CN104597219A - 一种水岩化学动力学反应双系统试验装置 - Google Patents

一种水岩化学动力学反应双系统试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水岩化学动力学反应双系统试验装置，属于水岩化学动力学试验技术领域。它能有效地解决模拟岩体试样与各种可调节反应条件下水溶液的水岩化学作用问题。该装置分为三个部分：高压气瓶通过高压管路与设有密闭螺栓的反应装置相连，所述高压管路中设有电子压力计和压力表；溶液存储器通过设有阀门和流量速率监测计的管道与反应装置相连；反应装置的底部设有网状架台，网状架台下方设有带磁力搅拌转子的搅拌电机；反应装置的上肩部设有蝶形螺栓和五个插孔，分别设有酸度计、水样采集器、溶解氧计、电导率计和电位计，出水管路设有阀门和流量速率监测计。主要用于水岩化学动力学反应试验。

Description

一种水岩化学动力学反应双系统试验装置
技术领域
本发明属于水岩化学动力学技术领域，特别涉及水岩化学动力学的模拟试验技术。
背景技术
水岩化学作用是影响地表岩石风化过程非常重要的因素，因其反应机理非常复杂、可显著改变岩体工程性质，早已引起全球学者们高度重视。传统的水岩作用模拟主要从化学热力学角度出发，研究各种水-岩相互作用体系中水和矿物之间及其本身在不同的环境条件下所发生的各种地球化学反应。在自然条件下，大量的地质事实反映水岩化学作用常常具有不平衡性，这与不同外界条件影响下(如温度、压力等)水岩作用的动力学反应速率以及溶液性质和矿物颗粒自身性质相关。同时水岩化学反应的类型可分为很多种，如氧化、溶解、聚合等，不同的反应类型对于矿物的影响机制各不相同，如酸性条件下碳酸盐可通过分解反应迅速溶解，造成岩体力学结构弱化、渗透性能加强，同样在酸性条件下溶液与岩石作用也可能通过聚合反应，在岩体裂隙位置生成一些胶结物，反而造成岩体的力学强度提高，渗透性能降低。
中国专利201110440668.4号公开了一种CO2地质封存中水岩反应的批式实验装置。该装置具有可满足CO2-水-岩反应的温度、压力要求，使CO2-水-岩反应实验在恒定压力下有足量的水、岩、气样品相互反应。该实验装置主要包括以环封连接可拆卸的反应釜、CO2气瓶和排气阀，本发明结构合理，实用性强，具有操作简单和较为经济的特点。但该装置只能作为单一的批式系统反应装置，且反应过程中实时变化的溶液性质无法及时获取。设计一种可调节的模拟从有无氧至富氧气体环境、不同水溶液环境(如酸性H2SO4、碱性NaOH、弱氧化性H2O2等)和不同浸泡条件(浸泡高度可设定)多种环境条件的是本发明的任务。
发明内容
本发明的目的是提供一种水岩化学动力学反应双系统试验装置，它能有效地解决模拟岩体试样与各种可调节反应条件下水溶液的水岩化学作用问题。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种水岩化学动力学反应双系统试验装置，包括高压气瓶和反应溶液存储器,高压气瓶通过高压管路与设有密闭螺栓的反应装置相连，所述高压管路中设有电子压力计和压力表；溶液存储器通过设有阀门和流量速率监测计的管道与反应装置相连；反应装置的底部设有网状架台，网状架台下方设有带磁力搅拌转子的搅拌电机；反应装置的上肩部设有蝶形螺栓和五个插孔，分别设有酸度计、水样采集器、溶解氧计、电导率计和电位计，出水管路设有阀门和流量速率监测计。
所述搅拌电机设在反应装置的外部下方。
所述反应装置的上部侧壁外设有通气螺栓。
该装置的功能分为三大部分：外部条件模拟部分、水岩化学反应部分和水质测试装置。其中：
外部条件模拟部分包括高压气瓶和溶液存储器，高压气瓶与电子压力计相连和反应装置通过高压管路相连，溶液存储器与阀门、流量监测计和反应容器通过管道相连。
水岩化学反应装置部分包括一个带有若干插孔和设有阀门的进水口和出水口的反应装置，内部设有放置岩样的网状架台，网状架台下方设有磁力搅拌器。其中反应装置出水口和进水口的阀门均与流量监测计相连，上部插孔位置设有与水质测试相关的各测试仪器、气体进口管道和水样分析采集器相连，反应装置制作为抗高压且带有容积刻度的透明容器，磁力搅拌器磁子放置在反应装置容器底部，搅拌发生器放置在反应装置外部下方。
水质测试部分包括酸度计、水样采集器、溶解氧计、电导率计和电位计。工作时各个仪器监测感应端放置在反应溶液中。
本发明中：外部条件模拟部分中高压气瓶可设置为100％纯氧气(O2)瓶、100％纯氮气瓶(N2)或指定氧气浓度的氮/氧混合气压瓶。高压气瓶中的气体通过高压管道进入水岩化学反应装置，通过电子压力计和进气阀门可监测和调整反应装置内气体压力。反应溶液盛放容器根据溶液不同性质(如酸性H2SO4、碱性NaOH、弱氧化性H2O2)用不同材料制作，与反应装置相连的进水和出水阀门根据实验需要，可在间歇式与混合流式反应系统间转换。当两个阀门关闭时，为间歇式反应系统，当阀门打开，且控制进水与出水流量相等时，为混合流式反应系统。
