CN106198887A - 一种片状吸油材料环境适应性能分析检测方法及实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种片状吸油材料环境适应性能分析检测的方法和实验装置，包括水槽和其内外设置的电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统和数据采集系统，所述电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统均与数据采集系统相连。本发明通过模拟现实波浪、水流、PH值、温度、电导率EC等环境因素变化，检测片状吸油材料性能环境适应性能，实时记录环境条件变化对片状吸油材料吸油性能的影响。

Description

一种片状吸油材料环境适应性能分析检测方法及实验装置

技术领域

本发明属于石油运输溢油处理技术领域，尤其是涉及一种片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置。

背景技术

世界经济快速发展使得石油及其应用领域飞速发展,海洋石油运输迅速增长,增加了海上石油污染的风险,海洋正承担着巨大的环境污染损害。世界各国对这一问题非常重视,国际上己制定了许多相关公约和法规,但是目前还没有一种有效的方法完全阻止其发生。这些溢油形成油膜覆盖在水面上，不但浪费了珍贵的石油资源，还会阻隔水气交换的过程，影响到生物链循环，破坏水体的生态平衡，对水体生物造成严重的危害。若不及时处理，会对我们的生态环境以及人类健康带来重大的危害。

目前处理溢油多用吸附法。采用的吸附剂主要有化学合成、天然无机、天然有机三大类。吸油材料作为处理溢油的一种有效方法，对吸油材料研究是必要而有意义的，而对吸油材料吸油性能的测试更是关键部分。

在片状吸油材料性能测定实验过程中，对片状吸油材料吸收油/水等液体的使用环境的模拟以及吸收液体质量的检定是一个相当关键的环节，对于定量分析片状吸油材料吸油性能具有重要意义。

现有技术中，在进行实验过程中发现存在不能真实模拟现实波流条件和其他环境因素，以及无法观察片状吸油材料吸收液体后质量的连续变化的缺陷。目前并没有具体进行准确测量的实验装置，并且实现装置的自动化也是当前亟待解决。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种片状吸油材料环境适应性能分析检测方法，能在模拟不同环境因素下，检测片状吸油材料吸收液体后质量的连续变化。

一种片状吸油材料环境适应性能分析检测方法，包含如下内容：

1)向水槽中加入模拟海水，再在模拟海水上加入不同种类的原油；

2)启动计算机，通过其上安装的LabVIEW软件控制造波系统、造流系统启动进行造流、造波；其中造波系统通过推板式造波机在水槽中模拟波浪，通过造波控制系统控制推板式造波机的波高范围；通过造流系统在水槽中模拟水流，并通过造流控制系统控制水流范围；

3)开启温度控制系统、电导率EC检测系统、PH值检测系统，根据计算机内提前预设的温度、电导率、PH值的范围和每次递增梯度，对温度、电导率、或PH值进行调节；

其中温度控制系统通过安装在水槽内的温度传感器采集水槽内液体的温度值，并传递给计算机进行处理和存储，计算机根据采集的温度值信息通过控制空气源热泵控制器从而控制空气源热泵进行制冷制热；

电导率EC检测系统通过安装在水槽内的电导率传感器采集水槽内液体的电导率，并传递给计算机进行处理和存储；如果采集的电导率不在模拟范围内，则通过添加精盐调控电导率；

PH值检测系统通过安装在水槽内的PH传感器采集水槽内液体的PH值，并传递给计算机进行处理和存储，如果采集的PH值不在模拟范围内，则通过添加缓冲剂调控PH值；

4)将片状吸油材料放置在固定盘上，悬挂在电子天平下端，电子天平相对于水槽的高度可调，通过电子天平称量，在计算机上记录此时固定盘及片状吸油材料的质量；

5)使固定盘下移至水槽内，使其相对自由漂浮在原油层之上15min±20s后，向上提升固定盘，脱离液体悬滴30s±3s后，通过电子天平称量，在计算机上记录此时固定盘及片状吸油材料的质量；

6)根据步骤3)中设置的温度梯度、pH值梯度和电导率梯度，变换温度、pH值或电导率，重复步骤5)，得到多次计算机上记录固定盘及片状吸油材料的质量的数据；

7)将实验数据进行对比，通过对比可得知：波浪、水流、温度、pH值、电导率等环境因子的变化对吸油材料吸油性能的影响。

相对于现有技术，本发明方法具有以下优势：

可真实模拟现实波流条件，以及温度、PH值、导电率EC等环境因素，检测片状吸油材料性能环境适应性能，可观察片状吸油材料吸收液体后质量的连续变化。

本发明另一目的是提出一种片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，能真实模拟现实波流条件，以及温度、PH值、导电率EC等环境因素，可观察片状吸油材料吸收液体后质量的连续变化。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，包括水槽和其内外设置的电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统和数据采集系统，所述电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统均与数据采集系统相连。

