CN104949903A - 一种模拟co2在土壤中均匀扩散的试验装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置与方法，外界通入的CO₂，通过外界输气系统控制浓度，经进气管运输至埋于砂砾层的进气装置，再经砂砾层，多孔陶瓷板，半透膜，均匀稳定地扩散于土体中，从而模拟CO₂泄漏对农作物、土壤、地下水和生态等的影响。其工艺简单，成本低廉，气体均一化程度高，实用性强。

Description

一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置与方法

技术领域

本发明涉及一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置与方法。

背景技术

全球气候变暖已成为国际热点问题，CO₂因具有温室效应被认为是导致全球气候变暖的重要原因之一。CO₂捕集、利用与封存技术（CCUS)是一项具有大规模减排CO₂的新兴技术，近几年受到国内外的广泛关注。中国政府在“十二五” 规划中也进一步明确了能源战略和减排的基本思路，制定和实施了一系列节能减排方案，以应对日益严峻的能源和环境问题。

在CCUS很多研究中，CO₂泄漏及其对生态环境的影响是普遍关心的重要问题，目前大多采用田间实验结合数值模拟来分析其对农作物、土壤、地下水和生态的影响，但缺少有效的物理模拟手段。2012年，Manal Al-Traboulsi提出了田间试验中CO₂泄露导致气体浓度呈现出中间高，周围逐步降低的同心圆扩散分布规律，且CO₂泄露的不稳定性会导致同心圆带状区域的扩大或缩小，从而使得土壤性状不稳定，且同一浓度可采样区域少，可重复性差，代表性不明确。

发明内容

本发明的目的是模拟一种工艺简单，成本低廉，气体均一化程度高，实用性强的模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置与方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体、进气装置和输气系统，进气装置与输气系统连接；还包括由下至上设于箱体内的粗砂砾层、细砂砾层、多孔陶瓷板和半透膜，试验土壤放置在半透膜上；所述多孔陶瓷板与箱体固连，半透膜贴合固定在多孔陶瓷板顶面；所述进气装置的出气口设在粗砂砾层中，且位于箱体的中心。

所述进气装置由连接管与输气系统连接，连接管上设置气动转换接头。

所述箱体的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。

所述粗砂砾层和细砂砾层厚度相等；粗砂砾的细度模数为3.7~3.1，平均粒径为0.5mm以上，细砂砾的细度模数为2.2~1.6，平均粒径为0.35~0.25mm。

所述多孔陶瓷板的孔径为1mm，用玻璃胶与箱体固定。多孔陶瓷板抗压能力强，其中纵向抗压强度>35Mpa,横向抗压强度>12Mpa。

所述半透膜用玻璃胶固定于多孔陶瓷板上。它是一种只允许离子和小分子比如水、氧气、二氧化碳等自由通过，而生物大分子不能自由通过的膜结构。

所述进气装置设有环形套管，环形套管设于粗砂砾层，其顶面周向均布气孔，环形套管由连接管与外部输气系统连接。

所述环形套管的内侧面或外侧面均布气孔。

所述环形套管通过支架与箱体连接。

所述环形套管的半径不小于箱体底面内径的四分之一且不大于箱体底面内径的三分之一。

所述环形套管为不锈钢管，其中管道外径为25mm,内径为20mm,所述气孔的直径0.5mm。

一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1）安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体主体，另截取一块与有机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体底板，并在底板上钻孔，进气装置的管体穿过钻孔与底板固定；将多孔陶瓷板用玻璃胶与箱体内壁固定，并用玻璃胶将半透膜贴覆在多孔陶瓷板的顶面；将箱体主体倒立，依次装入细砂砾和粗砂砾，使进气装置的出气口埋设于粗砂砾层中，将底板与箱体主体粘结固定；将箱体正立，用连接管将进气装置与输气系统连接起来；最后向箱体中装入试验土壤；

 步骤2）打开输气系统以及气动转换接头，向土壤内通入CO₂气体，气体通过进气装置的出气口排出；

步骤3）CO₂先经过粗砂砾层，再经过细砂砾层，扩散至多孔陶瓷板，由于砂砾层通水透气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩散，使CO₂气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板进一步地将CO₂气体均化。

步骤4）气流继续经过半透膜2，逸散于上方土壤中，半透膜的设置一方面有利于下方CO₂气流向上扩散，一方面防止土壤堵塞多孔陶瓷板的小孔；

步骤5）经过砂砾层、多孔陶瓷板以及半透膜的层层均匀化，使得CO₂气流均匀扩散于覆于半透膜之上的土体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。

