CN105510553A - 一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置及方法，包括氮素迁移装置、定时供水装置和取样器；氮素迁移装置包括铁架台和若干根盛装土壤样品的透明管柱，透明管柱竖向装在铁架台上，透明管柱的顶端装有进水分配器，透明管柱的底部设有排水孔，排水孔处装有滤网，在每根透明管柱上均设有若干取样孔，取样孔沿透明管柱的轴线设置，透明管柱最上方取样孔对立面的管壁上设有排水阀。本发明通过设透明管柱的外径大、柱体长，取样孔间隔远，使研究离子型稀土矿山中氮素沿土壤进行长距离淋溶迁移特征的可靠性大为增加；设进水分配器，保证了出水的均匀分布；设滤网，阻断了实验过程中小粒径土壤堵塞底部出水孔的可能性。

Description

一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种土壤入渗规律的试验设备，特别涉及一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置及方法。

背景技术

南方地区的离子型稀土矿区多为地势高凸、地面坡度较大的丘陵地带，浸矿剂硫酸铵经矿山表面注入后，经过较长距离的迁移进入地下水层及周边土壤环境中，为更真实模拟这一迁移特点，实验室需用柱体较长、外直径较大、稳定性较好的土壤柱，经查阅相关文献及资料信息，发现鲜有这一领域的研究，更没有符合相关实验条件的装备。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种设计合理，使用方便，研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置。

本发明另一个要解决的技术问题是提供一种使用研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置的试验方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特点是，包括氮素迁移装置、定时供水装置和取样器；所述的氮素迁移装置包括铁架台和若干根盛装土壤样品的透明管柱，透明管柱竖向装在铁架台上，透明管柱的顶端装有进水分配器，透明管柱的底部设有排水孔，排水孔处装有滤网，在每根透明管柱上均设有若干取样孔，取样孔沿透明管柱的轴线设置，透明管柱最上方取样孔对立面的管壁上设有排水阀；所述的定时供水装置包括水泵和装有土壤淋溶液的水桶，水泵设有伸入水桶内的进水管和与氮素迁移装置上的进水分配器相接的出水管，水泵通过定时开关与外接电源相接。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述透明管柱的底端开口处设有法兰盘，所述透明管柱的下端开口处设有法兰盘，铁架台上设有与法兰盘配合相接的法兰板。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，法兰盘与法兰板之间设有防水垫圈。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述的取样器为取样勺，取样勺的前端设有弯头，弯头的横截面为三角形槽，取样勺的后端设有手柄。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述弯头的弯曲角度为30-60°。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述透明管柱最下方的取样孔与铁架台之间的距离为85-90mm，所述透明管柱的高度为100-2000mm，取样孔的孔径为20-30mm。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述的透明管柱设有四个，所述的排水阀设有两个，所述的取样孔设有7个，等间隔设置。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步实现，所述排水孔的下方设有排水收集槽。

本发明另一个要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验方法，其特点是，其步骤为，

（1）先将各种土壤样品分别填装入透明管柱内，填装高度达到最上方取样孔上方的45-60mm处；

（2）根据试验条件设置好水泵的转速和定时开关的工作时间，启动水泵，水桶中的土壤淋溶液依次经进水管、水泵、出水管，进入进水分配器，并在进水分配器的作用下，均匀洒至透明管柱内的土壤表层，随土壤迁移至透明管柱底部的滤网处，从排水孔排至排水收集槽中；

（3）每隔6天用取样器从每个透明管柱的各取样孔内取样、测量铵态氮含量，然后对测量数据进行汇总，分析NH4—N淋溶迁移规律。

本发明通过设透明管柱，外径大、柱体长，取样孔间隔远，使研究离子型稀土矿山中氮素沿土壤进行长距离淋溶迁移特征的可靠性大为增加；设进水分配器，保证了出水的均匀分布；设滤网，阻断了实验过程中小粒径土壤堵塞底部出水孔的可能性；设排水阀，根据淹水条件下表层土壤积水高度不超过3m设计，便于辅助排去表层土壤多余积水，保证实验的顺利进行。与现有技术相比，其设计合理，结构简单，操作方便，提高了试验的效果和效率。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是透明管柱的结构示意图；