进一步的，所述电子天平称量系统，主要由电子天平、固定盘和步进电机控制系统组成；

所述步进电机控制系统，主要由步进电机、水平支架、步进电机导轨和步进电机控制器组成，所述水平支架的一端固定在步进电机上并与步进电机共同在步进电机导轨上进行上下移动；所述步进电机与步进电机控制器连接，步进电机控制器与数据采集系统相连；

所述电子天平固定在水平支架上，其下端通过挂钩连接固定盘，电子天平与数据采集系统相连。

进一步的，所述造波系统采用推板式造波机，包括推波板、滚珠丝杠、伺服电机和驱动控制器，所述伺服电机的输出端连接滚珠丝杠的一端，所述滚珠丝杠上安装有含有循环滚珠的螺母，滚珠丝杠下方设有与其平行设置的导轨，所述导轨上滑动设置滑块；所述滑块上的推臂与螺母的螺母副连接在一起；所述推波板通过连接架与滑块连接，所述推波板竖直设置在水槽内，所述伺服电机与驱动器控制器连接，驱动控制器与造波控制系统连接。

进一步的，所述造流系统主要由水泵、水泵控制器、水循环管道组成，所述水循环管道设置在水槽外面，其两端分别连通水槽上设置的入水口和出水口；所述水泵安装在水循环管道上，所述水泵与水泵控制器连接。

进一步的，还包括温度控制系统，温度控制系统包括空气源热泵、空气源热泵控制器和温度传感器，所述空气源热泵安装在造流系统的水循环管道上，空气源热泵与空气源热泵控制器连接；所述温度传感器设置在水槽内，且与数据采集系统连接。

进一步的，还包括PH检测系统，所述PH检测系统主要包括PH传感器，PH传感器安装在水槽内，且与数据采集系统连接。

进一步的，还包括电导率EC检测系统，所述电导率EC检测系统主要包括电导率传感器，所述电导率传感器安装在水槽内，且与数据采集系统连接。

本发明实验装置与上述方法的优点相同，不再赘述。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述装置的结构示意图。

附图标记说明：

1.步进电机 2.水平支架 3.电子天平 4.步进电机导轨 5.消波板6.水槽 7.固定盘 8.温度传感器 9.电导率传感器 10.pH传感器 11.推波板 12.滚珠丝杠 13.伺服电机14.驱动控制器 15.水流管道 16.空气源热泵 17.空气源热泵控制器 18.水泵 19.水泵控制器 20.入水口 21.步进电机控制器22.出水口 23.导流板 24.计算机 25.计算机控制接口总成 26.步进电机控制器接口 27.电子天平接口 28.伺服电机控制接口 29.水泵控制接口 30.空气源热泵控制器接口 31.计算机控制接口Ⅰ 32.计算机控制接口Ⅱ 33.计算机控制接口Ⅲ 34.计算机控制接口Ⅳ 35.计算机控制接口Ⅴ 36.计算机控制接口Ⅵ 37.计算机控制接口Ⅶ 38.计算机控制接口Ⅷ。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，如图1所示，包括水槽6和其内外设置的电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统和数据采集系统，所述电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统均与数据采集系统相连。

所述数据采集系统，包括连接在一起的计算机24和计算机控制接口总成25，所述计算机上安装有LabVIEW控制软件；所述的计算机控制接口总成25设有八个计算机控制接口，分别为计算机控制接口Ⅰ31、计算机控制接口Ⅱ32、计算机控制接口Ⅲ33、计算机控制接口Ⅳ34、计算机控制接口Ⅴ35、计算机控制接口Ⅵ36、计算机控制接口Ⅶ37、计算机控制接口Ⅷ38。

