CN108445190A - 一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，包括反应装置、加液装置、压力控制装置、取液装置和温度及搅拌控制装置，反应装置的侧壁设有四个与其相通的接管，每个接管上均设有控制其开关的阀门，加液装置、压力控制装置和取液装置分别通过接管与反应装置相连，反应装置置于温度及搅拌控制装置上，利用恒温磁力搅拌器控制水岩反应的温度、转速和时间，利用压力控制装置控制系统压力，取不同重量岩(土)加入反应装置中，配制不同浓度、不同类型的溶液实现不同溶液、不同岩土用量下的水‑岩作用，本装置加液和取液均较方便易行，且溶液体积准确，其操作简单，成本低，能够模拟多因素作用下的水岩反应过程。
Description
技术领域
本发明涉及水岩模拟装置技术领域，具体涉及一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置。
背景技术
水-岩作用不仅包括水与岩石(沉积岩、岩浆岩、变质岩)物理化学作用过程，还包括与土壤等含水介质之间的相互作用。水-岩作用深刻地影响污染物迁移、元素富集、地质灾害等，室内水-岩作用模拟已成为了解其过程及机理常用手段，因此，水-岩作用模拟装置设计对于水-岩作用模拟具有重要意义。
通常，水-岩作用模拟包括静态模拟和动态模拟，以往大多模拟装置均是动态模拟状态。水-岩作用受多因素控制，例如溶液浓度和类型、pH、温度、压力、作用时间、岩土用量等都会影响水-岩作用过程，特别是温度和压力是水-岩作用重要的影响因子，尤其是在地下水环境中，水-岩作用是在一定的温度和压力作用下进行的，而传统的模拟方法或装置未考虑这两个因素，无法模拟多因素作用下水岩作用过程。水-岩作用既可以在开放系统中进行，也可能是在封闭环境下进行，但传统的模拟方法和装置只能模拟某一环境。水-岩作用模拟实验包括加入溶液、水岩反应、溶液萃取等实验过程，操作步骤复杂，不易控制，且成本较高。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其操作简单，成本低，能够模拟多因素作用下的水岩反应过程。
本发明采用以下的技术方案：
一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，包括反应装置、加液装置、压力控制装置、取液装置和温度及搅拌控制装置，所述反应装置的侧壁设有三个与其相通的第一接管、第二接管和第三接管，所述第一接管、第二接管和第三接管上分别设有第一阀门、第二阀门和第三阀门；所述加液装置的尾部侧端开有用于吸取反应液的第五接管，所述第五接管上设有第五阀门，加液装置的尾端设有注液口，所述注液口与所述第一接管相连；所述压力控制装置包括惰性气体瓶和用于测量反应装置内压力的压力传感器，所述惰性气体瓶的出气口与所述第二接管相连；所述取液装置的前端设有取液口，所述取液口与所述第三接管相连，取液装置的侧部设有出液管，所述出液管上设有第六阀门；所述温度及搅拌控制装置为能够控制温度、转速和时间的恒温磁力搅拌器，反应装置内置有与恒温磁力搅拌器相互配合的磁力搅拌子。
恒温磁力搅拌器，一方面可以控制体系温度，另一方面，磁力搅拌器转速、搅拌时间、反应器里转子数量及大小，决定了水岩作用过程中搅拌程度，这些参数可视具体情况需要而调整。可配制不同浓度不同类型溶液加入到加液装置，可取不同重量岩(土)加入反应器中，实现不同溶液、不同岩土用量下水-岩作用。
优选地，所述加液装置和所述取液装置中均设有注射器式活塞推拉装置。
优选地，所述加液装置和所述取液装置中均设有螺纹式推拉装置。
优选地，所述加液装置和所述取液装置的器壁材料为透明玻璃。
优选地，所述加液装置和所述取液装置的器壁上设有体积刻度。使得加液和取液均较方便易行，且溶液体积准确。
优选地，所述反应装置内设有导管，所述导管的一端与取液装置的取液口相连。用于充分有效吸取水岩反应的上清液。
优选地，所述压力传感器为数显式压力传感器。
优选地，所述反应装置的侧壁设有将其与大气相通的第四接管，所述第四接管上设有第四阀门。第四接管和第四阀门的设计，一方面，联合第二阀门可以控制体系压力恒定，即如果一不小心把压力调大了，可通过第四阀门放气，把压力调小；另一方面，能够控制系统是开放环境或封闭环境；再者，当系统压力大的时候取溶液时，在打开第三阀门前，打开第四阀门，使体系压力减小，以防止溶液一下子冲入取液装置中。
优选地，所述反应装置的主体材料为不锈钢合金材料。其耐高压、耐高温、易传热且不易参与水岩作用，使得水岩反应静态模拟实验装置能够适用于更广范围温度和压力作用下的水岩反应。
