CN107755079A - 土壤粒径分离装置及其分离方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于土壤侵蚀和土壤环境监测技术领域，涉及一种土壤粒径分离装置，其包括支架、注入装置、沉降管、转盘以及控制箱，支架包括立柱、抱爪、底座以及底座上的多个支柱，支柱上固定有电动马达，支柱上端连接有设有轴承的托盘，多个抱爪分别抱紧注入装置以及沉降管；注入装置包括第一球形阀、第二球形阀以及中央腔，第一球形阀位于第二球形阀的上部；沉降管的上部与注入装置的中央腔固定连接，沉降管的底部设有能拆卸的密封阀，沉降管的下部伸入转盘内；转盘包括转盘本体以及取样盘，转盘本体的底部位于托盘的轴承上，转盘能够在电动马达的带动下绕中心轴转动；控制箱包括主开关、速度控制模块以及时间控制模块，控制箱与电动马达电连接。

Description

土壤粒径分离装置及其分离方法

技术领域

本发明属于土壤侵蚀和土壤环境监测技术领域，涉及一种土壤粒径分离装置及其分离方法。

背景技术

随着全球范围内的土地退化日渐成为人类社会可持续发展的主要障碍，土壤侵蚀和土壤侵蚀导致的土地退化的研究显得越来越重要，土壤侵蚀的研究和估算可以为有效进行监控和治理土壤侵蚀提供依据，为合理配置水土保持措施和提出水土保持规划提供指导。土壤侵蚀研究中放射性核素示踪技术的应用是从20世纪60年代初土壤侵蚀和放射性核素沉降运移之间关系的研究开始发展起来的。放射性核素示踪的基本原理是：放射性核素随降雨或尘埃降落到地表后迅速被土壤颗粒强烈吸附，而且难以被淋溶，伴随土壤颗粒的运移而发生放射性核素的再分布，通过采集侵蚀或堆积的土壤样品与未经土壤侵蚀和沉积的背景值核素赋存量进行对比，利用数学模型求算土壤侵蚀或堆积量，进一步通过测定土壤水平面和垂直剖面的核素赋存量和空间分布就可以测定不同部位的土壤侵蚀或堆积速率。目前，在计算模型的应用过程中，很少考虑放射性核素在不同粒径中的吸附状况，默认为样品中不同粒径的土壤颗粒的核素含量无差异，但是土壤侵蚀与泥沙沉积过程中，不同粒径的土壤颗粒表现不同，细颗粒较粗颗粒更易于被剥离与搬运，而粗颗粒更易于沉积。而前人的大量试验也表明放射性核素、养分和重金属等更易于吸附在土壤粘粒中，目前的计算模型可能会过高估算侵蚀量。但是不同粒径的吸附能力如何却少有人研究，该研究主要受到土壤粒径分级方法的限制，无法获得不同粒径的土样来进行放射性核素含量的测定与分析。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种土壤粒径分离装置及其方法，将土壤团粒与单粒的不同粒径颗粒进行分离，为不同粒径土壤颗粒中的放射性核素含量的测定做准备。

本发明是这样实现的：

一种土壤粒径分离装置，其包括支架、注入装置、沉降管、转盘以及控制箱，所述支架包括立柱、与立柱垂直设置的抱爪、底座以及底座上均匀设置的多个支柱，所述支柱上固定有电动马达，所述支柱上端连接有设有轴承的托盘，多个所述抱爪分别抱紧所述注入装置以及沉降管；所述注入装置包括第一球形阀、第二球形阀以及位于所述第一球形阀与第二球形阀之间的中央腔，所述第一球形阀位于第二球形阀的上部；所述沉降管的上部与所述注入装置的中央腔固定连接，所述沉降管的底部设有能拆卸的密封阀，所述沉降管的下部伸入所述转盘内；所述转盘包括转盘本体以及取样盘，多个所述取样盘拼接环绕在所述转盘本体的圆周内，所述转盘本体的底部位于所述托盘的轴承上，所述转盘能够在电动马达的带动下绕中心轴转动；所述控制箱包括主开关、速度控制模块以及时间控制模块，所述控制箱固定在所述支架的立柱上，所述控制箱与所述电动马达电连接。