所述电子天平称量系统，主要由电子天平3、固定盘7和步进电机控制系统组成，所述步进电机控制系统，主要由步进电机1、水平支架2、步进电机导轨4和步进电机控制器21组成，所述水平支架2为中空支架，水平支架2的一端固定在步进电机1上并与步进电机1共同在步进电机导轨4上进行上下移动，移动范围为0-80cm、移动步长0.1cm，从而用来调整吊装位置；所述步进电机1通过导线与步进电机控制器21连接，步进电机控制器接口27通过导线与计算机控制接口Ⅵ36连接，计算机24通过LabVIEW软件控制步进电机1上下移动；所述电子天平3固定在中空的水平支架2上，与水平支架2共同进行上下移动来调整称量位置，电子天平3精度为0.0001g,下端设有挂钩，固定盘7为不锈钢网制成，固定盘7悬挂在电子天平3的挂钩上，电子天平接口26通过导线与计算机控制接口Ⅴ35连接，并在计算机24上连续记录固定盘7的质量变化。

所述造波系统，用于在片状吸油材料在环境适应性能测定实验中模拟波浪，采用推板式造波机，包括推波板11、滚珠丝杠12、伺服电机13和驱动控制器14，所述伺服电机13固定安装在水槽6一侧的竖直固定板上，伺服电机13的输出端通过联轴器固定连接滚珠丝杠12的一端，滚珠丝杠12的两端固定在轴承座上，所述滚珠丝杠12上安装有含有循环滚珠的螺母，滚珠丝杠12下方设有与其平行设置的导轨，所述导轨上滑动设置滑块，可以做往复直线运动；所述滑块上的推臂与螺母的螺母副连接在一起；所述推波板11利用钢式框架固定，再通过连接架与滑块连接，所述推波板11竖直设置在水槽6内；螺母通过滑块固定连接推波板11；所述伺服电机13通过导线与驱动控制器14连接；所述驱动控制器14与造波控制系统连接，具体的，驱动控制器14的驱动控制器接口30通过导线与计算机24的计算机控制接口Ⅳ34连接；

工作时，螺母将循环滚珠的旋转运动转变为推波板11的往复直线运动，采用滚珠丝杠12主要是因为其传动效率高、定位精确度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。与造波机相对，安装在水槽6另一端的消波板5则是用来避免在水槽6尺寸有限的情况下反射波对测量段产生干扰。

所述造波系统通过控制推波板11的往复直线运动来产生期望的波形和波高，当伺服电机13带动滚珠丝杠12转动时，将旋转运动转化为螺母的往复直线运动，从而带动滑块和推波板11一同做往复直线运动，推动水体产生波浪。本实施例可以产生波高为0.02-0.05m，周期为0.7-2.2S的波浪。

所述造流系统，用于在片状吸油材料环境适应性能测定实验中模拟水流，主要由水泵18、水泵控制器19、水循环管道15组成，所述水循环管道15设置在水槽6外面，水循环管道15的两端分别连通水槽6上设置的入水口20和出水口22；所述水泵18安装在水循环管道15上，所述水泵18通过导线与水泵控制器19连接，水泵控制器19的接口通过导线与计算机24的计算机控制接口Ⅶ37连接，计算机24通过LabVIEW软件控制水泵18可以产生定流速的水流。

本实施例装置还包括温度控制系统，所述温度控制系统，包括空气源热泵16、空气源热泵控制器17和温度传感器8，所述空气源热泵16安装在造流系统的水循环管道15上，空气源热泵16通过导线与空气源热泵控制器17连接，空气源热泵控制器接口29通过导线与计算机控制接口Ⅷ38连接；所述温度传感器8设置在水槽6内的液体中，且通过导线与计算机控制接口Ⅰ31连接；本系统利用空气源热泵16对液体温度进行控制，温度传感器8实时监测液体温度变化，水循环管道15保证液体的循环流通性，计算机24根据温度传感器8反馈的温度信息，通过LabVIEW软件控制空气源热泵16制冷或制热。

之所以选择空气源热泵16，因为在模拟海水温度的过程中，实验室室温一般为25℃，而海水温度一般为-5～40℃，故需要一种装置实现对温度可以同时制冷制热的功能。空气源热泵16是由电动机驱动的，利用蒸汽压缩制冷循环工作原理，以环境空气为冷(热)源制取冷(热)风或者冷(热)水的设备，主要零部件包括热侧换设备、热源侧换热设备及压缩机等。空气能(源)热泵利用空气中的热量作为低温热源，经过传统空调器中的冷凝器或蒸发器进行热交换，然后通过循环系统，提取或释放热能，利用机组循环系统将能量转移到需要的物体内，很好地解决了实验室在室温情况下对于制冷、制热的要求。