优选地，所述惰性气体瓶为氮气瓶。N2属于情性气体，选用N2来改变系统压力，避免了参与水-岩作用反应(选用惰性气体改变系统压力，避免了气体参与水-岩反应，且所选的惰性气体经济适用，一般地，优选N2)。
本发明具有的有益效果是：
能够解决不同因素影响下的水-岩作用，恒温磁力搅拌器、数显式压力传感器可以控制反应温度、压力、搅拌时间、搅拌转速等；可取不同重量岩(土)加入反应器中，配制不同浓度不同类型溶液加入到加液装置，实现不同溶液、不同岩土用量下水-岩作用；加液装置和取液装置上有体积刻度，使得加液和取液均较方便易行，且溶液体积准确，反应装置侧壁设有将其与大气相通的接管和阀门，可实现水-岩反应的封闭或开放系统反应，易于操作性、成本低。
附图说明
图1为可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置的结构示意图。
图2为淡水、1:1淡海和海水作用下含水砂层氟迁移量。
图3为淡水、1:1淡卤和卤水作用下含水砂层氟迁移量。
其中，1为反应装置，101为第一阀门，102为第二阀门，103为第三阀门，104为第四阀门；2为加液装置，201为第五阀门；3为取液装置，301为第六阀门；4为温度及搅拌控制装置，401为电源开关，402为转速控制开关，403为时间控制开关，404为温度显示屏；5为惰性气体瓶；6为压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行具体的说明：
实施例1：
结合图1，一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，包括反应装置1、加液装置2、压力控制装置、取液装置3和温度及搅拌控制装置4。
反应装置1的侧壁设有四个与其相通的第一接管、第二接管、第三接管和第四接管，第一接管、第二接管、第三接管和第四接管上分别设有第一阀门101、第二阀门102、第三阀门103和第四阀门104，其中第四接管将反应装置与大气相通，第四接管上设有第四阀门，用以调节反应装置内系统开放和封闭。
加液装置2的尾部侧端开有用于吸取反应液的第五接管，第五接管上设有第五阀门201，加液装置2的尾端设有注液口，注液口与第一接管相连，加液装置2的器壁材料为透明玻璃，其上设有体积刻度，加液装置2设有注射器式活塞推拉装置，采用活塞推杆控制加液体积。
压力控制装置包括惰性气体瓶5和用于测量反应装置内压力的压力传感器6，惰性气体瓶5可以为氮气瓶，装载N2惰性气体，压力传感器6为数显式压力传感器，惰性气体瓶5的出气口与第二接管相连，通过调节向反应装置1输入的N2量控制水岩反应的系统压力。
取液装置3的前端设有取液口，取液口与第三接管相连，取液装置3的侧部设有出液管，出液管上设有第六阀门301，取液装置3的器壁材料为透明玻璃，其上设有体积刻度，取液装置3设有注射器式活塞推拉装置，采用活塞推杆控制取液体积。在反应装置1内设有一合理长度(以能够吸入反应装置内水-岩作用的溶液为宜)的导管，该导管将取液装置3与反应装置1内的溶液相连。导管的长度既要保证能够充分地吸取水-岩作用的溶液，又要保证取液时不扰动反应器底部岩(土)，即取上清液。导管的长度以离反应岩(土)表层3-5cm为宜。
温度及搅拌控制装置4为可控温度、转速和时间的恒温磁力搅拌器，设有电源开关401、转速控制开关402、时间控制开关403和温度显示屏404，反应装置1内置有与恒温磁力搅拌器相互配合的磁力搅拌子。调节恒温磁力搅拌器的转速、时间及搅拌子数量，可控制搅拌剧烈程度，在不同时间段取样，即可得出不同时间对水-岩作用影响。利用恒温磁力搅拌器对反应装置1加温到恒温，可控制水-岩反应的温度，调节恒温磁力搅拌器上不同温度，即可得到不同温度下水-岩作用反应结果。反应装置1的主体材料为不锈钢合金材料。其耐高压、耐高温、易传热且不易参与水岩作用，使得水岩反应静态模拟实验装置能够适用于更广范围温度和压力作用下的水岩反应。
对某一水岩作用试验进行模拟时，首先称取一定质量岩(土)放入反应装置1中。用于吸取反应液的第五接管连接水岩作用的溶液源，打开第五阀门201，关闭第一阀门101，推动加液装置2的活塞推杆吸取用于水岩作用的溶液，读取溶液体积，再关闭第五阀门201，打开第一阀门101，将溶液注入反应装置1中，可反复多次，直至注入反应装置1的溶液达到需要的体积，关闭第一阀门101。设置恒温磁力搅拌器的温度、搅拌时间和转速，接通电源，打开恒温磁力搅拌器开关。