水岩化学反应部分为岩样与溶液发生反应的主要部分，实验可通过设置溶液不同水位高度来研究岩样不同浸泡情况下(如全浸泡、半浸泡等)的水岩化学反应速率，使用磁力搅拌器可使得溶液成分分布均匀，放置岩样的架台为网状结构是为了使岩样各个表面能最大面积的与溶液发生化学反应。
水质测试部分主要是监测水岩化学反应过程中各个测试指标的变化趋势，在试验开始前先进行不放置岩样、反应溶液为去离子水、压入气体为纯氧气的空白对照组，测试分析各个监测仪器之间的相互影响程度。
本发明与现有技术相比的优点和效果是：具有模拟多种外界条件、两种试验系统下不同性质水溶液与岩样发生反应的水岩化学作用。通过对水岩化学反应后溶液的化学成分、pH值、电导率EC值、氧化还有电位Eh值和溶解氧DO值的变化监测，为研究各种岩石水岩化学作用动力学关系及岩石风化过程和机理提供重要试验依据。
附图说明
图1为本发明剖面示意图。
具体实施方式：
为进一步阐述本发明所采用的技术手段，下面结合附图对具体实施例说明如下：
一种水岩化学动力学反应双系统试验装置，包括高压气瓶16和反应溶液存储器13,高压气瓶16通过高压管路18与设有密闭螺栓8的反应装置9相连，所述高压管路18中设有电子压力计3和压力表15；溶液存储器13通过设有进水口阀门7和流量速率监测计14的管道与反应装置9相连；反应装置9的底部设有网状架台10，网状架台10下方设有带磁力搅拌转子11的搅拌电机12；反应装置9的上肩部设有蝶形螺栓20和五个插孔，插孔中分别设有酸度计1、水样采集器2、溶解氧计4、电导率计5和电位计6，出水管路设有阀门19和流量速率监测计14。
所述搅拌电机12设在反应装置9的外部下方。
所述反应装置9的上部侧壁外设有通气螺栓17。
该装置的功能分为三大部分：外部条件模拟部分、水岩化学反应部分和水质测试装置。其中：
外部条件模拟部分包括高压气瓶16和溶液存储器13，高压气瓶16通过高压管路18与设有密闭螺栓8的反应装置9相连，所述高压管路18中设有电子压力计3和压力表15。
水岩化学反应部分包括一个带有五个插孔和设有阀门7的进水口和阀门19的出水口的反应装置9，内部设有放置岩样的网状架台10，网状架台下方设有带磁力搅拌转子11的搅拌电机12。其中反应装置9出水口阀门19和进水口阀门7均与流量监测计14相连，上部插孔位置设有与水质测试相关的各测试仪器，反应装置9制作为抗高压且带有容积刻度的透明容器，磁力搅拌器转子11放置在网状架台10的底部，搅拌电机12放置在反应装置9外部下方。
水质测试部分包括酸度计1、水样采集器2、溶解氧计4、电导率计5和电位计6。工作时各个仪器监测感应端放置在反应溶液中。
本发明中：外部条件模拟部分中高压气瓶16可设置为100％纯氧气(O2)瓶、100％纯氮气瓶(N2)或指定氧气浓度的氮/氧混合气压瓶。高压气瓶16中的气体通过高压管道18进入水岩化学反应装置9，通过电子压力计3和进气阀门可监测和调整反应装置9内气体压力。溶液存储器13根据溶液不同性质(如酸性H2SO4、碱性NaOH、弱氧化性H2O2)用不同材料制作，与反应装置9相连的进水口阀门7和出水口阀门19根据实验需要，可在间歇式与混合流式反应系统间转换。当两个阀门关闭时，为间歇式反应系统，当两个阀门打开，且控制进水与出水流量相等时，为混合流式反应系统。
水岩化学反应部分为岩样与溶液发生反应的主要部分，实验可通过设置溶液不同水位高度来研究岩样不同浸泡情况下(如全浸泡、半浸泡等)的水岩化学反应速率，使用磁力搅拌器可使得溶液成分分布均匀，放置岩样的架台为网状结构是为了使岩样各个表面能最大面积的与溶液发生化学反应。
水质测试部分主要是监测水岩化学反应过程中各个测试指标的变化趋势，在试验开始前先进行不放置岩样、反应溶液为去离子水、压入气体为纯氧气的空白对照组，测试分析各个监测仪器之间的相互影响程度。
试验过程如下：
(1)关闭反应装置9的出水口阀门19，打开进水口阀门7让水箱内的溶液进入反应装置9内；
(2)待反应溶液达到实验设定高度，关闭进水阀门7，打开高压气瓶16和通气螺栓17，使实验气体将反应装置9内原有气体排出，通过DO计4测得通气后溶液中溶解氧含量值大致判断反应装置9内气体置换情况，然后关闭通气螺栓17和高压气瓶16；
(3)气体置换完成后关闭通气螺栓17和高压气瓶16，通过电子压力计维持实验过程反应装置9内气压保持为一个大气压；
(4)打开磁力搅拌电机12，对反应装置9内的溶液进行搅拌，使实验岩样与均质溶液反应；
(5)若采用间歇式反应系统，则保持进水口阀门7和出水口阀门19关闭，若采用混合流反应系统，则打开进水口阀门7和出水口阀门19，通过流量速率监控计14控制出水与进水保持一致；
(6)设定各监测仪器以二小时时间间隔对反应装置9内的溶液进行酸度、溶解氧度、导电率和电位进行测量并记录，每隔一天手动取反应装置内溶液进行水质分析。