优选地，所述沉降管为能更换的沉降管。

优选地，所述沉降管的长度为50cm。

优选地，所述取样盘数量为14。

优选地，一种利用上述的土壤粒径分离装置的土壤粒径分离方法，其包括以下步骤：

S1、转盘中盛满水直至水位没过沉降管底部的出水口，从注入装置往沉降筒中灌水至水位刚好达到第二球形阀处，关闭第一球形阀和第二球形阀；

S2、观察水位是否下降，若水位没有下降，则说明沉降管底部出水口被封死；若水位下降，说明沉降管底部的密封阀未完全关闭，调整密封阀直至水位不再下降；

S3、打开沉降管底部的密封阀，打开第一球形阀，向注入装置内加入待分离土壤，待分离土壤处于第二球形阀的上面；

S4、在控制箱的速度控制模块以及时间控制模块预先设定转盘的旋转速度和时间间隔；

S5、关闭第一球形阀，打开第二球形阀，使待分离土壤分散到沉降管中的水里，同时开启主开关，电动马达带动转盘旋转，在预设的时间间隔过后更换取样盘，待分离土壤在重力的作用下自由沉降到取样盘中；

S6、转盘中的取样盘收集不同粒径的土壤颗粒，完成不同粒径土壤的分离。

优选地，所述步骤S4中，预设时间间隔的表达式如下：

其中，t＝预设时间间隔＝沉降时间，h＝沉降距离＝沉降管长度，d＝待测土壤颗粒直径，g＝重力加速度＝9.81N·㎏-1，Ds＝水的粘度，Df＝待测土壤颗粒的平均密度，η＝水的密度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

①本发明的时间间隔可以根据公式计算的沉降时间进行预先设定，通过控制箱控制转盘的旋转速度及取样盘的更换时间，简便、准确的完成不同粒径的土壤颗粒的分离和收集；

②本发明的注入装置设有第一球形阀和第二球形阀，操作简便、快捷，使土壤的注入更省时省力；

③本发明的沉降管能够更换，可以根据实验条件更换为不同内径和长度的沉降管，根据土壤的粒径的不同，更准确的完成颗粒的分离。

附图说明

图1为本发明的土壤粒径分离装置的结构示意图；

图2为本发明的土壤粒径分离装置的侧视图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1-2所示，本发明的土壤粒径分离装置，其包括支架1、注入装置2、沉降管3、转盘4以及控制箱5，支架1包括立柱11、与立柱11垂直设置的抱爪12、底座13以及底座13上均匀设置的多个支柱(图中未示出)，支柱上固定有电动马达，支柱上端连接有设有轴承的托盘44，多个抱爪12分别抱紧注入装置2以及沉降管3；注入装置2包括第一球形阀21、第二球形阀22以及位于第一球形阀21与第二球形阀22之间的中央腔23，第一球形阀21位于第二球形阀22的上部；沉降管3的上部与注入装置2的中央腔23固定连接，沉降管3的底部设有能拆卸的密封阀(图中未示出)，沉降管3的下部伸入转盘4内；转盘4包括转盘本体41以及取样盘42，多个取样盘42拼接环绕在转盘本体41的圆周内，转盘本体41的底部位于托盘44的轴承上，转盘4能够在电动马达的带动下绕中心轴转动；控制箱5包括主开关51、速度控制模块52以及时间控制模块53，控制箱5固定在支架1的立柱11上，控制箱5与电动马达电连接。