图3是取样器的结构示意图；

图4是A柱各取样孔中土样的NH4—N含量。

具体实施方式

以下参照附图，进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。

实施例1，参照图1-3，一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，包括氮素迁移装置5、定时供水装置和取样器；

所述的氮素迁移装置5包括铁架台6和若干根盛装土壤样品的透明管柱8，透明管柱8竖向装在铁架台6上，透明管柱8的顶端装有进水分配器10，透明管柱8的底部设有排水孔，排水孔处装有滤网，在每根透明管柱8上均设有若干取样孔11，取样孔11沿透明管柱8的轴线设置，透明管柱8最上方取样孔11对立面的管壁上设有排水阀9，排水阀9设有两个；

所述的定时供水装置包括水泵3和装有土壤淋溶液的水桶1，水泵3设有伸入水桶内的进水管2和与氮素迁移装置5上的进水分配器10相接的出水管4，水泵3通过定时开关与外接电源相接，所述的水泵采用蠕动泵，所述的透明管柱为无色透明的亚克力管材。

实施例2，实施例1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述透明管柱8的下端开口处设有法兰盘7，铁架台上设有与法兰盘8配合相接的法兰板。

实施例3，实施例2所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：法兰盘7与法兰板之间设有防水垫圈。

实施例4，实施例1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述的取样器为取样勺13，取样勺13的前端设有弯头12，弯头12的横截面为三角形槽，取样勺13的后端设有手柄14，使其断面更小更锋利，即使是颗粒较大的砂石土，也能轻易捣入至柱体另一端，通过旋转取样勺能增加取样孔周围的取样面积。

实施例5，实施例4所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述弯头12的弯曲角度为30°，所述透明管柱8最下方的取样孔11与铁架台6之间的距离为85mm，所述透明管柱8的高度为100mm，取样孔11的孔径为20mm。

实施例6，实施例1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述弯头12的弯曲角度为60°，所述透明管柱8最下方的取样孔11与铁架台6之间的距离为90mm，所述透明管柱8的高度为2000mm，取样孔11的孔径为30mm。

实施例7，实施例1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述弯头12的弯曲角度为45°，所述透明管柱8最下方的取样孔11与铁架台6之间的距离为88mm，所述透明管柱8的高度为1000mm，取样孔11的孔径为25mm。

实施例8，实施例1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述弯头12的弯曲角度为50°，所述透明管柱8最下方的取样孔11与铁架台6之间的距离为89mm，所述透明管柱8的高度为1500mm，取样孔11的孔径为28mm。

实施例9，实施例1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述的透明管柱8设有四个，所述的排水阀9设有两个，所述的取样孔11设有7个，等间隔设置，间隔距离为200-300mm，优选250mm。

本装置的装填土壤高度可在88mm≤h≤1635mm中任意选择；利用多孔排插将四个蠕动泵插在定时器上，并通过设置定时器运行参数来控制四台蠕动泵的停运模式及工作时长，使整个系统自动化，操作简单易行，模拟变量精度大大提高；钢铁结构的铁架台，不仅造价低廉，其耐压性能也明显优于铝合金材质，保证了整个装置系统的安全型，其300mm的层高，470mm的宽度设计使整个实验装置占地面积和占空间面积更小；

铁架台上的铁皮板是通过安装在其四个角上的螺丝固定的，方便拆卸，这样的设计是考虑到铁架台和柱体结构的加工是由不同厂家来定做的，可使因加工差异造成铁质板开孔口径与柱体实际外径不一致时，可通过调整铁板直径来解决这一工程隐患，从而减少了可能实际工作量。

实施例10，实施例1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置：所述排水孔的下方设有排水收集槽。

实施例11，一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验方法，其步骤为，

（1）先将风干研碎的稀土原矿土壤填装入其中一个透明管柱内，填装高度达到最上方取样孔上方的50mm处，以此类推，再将一般土壤、浸矿稀土土壤、尾矿土壤分填在其余的透明管柱内；