空气能(源)热泵制冷制热系统的接口通过导线与控制系统的接口相连，通过LabVIEW软件实现对空气能(源)热泵制冷制热系统的开关控制，其变化范围为7℃-40℃。

所述温度传感器8是把温度值通过敏感元件和相应电路转换成方便计算机数据采集系统直接读取数字量的传感器。在本实施例中，选用Link-Max PT100热电阻温度传感器，工作于-40～85℃，温度采集范围-200～200℃，显示精度0.1℃，综合精度0.3℃，尺寸106×98×22(mm)，安装方式为壁挂式。它可利用其自身的RS-485总线串行通信接口方便地和数据采集系统的计算机连接，完成温度的采集、储存和处理，还可以预先设置温度的上下限报警值，一旦超过该设定值时，计算机内的蜂鸣器立刻响起警报声。

将Link-Max PT100热电阻温度传感器挂在水槽6试验段中心位置，用夹子挂住，它的一端通过导线与数据采集系统的接口相连，进行温度数据的连续采集记录。

本实施例装置还包括PH检测系统，所述PH检测系统主要包括PH传感器10，本实施例选用的pH传感器10为实验室pH值传感器，型号为DE61M/GA151，货号为德国Meinsberg pH传感器GA151，工作温度：-5～80℃，pH值：0～14，直径：玻璃轴直径12mm，长度：轴长度为120mm，其它特征：等电位pH7Ag、筒膜，GA151：用1m电缆固定、德国DIN插，GA151L：实验室插头S7-系统。这个玻璃体屏幕pH可视半单元部分使用时必须用一个普通可以精确测量PH值的相关电极来连接。所述PH传感器10用不锈钢小夹子将其固定在水槽6的试验段的中心位置；并通过导线与计算机控制接口Ⅲ33连接，实现液体PH值信息的连续采集、处理和存储。

本实施例装置还包括电导率EC检测系统，所述电导率EC检测系统主要包括电导率传感器9，本实施例选用感应式电导率传感器，因其结构简单、成本低、抗污染能力强，非常适合在污染程度较高的环境中使用。本实施例选用的感应式电导率传感器ISC40S型号，应用感应电导率技术，消除了因堵塞和极化而产生的误差；拥有大孔径传感器，适合长期使用，且稳定性极高；拥有使用适应范围宽的支架和通用隔板，安装灵活；工作温度范围为-20℃～130℃，可测试电导率的范围为1μS/cm～2S/cm。本实施例电导率传感器9安装在水槽6内侧试验段边壁的中心处，用不锈钢小夹子将其固定，通过导线与计算机控制接口Ⅱ32连接，实现电导率信息的连续采集、处理和存储。

所述水槽6为长12m、宽0.25m、高0.55m的长方体容器，材质为玻璃、不锈钢等，其一内侧面设有消波板5，其出水口22处设有导流板23。

本实施例所述数据采集系统通过分别对温度、电导率、PH值、电子天平称量的信号信息连续采集、处理和存储，以及利用LabVIEW软件设定温度控制系统的温度控制，对步进电机控制系统的控制、造流系统的流速控制、造波系统的波高控制。

上述片状吸油材料环境适应性能测定实验用的自动装置检测吸油材料性能的方法，步骤如下：

1)由水槽6上方设置一根进水软胶管，向水槽6中加入40cm高的实验室配制的模拟某海湾环境参数的模拟海水，再在模拟海水上加入5L原油；

2)启动计算机，通过其上安装的LabVIEW软件对造波系统的驱动控制器14进行初始化和伺服电机13回零调整，启动造流系统的水泵18，控制造波系统、造流系统启动进行造流、造波，将模拟海水的水流速度设为0.04m/s，波高0.05m，周期1.2s的模拟环境；

3)开启温度控制系统、电导率EC检测系统、PH值检测系统，检测环境因素的变化；在模拟实验前计算机24内提前预设的温度、电导率、PH值的范围和每次递增梯度，温度变化范围为7～40℃，精度为0.1℃，每次递增2℃，本次温度设定为10℃；pH值变化范围为6～9，精度为0.1，每次递增0.5，本次pH值设定初始为6；电导率变化范围为30-50mS/cm，每次递增5mS/cm；

4)将10cm×10cm×1cm的聚丙烯纤维的片状吸油材料放置在固定盘7上，固定好，悬挂在电子天平3下端的挂钩上，通过电子天平3称量，在计算机24上记录此时固定盘7及片状吸油材料的质量m0；