优选地，沉降管3为能更换的沉降管，可以根据具体实验条件选择所需长度和内径的沉降管，即设定待分离土壤颗粒的沉降距离。

优选地，沉降管3的长度为50cm。

优选地，取样盘数量为14。

优选地，在本实施例中，沉降管5的长度为50cm。

根据待分离土壤颗粒的沉降时间如表1所示，

表1沉降时间表

优选地，在本实施例中，若待分离土壤为土壤团粒，则分离方法如下：

S1、转盘4中盛满水直至水位没过沉降管3底部的出水口，从注入装置2往沉降筒3中灌水至水位刚好达到第二球形阀22处，关闭第一球形阀和第二球形阀；当从注入装置2往沉降筒3中灌水时，需要先关闭位于沉降筒3底部的密封阀，这样注入到沉降筒3中的水、泥浆或者土壤溶液等就不会自动地向下流出来，从而能被保持在沉降筒3中。

S2、观察水位是否下降，若水位没有下降，则说明沉降管3底部出水口被封死；若水位下降，说明沉降管3底部的密封阀未完全关闭，调整密封阀直至水位不再下降；

S3、打开沉降管3底部的密封阀，打开第一球形阀21，向注入装置内加入100g自然风干待分离土壤，待分离土壤处于第二球形阀22的上面；

S4、根据上表计算的沉降时间数据，在控制箱5的速度控制模块52以及时间控制模块53预先设定转盘的旋转速度和时间间隔；

S5、关闭第一球形阀21，打开第二球形阀22，使待分离土壤分散到沉降管3中的水里，同时开启主开关51，电动马达带动转盘旋转，在预设的时间间隔过后更换取样盘，待分离土壤在重力的作用下自由沉降到取样盘42中；

S6、转盘4中的取样盘42收集不同粒径的土壤颗粒，完成不同粒径土壤的分离。

若待分离土壤为土壤单粒，则分离方法如下：

S1、待分离土壤预处理：将自然风干的待分离土壤样品置于三角瓶中，加入少量蒸馏水使土壤杨平稍微湿润，加入定量的6％的然后加入定量的6％的H₂O₂，并不断地摇晃三角瓶，使有机质充分与H₂O₂接触反应，如有机质过多，需反复处理。过量的H₂O₂用电热板加热(温度一般保持在80～90℃)的方法去除；除去有机质以后根据土壤的酸碱度加入分散剂，浸泡过夜(白天则浸泡7～8小时即可)后加入蒸馏水，再在电热板上煮沸(煮沸温度一般为230℃)，在沸腾前经常摇动三角瓶，以防止土粒结底，待溶液沸腾以后盖上小漏斗防止水分蒸干，并保持沸腾1h；

S2、转盘4中盛满水直至水位没过沉降管3底部的出水口，从注入装置2往沉降筒3中灌水至水位刚好达到第二球形阀22处，关闭第一球形阀和第二球形阀；

S3、观察水位是否下降，若水位没有下降，则说明沉降管3底部出水口被封死；若水位下降，说明沉降管3底部的密封阀未完全关闭，调整密封阀直至水位不再下降；

S4、打开沉降管3底部的密封阀，打开第一球形阀21，向注入装置内加入100g自然风干待分离土壤，待分离土壤处于第二球形阀22的上面；

S5、根据上表计算的沉降时间数据，在控制箱5的速度控制模块52以及时间控制模块53预先设定转盘的旋转速度和时间间隔；

S6、关闭第一球形阀21，打开第二球形阀22，使待分离土壤分散到沉降管3中的水里，同时开启主开关51，电动马达带动转盘旋转，在预设的时间间隔过后更换取样盘，待分离土壤在重力的作用下自由沉降到取样盘42中；

S7、转盘4中的取样盘42收集不同粒径的土壤颗粒，完成不同粒径土壤的分离。

优选地，根据计算的沉降时间，也可以每隔一段时间间隔手动转动转盘来更换取样盘。

本实施例利用采集到的耕地0-20cm表层黑土作为试验土壤，取10kg土壤搅拌均匀、研磨、过2mm筛后，通过目前最为精确的吸管法试验获得黑土土壤粒径组成。利用本发明的土壤粒径分离装置，取经过预处理的供试土壤50g进行了粒径分离试验，获得的结果与吸管法得到的结果对比如表2所示。