Claims (3)

1.一种水岩化学动力学反应双系统试验装置，包括高压气瓶(16)和反应溶液存储器(13),其特征在于：高压气瓶(16)通过高压管路(18)与设有密闭螺栓(8)的反应装置(9)相连，所述高压管路(18)中设有电子压力计(3)和压力表(15)；溶液存储器(13)通过设有阀门(7)和流量速率监测计(14)的管道与反应装置(9)相连；反应装置(9)的底部设有网状架台(10)，网状架台(10)下方设有带磁力搅拌转子(11)的搅拌电机(12)；反应装置(9)的上肩部设有蝶形螺栓(20)和五个插孔，分别设有酸度计(1)、水样采集器(2)、溶解氧计(4)、电导率计(5)和电位计(6)，出水管路设有阀门(19)和流量速率监测计(14)。
2.根据权利要求所述的一种水岩化学动力学反应双系统试验装置，其特征在于：所述搅拌电机(12)设在反应装置(9)的外部下方。
3.根据权利要求所述的一种水岩化学动力学反应双系统试验装置，其特征在于：所述反应装置(9)的上部侧壁外设有通气螺栓(17)。
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Inventor after: Wu Xiyong

Inventor after: Sun Chunwei

Inventor after: Wang Qingfeng

Inventor after: Wang Sen

Inventor before: Liao Cuan

GR01 Patent grant
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CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
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Granted publication date: 20171013

Termination date: 20201226