（2）根据试验条件设置好水泵的转速和定时开关的工作时间，启动水泵，水桶中的土壤淋溶液依次经进水管、水泵、出水管，进入进水分配器，并在进水分配器的作用下，均匀洒至透明管柱内的土壤表层，随土壤迁移至透明管柱底部的滤网处，从排水孔排至排水收集槽中；

（3）每隔6天用取样器从每个透明管柱的各取样孔内取样、测量铵态氮含量，取样深度为0cm、25cm、50cm、75cm、100cm、125cm、150cm，取样深度为0cm是指最下方取样孔的位置，然后对测量数据进行汇总，分析NH4—N淋溶迁移规律。

实施例12，参照图4，利用本试验装置对赣南离子型稀土矿土壤中氨氮迁移转化规律进行具体研究，具体实施方案如下：

（1）将A、B、C、D四根透明管柱分别搁置在铁架台上，每根透明管柱的底端对准铁架台上的每个排水孔，平稳放置后将防水垫圈放于透明管柱法兰板与铁架台之间，注意两者的安装孔对齐，并用用螺钉逐个拧紧，使四根透明管柱稳固在铁架台上；

（2）将风干并研碎的稀土原矿土壤由A柱体上端缓缓加入直至其高度到达第一个全样孔上方45mm处；以此类推，B柱、C柱、D柱中分别加入一般土壤、正在浸矿稀土土壤、尾矿土壤；

（3）将进水分配器、排水阀分别缠绕一层防水丝带，并通过旋转拧紧在柱体上，再将蠕动泵出水管胶结在透明管柱上的进水分配器上；

（4）将定时开关插在电源上，再将多孔排插与定时开关连接，并将四个蠕动泵分别插在多孔排插上，根据实验方案设置好蠕动泵转速、定时开关起止时间，运行模式等参数，打开水泵运行开关，水桶中已配好的土壤淋溶液在蠕动泵的动力下，匀速流进进水分配器，并分配至表层土壤；

（5）每隔6天从每根透明管柱的各取样孔取样测量，每根透明管柱上设7个取样孔，取样深度：0cm、25cm、50cm、75cm、100cm、125cm、150cm，取样深度为0cm是指最下方取样孔的位置；

（6）现对A柱各取样孔土样测量的数据进行汇总，并分析NH4—N淋溶迁移规律，土壤类别为龙南县某离子型稀土原矿土壤，土壤淋溶液为模拟酸雨，用硫酸、硝酸按一定比例配制，pH值控制在5.5~5.6之间，得出的在A柱中NH4—N含量；以此类推，可得出B、C、D柱各取样孔中土样的NH4—N含量。

由测定结果可知，各土层NH4—N含量随淋滤时间的推移变化明显，待实验进行到第30天时，各土层的氨氮含量均有较大幅度的减少，后随着淋滤时间的推移，其含量进一步减少，实验结束时各土层总体含量低于初始水平，除表层和中间层土壤中氨氮含量低于550mg/kg外，其它土层含量均维持在750mg/kg左右，上层土壤仍有向下层土壤迁移的趋势，下层土壤氨氮略有积累。其中表层土壤中氨氮含量随淋洗液的增加逐渐减小，到实验中后期时，其含量基本稳定在450~500mg/kg水平。25cm和50cm土层处氨氮含量则是在实验前期有所增加，实验中后期时逐步减小至720mg/kg左右。75cm层高土壤中氨氮含量的变化趋势则是，淋洗前期逐渐减小，后期向下迁移速率逐渐增大，其含量快速减小至550mg/kg。下层土壤(含100cm、125cm、150cm)中的氨氮含量在实验进行的前、中期均是逐渐减小，后期有少量积累，并维持在750mg/kg左右。