表2吸管法与土壤粒径分离装置分离土壤粒径比例结果对比

如表2所示，由于试验过程中土壤不进行分散和去有机质等处理，土壤颗粒为团聚体，大部分集中在细砂0.02～0.2mm颗粒范围内。表2对比结果显示，利用本发明的土壤粒径分离装置与吸管法获得的结果基本一致，说明本装置得到的结果精确。而且，本发明的土壤粒径分离装置结构简单，操作简便、快捷，本发明的沉降管能够更换，可以根据实验条件更换为不同内径和长度的沉降管，根据土壤的粒径的不同，更准确的完成颗粒的分离。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种土壤粒径分离装置，其包括支架、注入装置、沉降管、转盘以及控制箱，其特征在于：

所述支架包括立柱、与立柱垂直设置的抱爪、底座以及底座上均匀设置的多个支柱，所述支柱上固定有电动马达，所述支柱上端连接有设有轴承的托盘，多个所述抱爪分别抱紧所述注入装置以及沉降管；

所述注入装置包括第一球形阀、第二球形阀以及位于所述第一球形阀与第二球形阀之间的中央腔，所述第一球形阀位于第二球形阀的上部；

所述沉降管的上部与所述注入装置的中央腔固定连接，所述沉降管的底部设有能拆卸的密封阀，所述沉降管的下部伸入所述转盘内；

所述转盘包括转盘本体以及取样盘，多个所述取样盘拼接环绕在所述转盘本体的圆周内，所述转盘本体的底部位于所述托盘的轴承上，所述转盘能够在电动马达的带动下绕中心轴转动；

所述控制箱包括主开关、速度控制模块以及时间控制模块，所述控制箱固定在所述支架的立柱上，所述控制箱与所述电动马达电连接。

2.根据权利要求1所述的土壤粒径分离装置，其特征在于:所述沉降管为能更换的沉降管。

3.根据权利要求2所述的土壤粒径分离装置，其特征在于：所述沉降管的长度为50cm。

4.根据权利要求3所述的土壤粒径分离装置，其特征在于：所述取样盘数量为14。

5.一种利用如权利要求1-4任一所述的土壤粒径分离装置的土壤粒径分离方法，其特征在于：其包括以下步骤：

S1、转盘中盛满水直至水位没过沉降管底部的出水口，从注入装置往沉降筒中灌水至水位刚好达到第二球形阀处，关闭第一球形阀和第二球形阀；

S2、观察水位是否下降，若水位没有下降，则说明沉降管底部出水口被封死；若水位下降，说明沉降管底部的密封阀未完全关闭，调整密封阀直至水位不再下降；

S3、打开沉降管底部的密封阀，打开第一球形阀，向注入装置内加入待分离土壤，待分离土壤处于第二球形阀的上面；

S4、在控制箱的速度控制模块以及时间控制模块预先设定转盘的旋转速度和时间间隔；

S5、关闭第一球形阀，打开第二球形阀，使待分离土壤分散到沉降管中的水里，同时开启主开关，电动马达带动转盘旋转，在预设的时间间隔过后更换取样盘，待分离土壤在重力的作用下自由沉降到取样盘中；以及

S6、转盘中的取样盘收集不同粒径的土壤颗粒，完成不同粒径土壤的分离。

6.根据权利要求5所述的土壤粒径分离方法，其特征在于：所述步骤S4中，预设时间间隔的表达式如下：

<mrow> <mi>t</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>h</mi> <mn>18</mn> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>D</mi> <mi>s</mi> <mo>-</mo> <mi>D</mi> <mi>f</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> </mrow>

其中，t＝预设时间间隔＝沉降时间，h＝沉降距离＝沉降管长度，d＝待测土壤颗粒直径，g＝重力加速度＝9.81N·㎏-1，Ds＝水的粘度，Df＝待测土壤颗粒的平均密度，η＝水的密度。