在步骤1中，设置环形套管，并通过支架将环形套管固定在底板的中心，环形套管设于粗砂砾层中，通过连接管与输气系统连接。打开输气系统以及气动转换接头，向土壤内通入CO₂气体，气体通过环形套管的气孔排出，提前对气体进行均匀化处理，然后再经过砂砾层、多孔陶瓷板以及半透膜的层层均匀化，使CO₂气流扩散的更均匀，进一步提高了CO₂气体的均匀化效果。

本发明的有益效果是：1）可以有效地获得一个稳定、均匀分布，又受控制的CO₂流量，弥补先前研究的田间模拟实验中CO₂在土壤中扩散均呈现同心圆状况，而这个同心圆又受CO₂泄漏的不稳定导致同心圆带状区域的扩大或缩小反复影响土壤性状而造成实验结果误差；2）避免了先前研究中同心圆带状面积过小导致采样量太小，可重复性差，代表性不明确甚至后来无植物样品可采的情况发生；3）可通过建立一个模拟实验中CO₂释放浓度与土壤中CO₂浓度的经验方程，从而减少每一次采样都需要反复测定土壤中CO₂浓度的麻烦，大大节省了实验费用和时间，减少了实验误差。

附图说明

图1是一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置的结构示意图。

图2是带环形套管的模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置的结构示意图。

图3 是图2的俯视图。

图4是对照组CO₂含量等值线分布图。

图5是实验组CO₂含量等值线分布图。

具体实施方式

在附图中，一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体1、进气装置6和输气系统9，进气装置6与输气系统9连接；还包括由下至上设于箱体内的粗砂砾层5、细砂砾层4、多孔陶瓷板3和半透膜2，试验土壤12放置在半透膜2上；所述多孔陶瓷板5与箱体1固连，半透膜2贴合固定在多孔陶瓷板3顶面；所述进气装置6的出气口设在粗砂砾层5中，且位于箱体1的中心。

所述进气装置6由连接管7与输气系统9连接，连接管7上设置气动转换接头8。

所述箱体1的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。

所述粗砂砾层5和细砂砾层4厚度相等；粗砂砾的细度模数为3.7~3.1，平均粒径为0.5mm以上，细砂砾的细度模数为2.2~1.6，平均粒径为0.35~0.25mm。

所述多孔陶瓷板3的孔径为1mm，用玻璃胶与箱体1固定。多孔陶瓷板3抗压能力强，其中纵向抗压强度>35Mpa,横向抗压强度>12Mpa。

所述半透膜2用玻璃胶固定于多孔陶瓷板5上。它是一种只允许离子和小分子比如水、氧气、二氧化碳等自由通过，而生物大分子不能自由通过的膜结构。

所述进气装置6设有环形套管10，环形套管10设于粗砂砾层5中，其顶面周向均布气孔11，环形套管10由连接管7与外部输气系统9连接。

所述环形套管10的内侧面或外侧面均布气孔11。

所述环形套管10通过支架与箱体连接。

所述环形套管10的半径不小于箱体1底面内径的四分之一且不大于箱体1底面内径的三分之一。

所述环形套管10为不锈钢管，其中管道外径为25mm,内径为20mm,所述气孔11的直径0.5mm。

一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1）安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体1主体，另截取一块与有机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体1底板，并在底板上钻孔，进气装置6的管体穿过钻孔与底板固定；将多孔陶瓷板3用玻璃胶与箱体1内壁固定，并用玻璃胶将半透膜2贴覆在多孔陶瓷板3的顶面；将箱体1主体倒立，依次装入细砂砾和粗砂砾，使进气装置6的出气口埋设于粗砂砾层5中，将底板与箱体1主体粘结固定；将箱体1正立，用连接管7将进气装置6与输气系统9连接起来；最后向箱体1中装入试验土壤12；

步骤2）打开输气系统9以及气动转换接头8，向土壤12内通入CO₂气体，气体通过进气装置6的出气口排出；

步骤3）CO₂先经过粗砂砾层5，再经过细砂砾层4，扩散至多孔陶瓷板3，由于砂砾层通水透气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩散，使CO₂气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板3进一步地将CO₂气体均化；

步骤4）气流继续经过半透膜2，逸散于上方土壤12中，半透膜2的设置一方面有利于下方CO₂气流向上扩散，一方面防止土壤堵塞多孔陶瓷板3的小孔；

步骤5）经过砂砾层、多孔陶瓷板3以及半透膜2的层层均匀化，使得CO₂气流均匀扩散于覆于半透膜2之上的土体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。