由于土壤中的岩土颗粒和土壤胶体表面多带负电，因而对带正电荷的铵根离子有较强的吸附力，实验前期，表层土壤中氨氮含量较高，超出了土壤对氨氮吸附量的饱和值，在淋洗水流动力下，这些处于可交换态的铵盐会随淋滤液向下面的土壤层迁移，从而使表层土壤中氨氮含量逐渐减小至其吸附量饱和值，上层土壤中氨氮含量累积量增加。随着实验的继续进行，淋洗量和淋洗时间的增加，上层土壤中铵盐继续向下迁移，致使柱体上层土壤中氨氮量先增加后减少。下层土壤由于其初始含量值远高于表层土壤及稀土土壤对氨氮的吸附量，因而在连续的淋洗水流冲击下，不断向下迁移并随浸出液流出，故下层土壤中铵根离子含量呈逐渐减小趋势。此外，根据此图不难推测此稀土原矿土壤对铵态氮的最大吸附量在430~450mg/kg之间，若是本实验继续进行，土壤柱上方继续保持淋溶状态的话，最终各土层中铵态氮含量将趋于一致。无限接近于土壤的最大吸附值。

这一变化规律与本课题组前期对稀土矿山原矿土壤中氨氮分布规律的实地考察成果一致。且通过实施本发明，我们能更深层次了解离子型稀土矿山土壤中氮素迁移规律，这对于相关领域的技术人员进一步研究离子型稀土矿山氮素迁移转化机理及矿山浸矿带来的环境效应具有重要意义。

通过实验验证，本发明在离子型稀土矿山氮素迁移转化规律的研究方面取得了良好的效果，为室内研究离子型稀土矿土壤中氮素迁移转化规律提供了技术支持和方法，具有良好的可操作性、实用性等特点。

Claims (10)

1.一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：

包括氮素迁移装置、定时供水装置和取样器；

所述的氮素迁移装置包括铁架台和若干根盛装土壤样品的透明管柱，透明管柱竖向装在铁架台上，透明管柱的顶端装有进水分配器，透明管柱的底部设有排水孔，排水孔处装有滤网，在每根透明管柱上均设有若干取样孔，取样孔沿透明管柱的轴线设置，透明管柱最上方取样孔对立面的管壁上设有排水阀；

所述的定时供水装置包括水泵和装有土壤淋溶液的水桶，水泵设有伸入水桶内的进水管和与氮素迁移装置上的进水分配器相接的出水管，水泵通过定时开关与外接电源相接。

2.根据权利要求1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：所述透明管柱的下端开口处设有法兰盘，铁架台上设有与法兰盘配合相接的法兰板。

3.根据权利要求2所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：法兰盘与法兰板之间设有防水垫圈。

4.根据权利要求1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：所述的取样器为取样勺，取样勺的前端设有弯头，弯头的横截面为三角形槽，取样勺的后端设有手柄。

5.根据权利要求4所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：所述弯头的弯曲角度为30-60°。

6.根据权利要求1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：所述透明管柱最下方的取样孔与铁架台之间的距离为85-90mm。

7.根据权利要求1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：所述透明管柱的高度为100-2000mm，取样孔的孔径为20-30mm。

8.根据权利要求1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：所述排水孔的下方设有排水收集槽。

9.根据权利要求1所述的研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验装置，其特征在于：所述的透明管柱设有四个，所述的排水阀设有两个，所述的取样孔设有7个，等间隔设置。

10.一种研究离子型稀土矿中氮素迁移转化规律的试验方法，其特征在于：其步骤为，

（1）先将各种土壤样品分别填装入透明管柱内，填装高度达到最上方取样孔上方的45-60mm处；

（2）根据试验条件设置好水泵的转速和定时开关的工作时间，启动水泵，水桶中的土壤淋溶液依次经进水管、水泵、出水管，进入进水分配器，并在进水分配器的作用下，均匀洒至透明管柱内的土壤表层，随土壤迁移至透明管柱底部的滤网处，从排水孔排至排水收集槽中；

（3）每隔6天用取样器从每个透明管柱的各取样孔内取样、测量铵态氮含量，然后对测量数据进行汇总，分析NH4—N淋溶迁移规律。