮模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤中顆粒的初步篩選。圖9為反應(yīng)濃縮模塊分離原理。

圖9 粗選濃縮器模塊分離原理

2.2 樣品處理模塊

本模塊包括樣品處理池、加熱溫控裝置、進(jìn)排液裝置、攪拌裝置、盛溶液容器以及各種循環(huán)泵管。上述初選濃縮后的水土混合液進(jìn)入樣品處理池，自動(dòng)控制器控制蠕動(dòng)泵，將加有催化劑的濃度為20%的鹽酸和30%的雙氧水不斷泵入反應(yīng)池中，加入適量的反應(yīng)試劑，加熱并恒溫在60 ℃左右，攪拌器不斷攪拌，待反應(yīng)完全后澄清，排除廢液，加蒸餾水清洗樣品，反復(fù)清洗3次。

2.3 精選模塊

本模塊包括2個(gè)旋流分離器、流量傳感器、旋流循環(huán)泵、盛樣皿以及連接各循環(huán)的甭管。將上述清洗干凈的水土混合物經(jīng)旋流循環(huán)泵的作用下進(jìn)入旋流分離器，通過控制旋流泵控制流量，流量傳感器反饋調(diào)節(jié)循環(huán)泵，通過控制進(jìn)入旋流分離器的流速，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定粒徑的篩選。

2.4 自動(dòng)控制模塊

本模塊包括變速電機(jī)、溫度傳感器、壓力傳感器、計(jì)時(shí)器及集成控制模塊。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，集成控制模塊根據(jù)設(shè)定程序，控制變速電機(jī)的轉(zhuǎn)停，以實(shí)現(xiàn)樣品在整個(gè)系統(tǒng)間運(yùn)動(dòng)，并結(jié)合壓力傳感器的信息反饋，達(dá)到精確控制旋流分離器的流速，從而完成對(duì)顆粒物不同粒徑的篩選。溫度傳感器可控制反應(yīng)池的溫度，將溫度控制在60 ℃左右。計(jì)時(shí)器控制每個(gè)進(jìn)程的開始和關(guān)閉時(shí)間，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過程中，提前設(shè)置好時(shí)間，以達(dá)到精確控制。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 供試土壤的基本情況

本試驗(yàn)共選取5種理化性質(zhì)各異，具有代表意義的沉積地層土壤，分別為S1黑土、S2黃潮土、S3紅壤、S4灰潮土、S5黃綿土，它們基本上能夠反映我國(guó)不同氣候區(qū)典型的土壤特點(diǎn)，采集地點(diǎn)分別遼寧沈陽、河南鄭州、湖南株洲、浙江紹興、陜西咸陽，表1為供試土壤的基本情況。

表1 供試土壤的基本情況

3.2 提取顆粒粒徑分布

通過制樣裝置提取土壤中38～63 μm的石英、長(zhǎng)石顆粒，稱取0.5 g，用激光粒度儀檢驗(yàn)顆粒粒徑分布范圍，測(cè)試結(jié)果表明，分離提取的顆粒集中分布在35～65 μm范圍內(nèi)（圖10所示為石英、長(zhǎng)石顆粒粒徑分布情況），提取得到的顆粒80%以上分布在該范圍內(nèi)，分離效率分別為77.8%、90.4%、77.2%、80.3%、80.9%，粒徑均值為 40～50 μm，其中 S2～S4呈單峰分布，S1呈雙峰分布，分析可能由于S1樣品有機(jī)質(zhì)含量較高導(dǎo)致。

圖10 石英、長(zhǎng)石顆粒粒徑分布情況

3.3 對(duì)比驗(yàn)證

將上述5個(gè)土壤樣品分別采用傳統(tǒng)制樣方法和制樣裝置方法制備光釋光測(cè)年樣品，制備后的樣品用德國(guó)research光釋光測(cè)年儀測(cè)定等效劑量，每種試樣重復(fù)測(cè)量20次，驗(yàn)證結(jié)果如表2所示。1）S1～S5試樣，裝置制樣法所制樣品經(jīng)重復(fù)性驗(yàn)證，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2.17%～3.27%，平均值為2.59%；2) 傳統(tǒng)制樣方法重復(fù)性驗(yàn)證，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差為2.91%～6.38%，平均值3.98%；3）傳統(tǒng)制樣方法和制樣裝置法制備的樣品橫向比較，相對(duì)偏差＜2%。

表2 不同制樣方法測(cè)試結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語

本試驗(yàn)方法以水力旋流原理為基礎(chǔ)，分析水力旋流器的分離性能，結(jié)合旋流分離與篩分分離的優(yōu)缺點(diǎn)，選取合適的旋流器參數(shù)，打印制作3種旋流分離器，實(shí)現(xiàn)對(duì)38～63 μm顆粒的快速篩選。從硬件和軟件兩方面入手，設(shè)計(jì)一臺(tái)光釋光樣品制樣裝置，裝置各模塊協(xié)同工作，完成樣品的自動(dòng)篩選。通過該裝置提取土壤中的長(zhǎng)石、石英顆粒，驗(yàn)證表明，提取的顆粒集中度高，滿足光釋光樣品制備的要求。驗(yàn)證測(cè)試表明，兩種制樣方法相對(duì)偏差小，均能滿足光釋光樣品制備的要求，但制樣裝置重復(fù)測(cè)試相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差較小，因其降低了制樣過程的人為干擾，制備的樣品更均一。通過本實(shí)驗(yàn)方法，可以提高光釋光樣品的制備效率，減小勞動(dòng)強(qiáng)度，減少試劑的使用量，實(shí)現(xiàn)了快速測(cè)定釋光年齡的目的。