在步骤1中，设置环形套管10，并通过支架将环形套管10固定在底板的中心，环形套管10设于粗砂砾层5中，通过连接管7与输气系统9连接。打开输气系统9以及气动转换接头8，向土壤12内通入CO₂气体，气体通过环形套管10的气孔11排出，提前对气体进行均匀化处理，然后再经过砂砾层、多孔陶瓷板3以及半透膜2的层层均匀化，使CO₂气流扩散的更均匀，进一步提高了CO₂气体的均匀化效果。

下面结合具体实施例，对本发明所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置进行实验验证。

（一）实验目的

通过室内试验，验证CO₂在土壤中均匀扩散装置的可行性。

（二）实验仪器及装置

土壤CO₂均匀扩散装置：本发明所述的实验组装置和传统的对照组装置各两个，气体输送装置，CO₂气体检测仪，气体采样器，卷尺等。

（三）实验步骤

步骤1）土壤CO₂均匀扩散装置的制作：

步骤1.1）将外径15cm、内径14cm的透明有机玻璃管切割成长为50cm的四段管道作为箱体1的主体部分，分别用于制作两个实验组、两个对照组装置；

步骤1.2）分别在距有机玻璃管一端5cm处，用电钻钻一个直径为1cm的通气管安装孔，并将此端作为装置的底端；

步骤1.3）分别将1cm粗的PVC通气管通过通气管安装孔与有机玻璃管连接，并使其出气口位于有机玻璃管的中心，以便CO₂从装置底部中心泄露；

步骤1.4）在两个实验组有机玻璃管距装置底端20cm处用玻璃胶粘结固定直径为14cm，孔径为1mm的多孔陶瓷板3，并在陶瓷板3上部安置一层半透膜2；

步骤1.5）将实验组两个玻璃管底部20cm高的空间内分别填充上10cm的粗砂砾（uf=3.1-3.7），10cm细砂砾（uf=1.6-2.2），保证有机玻璃管正放时，粗砂砾层5在下，细砂砾层4在上；对照组则不设置砂砾层，多孔陶瓷板3和半透膜2；

步骤1.6）用外径为20cm的有机玻璃板依次封闭四个玻璃管的底端；

步骤1.7）将统一来源、相同压实度的土壤12分别装入四个有机玻璃管中，在实验组的有机玻璃管中装入30cm高的土壤12，在对照组的有机玻璃管中装入50cm高的土壤12，使得实验组和对照组的土壤12顶面高度相同；

步骤2）土壤中CO₂本底值测定：用气体采样器和CO₂气体检测仪分别测定未通入气体的实验组土壤和对照组土壤深度10cm和20cm处的CO₂本底值，它们的CO₂浓度均在0.1%左右；

步骤3）土壤CO₂均一化程度测定：

步骤3.1）将实验组和对照组同时通入相同通量的CO₂，本次验证实验通入的CO₂速率v为10ml/min，根据CO₂注入通量F和注入速率F之间的换算公式F=v×ρ/s ，求出对应的注入通量F为1284.284 g/(m²×d），其中ρ为常压下CO₂密度，ρ约为 1.977 g/L；s 为有机玻璃管横截面面积；

步骤3.2）经过1.5 min后，气体在实验装置中分布稳定，此时CO₂通量为50ml/min，用气体采样器和CO₂气体检测仪分别测定实验组和对照组土壤深度20cm处的CO₂含量，具体测定方法为：

步骤3.21）分别将每个有机玻璃管周向划分为八个区域，每个区域内沿径向设置三个测定点，三个测定点分别离圆心3cm，5cm和7cm，加上圆心共计25个监测点；

步骤3.22）实验组和对照组的每个监测点分别进行三次重复监测，求出每点对应的CO₂浓度均值，以有机玻璃管的中心点为中心，建立坐标系，算出25个监测点的对应坐标，形成每个监测点坐标和CO₂浓度对应的数据表；

步骤3.3）运用surfer软件，算出CO₂浓度相应指标的最大值、最小值和均值等，并画出其对应的等值线图。

（四）实验结果及分析

验证实验于2015年3月28日-3月29日进行，在得出实验组与对照组CO₂浓度变化对比表（表1）及对应的等值线图（图4，图5）。

表1 实验组与对照组CO₂含量变化对比（单位：%）

经测定，经过1.5 min后，气体在实验装置中分布稳定，此时CO₂通量为50ml/min，实验组土壤（砂砾层+土壤）和对照组土壤的体积为3.141592×7cm×7cm×50cm=7696.9ml，可推算出CO₂在土壤中均匀分布的情况下，土壤中CO₂的含量为75/7696.9×100%=0.9744%