打开第二阀门102，由氮气瓶向反应装置输入N2，当压力传感器6数字显示器达到预期压力时，关闭第二阀门102，保持恒压反应，反应在封闭的系统进行；当反应到一定时间时，打开第四阀门104减压后(压力小时可忽略)，关闭第六阀门301，打开第三阀门103，推动取液装置3的活塞推杆吸取溶液，再关闭第三阀门103，打开第六阀门301，将取得的溶液注入试管或烧杯中，以备分析用，反复多次，直至取样达到确定的体积。再隔一段时间进行取样，可以实现在恒温恒压下连续反应取样。
当关闭第二阀门102，打开第四阀门104时，反应在大气开放的环境中进行。
实施例2：
加液装置2和取液装置3中均设有螺纹式推拉装置，采用拧动螺纹杆控制加液或取液的体积。其余操作步骤与实施例1相同。
应用案例分析：
利用可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，研究模拟了海水入侵作用下山东北部含水砂层氟迁移，具体步骤如下：
配制不同类型溶液(淡水、1：1淡海、1：1淡卤、海水和卤水5种溶液)，将含水砂层沉积物自然风干粉碎至100目，称取50g放入反应容器中，放入11×33mm四氟磁力搅拌子两粒，用加液装置2注入反应装置某种溶液1500ml，设定恒温磁力搅拌器温度为25℃，搅拌时间设定为30min，转速为800rmp，打开第四阀门104，使其处于开放系统，这样就实现在常温常压下氟迁移模拟，搅拌结束静置，分别在8h，16h，24h，48h，96h，192h时用取液装置3取上清液150ml，每次取样完后，磁力搅拌器搅拌30min。换用其他类型溶液，保持其他参数不变，重复以上模拟，测试上清液氟含量。
图2和图3为不同溶液作用下含水砂层氟迁移，较为清晰地揭示了随海水和卤水混入程度增加，岩(土)氟迁移量增加。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，包括反应装置、加液装置、压力控制装置、取液装置和温度及搅拌控制装置，所述反应装置的侧壁设有三个与其相通的第一接管、第二接管和第三接管，所述第一接管、第二接管和第三接管上分别设有第一阀门、第二阀门和第三阀门；
所述加液装置的尾部侧端开有用于吸取反应液的第五接管，所述第五接管上设有第五阀门，加液装置的尾端设有注液口，所述注液口与所述第一接管相连；
所述压力控制装置包括惰性气体瓶和用于测量反应装置内压力的压力传感器，所述惰性气体瓶的出气口与所述第二接管相连；
所述取液装置的前端设有取液口，所述取液口与所述第三接管相连，取液装置的侧部设有出液管，所述出液管上设有第六阀门；
所述温度及搅拌控制装置为能够控制温度、转速和时间的恒温磁力搅拌器，反应装置内置有与恒温磁力搅拌器相互配合的磁力搅拌子。
2.根据权利要求1所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述加液装置和所述取液装置中均设有注射器式活塞推拉装置。
3.根据权利要求1所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述加液装置和所述取液装置中均设有螺纹式推拉装置。
4.根据权利要求2或3所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述加液装置和所述取液装置的器壁材料为透明玻璃。
5.根据权利要求4所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述加液装置和所述取液装置的器壁上设有体积刻度。
6.根据权利要求1所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述反应装置内设有导管，所述导管的一端与取液装置的取液口相连。
7.根据权利要求1所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述压力传感器为数显式压力传感器。
8.根据权利要求1所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述反应装置的侧壁设有将其与大气相通的第四接管，所述第四接管上设有第四阀门。
9.根据权利要求1所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述反应装置的主体材料为不锈钢合金材料。
10.根据权利要求1所述的一种可多因素控制的水岩反应静态模拟实验装置，其特征在于，所述惰性气体瓶为氮气瓶。
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