5)通过LabVIEW软件控制步进电机1向下移动，使固定盘7放入水槽6中，使其相对自由漂浮在原油层之上15min±20s后，向上提升固定盘7，脱离液体悬滴30s±3s后，通过电子天平3称量，在计算机上记录此时固定盘7及片状吸油材料的质量m1；

6)根据步骤3)中设置的温度梯度、pH值梯度和电导率及盐度值，变换温度、pH值和盐度值，重复步骤5)，得到X次计算机上记录不锈钢网及片状吸油材料的质量的数据；

7)通过对比可得知，在此波浪、水流、温度、pH值、盐度值等环境因素的变化对吸油材料吸油性能的影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种片状吸油材料环境适应性能分析检测方法，其特征在于包含如下内容：

1)向水槽中加入模拟海水，再在模拟海水上加入不同种类原油；

2)启动计算机，通过其上安装的LabVIEW软件控制造波系统、造流系统启动进行造流、造波；其中造波系统通过推板式造波机在水槽中模拟波浪，通过造波控制系统控制推板式造波机的波高范围；通过造流系统在水槽中模拟水流，通过造流控制系统控制水流范围；

3)根据计算机内提前预设的温度、电导率、PH值的范围和每次递增梯度，对水槽内的温度、电导率、或PH值进行梯度调节；

4)将片状吸油材料放置在固定盘上，通过电子天平称量，在计算机上记录此时固定盘及片状吸油材料的质量；

5)使固定盘下移至水槽内，使其相对自由漂浮在原油层之上15min±20s后，向上提升固定盘，脱离液体悬滴30s±3s后，通过电子天平称量，在计算机上记录此时固定盘及片状吸油材料的质量；

6)根据步骤3)中设置的温度梯度、pH值梯度和电导率梯度，变换温度、pH值或电导率，重复步骤5)，得到多次计算机上记录固定盘及片状吸油材料的质量的数据；

7)将实验数据进行对比，通过对比可得知，波浪、水流、温度、pH值、电导率环境因子的变化对吸油材料吸油性能的影响。

2.一种片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：包括水槽和其内外设置的电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统和数据采集系统，所述电子天平称量系统、PH值检测系统、温度控制系统、电导率EC检测系统、造波系统、造流系统均与数据采集系统相连。

3.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述电子天平称量系统，主要由电子天平、固定盘和步进电机控制系统组成；

所述步进电机控制系统，主要由步进电机、水平支架、步进电机导轨和步进电机控制器组成，所述水平支架的一端固定在步进电机上并与步进电机共同在步进电机导轨上进行上下移动；所述步进电机与步进电机控制器连接；所述电子天平固定在水平支架上，其下端通过挂钩连接固定盘，电子天平与数据采集系统相连。

4.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述造波系统采用推板式造波机，包括推波板、滚珠丝杠、伺服电机和驱动控制器，所述伺服电机的输出端连接滚珠丝杠的一端，所述滚珠丝杠上安装有含有循环滚珠的螺母，滚珠丝杠下方设有与其平行设置的导轨，所述导轨上滑动设置滑块；所述滑块上的推臂与螺母的螺母副连接在一起；所述推波板通过连接架与滑块连接，所述推波板竖直设置在水槽内，所述伺服电机与驱动器控制连接，驱动器控制器与造波控制系统连接。

5.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述造流系统主要由水泵、水泵控制器、水循环管道组成，所述水循环管道设置在水槽外面，其两端分别连通水槽上设置的入水口和出水口；所述水泵安装在水循环管道上，所述水泵与水泵控制器连接。

6.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述温度控制系统包括空气源热泵、空气源热泵控制器和温度传感器，所述空气源热泵安装在造流系统的水循环管道上，空气源热泵与空气源热泵控制器连接；所述温度传感器通过夹子固定在水槽侧壁上。

7.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述PH检测系统主要包括PH传感器，PH传感器通过夹子固定在水槽侧壁上。

8.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述电导率EC检测系统主要包括电导率传感器，所述电导率传感器通过夹子固定在水槽侧壁上。

9.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述水槽为长方体容器，材质为玻璃或不锈钢。

10.根据权利要求1所述的片状吸油材料环境适应性能分析检测的实验装置，其特征在于：所述水槽的一内侧面设有消波板，其出水口处设有导流板。