从表1可以看出，对照组CO₂浓度的变化随距CO₂泄漏中心距离的变化差异巨大，但实验组CO₂浓度的变化随距CO₂泄漏中心距离的变化差异不明显。对照组与实验组的浓度均值相近，也与估算出的CO₂含量相近。但实验组和对照组CO₂浓度最大值、最小值、衰变的速率有着巨大的差别。对照组在距离CO₂泄漏中心3cm处的衰减率达到了40.9%，而实验组在相同的距离处的衰减率却只有0.943%，两者相差将近40%；对照组在距离CO₂泄漏中心5cm处的衰减率达到了63.6%，而实验组在相同的距离处的衰减率却只有14.15%，对照组比实验组多了将近50%。

另外，对比图3和图4可以看出，对照组两条等值线之间的浓度差为0.1%，而实验组两条等值线之间的浓度差为0.01%，同样的距离，对照组含量变化是实验组的10倍。由此可见，本发明的装置对CO₂在土壤中均匀扩散具有良好的效果。

运用此装置以后，植被采样面积大大增加，例如，进行土壤中CO₂含量为1%的植被采样时，在对照组中，采集面积只有一个内径为2cm，外径为4cm的圆环，而在实验组中，却可以采集直径为5cm的圆形区域。因此满足了大田试验需要采集大量样品的要求，且解决了采样量太小，可重复性差，代表性不明确等问题。并且在对实验精度不是极其苛刻的情况下，此装置可以近似地看做土壤中所有CO₂浓度是均一的，从而模拟CO₂泄漏对农作物、土壤、地下水和生态等的影响。实际应用中，装置的大小可以随试验的需求进行一定的调整。

在以上实验中，没有给进气装置6增加环形套管10，仅是用了一个单一的点源输送，如果增加环形套管10将会对气体均匀输送有一定的前期处理，CO₂在土壤中的均匀化扩散效果将会更明显。

Claims (10)

1.一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体、进气装置和输气系统，进气装置与输气系统连接；其特征是，还包括由下至上设于箱体内的粗砂砾层、细砂砾层、多孔陶瓷板和半透膜，试验土壤放置在半透膜上；所述多孔陶瓷板与箱体固连，半透膜贴合固定在多孔陶瓷板顶面；所述进气装置的出气口设在粗砂砾层中，且位于箱体的中心。

2.根据权利要求1所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述进气装置由连接管与输气系统连接，连接管上设置气动转换接头。

3.根据权利要求1所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述箱体的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。

4.根据权利要求1所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述粗砂砾层和细砂砾层厚度相等；粗砂砾的细度模数为3.7~3.1，平均粒径为0.5mm以上，细砂砾的细度模数为2.2~1.6，平均粒径为0.35~0.25mm；所述多孔陶瓷板的孔径为1mm，用玻璃胶与箱体固定，其中纵向抗压强度>35Mpa,横向抗压强度>12Mpa；所述半透膜用玻璃胶固定于多孔陶瓷板上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述进气装置设有环形套管，环形套管设于粗砂砾层中，其顶面周向均布气孔，环形套管由连接管与外部输气系统连接。

6.根据权利要求5所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述环形套管的内侧面或外侧面均布气孔。

7.根据权利要求5所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述环形套管通过支架与箱体连接。

8.根据权利要求5所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述环形套管的半径不小于箱体底面内径的四分之一且不大于箱体底面内径的三分之一。

9.根据权利要求5所述的一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述环形套管为不锈钢管，其中管道外径为25mm,内径为20mm,所述气孔的直径0.5mm。

10.一种模拟CO₂在土壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1）安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体主体，另截取一块与有机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体底板，并在底板上钻孔，进气装置的管体穿过钻孔与底板固定；将多孔陶瓷板用玻璃胶与箱体内壁固定，并用玻璃胶将半透膜贴覆在多孔陶瓷板的顶面；将箱体主体倒立，依次装入细砂砾和粗砂砾，使进气装置的出气口埋设于粗砂砾层中，将底板与箱体主体粘结固定；将箱体正立，用连接管将进气装置与输气系统连接起来；最后向箱体中装入试验土壤；

步骤2）打开输气系统以及气动转换接头，向土壤内通入CO₂气体，气体通过进气装置的出气口排出；

步骤3）CO₂先经过粗砂砾层，再经过细砂砾层，扩散至多孔陶瓷板，由于砂砾层通水透气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩散，使CO₂气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板进一步地将CO₂气体均化；

步骤4）气流继续经过半透膜2，逸散于上方土壤中，半透膜的设置一方面有利于下方CO₂气流向上扩散，一方面防止土壤堵塞多孔陶瓷板的小孔；

步骤5）经过砂砾层、多孔陶瓷板以及半透膜的层层均匀化，使得CO₂气流均匀扩散于覆于半透膜之上的土体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。