CN109085316A - 测定水体溶解甲烷浓度的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定水体溶解甲烷浓度的装置，包括筒体，其通过水管与外界连通，筒体内部由上至下设有空气泵、风扇和气泡石，空气泵的排气口与气泡石通过管道连接，筒体外设有温室气体分析仪，筒体上方设有出气孔和进气孔，出气孔与温室气体分析仪的进气口通过进气管连接，温室气体分析仪的出气口通过出气管与进气孔连接。本装置利用空气泵和气泡石对待测水样进行曝气，并通过风扇使得筒体内上部气体中的甲烷与水体分离出来的甲烷快速混匀从而达到水气平衡；可以在线监测不同时刻水体溶解甲烷浓度，通过曝气能够使水气中甲烷浓度迅速达平衡，避免了传统方法人为带来的误差，同时缩短实验时间。其可行度高，结构简单，经济省时，易于携带。
Description
技术领域
本发明涉及水体监测领域，尤其是一种测定水体溶解甲烷浓度的装置。
背景技术
根据IPCC第五次评估报告显示，自工业革命以来，大气中的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮等温室气体排放量显著增高，全球气温平均上升了0.85℃。淡水生态系统是二氧化碳和甲烷的重要排放源。甲烷是仅次于二氧化碳的第二重要的温室气体。在百年尺度单分子甲烷的全球变暖效率(红外吸收能力)是二氧化碳的28-34倍，对温室效应的贡献率达30％左右。研究显示水体系是大气中甲烷的主要来源，约占全球甲烷来源的40～50％。甲烷氧化对减少水生态系统中甲烷向大气中的释放起着重要的作用，因此准确测量水体溶解甲烷对研究水体甲烷向大气释放的影响具有重要意义，从而提出相应的减少甲烷排放措施。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种测定水体溶解甲烷浓度的装置，能够在线连续测定不同水体溶解甲烷浓度；结构简单，性能可靠，经济省时，易于携带。
本发明所采取的技术方案是，一种测定水体溶解甲烷浓度的装置，包括筒体，其通过水管与外界连通，筒体内部由上至下设有空气泵、风扇和气泡石，空气泵的排气口与气泡石通过管道连接，筒体外设有温室气体分析仪，筒体上方设有出气孔和进气孔，出气孔与温室气体分析仪的进气口通过进气管连接，温室气体分析仪的出气口通过出气管与进气孔连接。
进一步地，筒体下部设有进水口和出水口，进水口通过水管连接至水泵，出水口连接水管，并在水管上安装有阀门
进一步地，所述筒体为有机玻璃材质。
进一步地，所述风扇与气泡石之间设有电子式液位开关，筒体外设有液位控制器，两者之间通过线路连接。
进一步地，该装置还包括交流接触器，水泵和液位控制器均与交流接触器连接。
进一步地，所述进气管和出气管上均安装有气路电磁阀。
进一步地，所述气路电磁阀连接有时间控制器。
进一步地，所述空气泵和风扇连接有时间控制器。
采用上述装置测定水体溶解甲烷浓度的方法，包括以下步骤：
1)通过水管向筒体内注入待测定水体的水，水位高度低于风扇所在高度，开启空气泵通过气泡石对待测水进行曝气，同时开启风扇，使筒体内上部气体中甲烷与水体中分离出来的甲烷混匀，达到水气平衡；
2)启动温室气体分析仪，筒体上方的气体通过进气管进入温室气体分析仪进行检测，然后通过出气管回到筒体内；
3)通过温室气体分析仪监测气体中甲烷的浓度，根据亨利定律计算出水体中溶解甲烷的浓度。
进一步地，曝气15-20min后，利用温室气体分析仪检测气体中甲烷的浓度。
本发明有如下有益效果：
1)本发明装置利用空气泵和气泡石对待测水样进行曝气，水体中的曝气石上布满微气孔，其能使水-气中气体快速交换，并通过风扇使得筒体内上部气体中的甲烷与水体分离出来的甲烷快速混匀从而达到水气平衡；可以在线监测不同时刻水体溶解甲烷浓度，通过曝气能够使水气中甲烷浓度迅速达平衡，避免了传统方法人为带来的误差，同时缩短实验时间。而且利用温室气体分析仪检测气体中甲烷的浓度，观测一段时间后可用计算机在线拟合温室气体分析仪中的数据，通过亨利定律即可分析得出水体中溶解甲烷的浓度，还能避免采用传统方法带回实验室监测离线监测产生的误差。
2)本装置还可以设置自动化控制系统，如在筒体内设置电子式液位开关，筒体外设置液位控制器，将两者连接，并将液位控制器和水泵均与交流接触器连接，经电子式液位开关监控液位，配合液位控制器、水泵和交流接触器实现对液位的控制。在进气管和出气管上均安装有气路电磁阀，并将气路电磁阀连接时间控制器，时间控制器可以设定测定时长，气路电磁阀可以有效控制气路的开与闭，气路电磁阀与时间控制器联合可以自动控制水体溶解甲烷浓度的测定时间。最后，空气泵和风扇连接有时间控制器，可以实现自动控制水体的曝气时长。通过上述设置，减少人为操作过程。
3)本装置可行度高，结构简单，经济省时，易于携带，还可以实现自动化管理监测。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图来进一步说明本发明，但本发明要求保护的范围并不局限于实施例表述的范围。
如图1所示，一种测定水体溶解甲烷浓度的装置，包括筒体2，其通过水管1与外界连通，筒体2内部由上至下设有空气泵3、风扇5和气泡石4，空气泵3的排气口与气泡石通过管道连接，筒体2外设有温室气体分析仪8，筒体2上方设有出气孔和进气孔，出气孔与温室气体分析仪8的进气口通过进气管6连接，温室气体分析仪8的出气口通过出气管7与进气孔连接。
空气泵将筒体内上方气体，通过空气泵与气泡石相连通的管道输送至底部水体中的气泡石进气孔，气泡石位于待测水体中，气泡石上布满微气孔，其能使水-气中气体快速交换，并达到平衡；最后通过电风扇使得筒体内上部气体中的甲烷与水体分离出来的甲烷快速混匀从而达到水气平衡。
优选地，筒体2下部设有进水口和出水口，进水口通过水管连接至水泵12，出水口连接水管，并在水管上安装有阀门。另外，也可将进水口和出水口设置为同一个，进水时通过水管与水泵连接，出水时，将水管与水泵断开，将水体引入排放处。
进一步优选地，所述筒体2为有机玻璃材质。采用玻璃材质，能够起到很好的密封效果，不会对其中的气体或者水体产生干扰，而且便于观察内部情况。设置成密封结构的，能够确保测试结果的准确性。
进一步地，所述风扇5与气泡石4之间设有电子式液位开关9，筒体2外设有液位控制器10，两者之间通过线路连接。电子式液位开关通过内置电子探头对液位进行检测，再由内置液位检测专用芯片对检测到的信号进行处理,当被测液体到达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合液位控制器，液位控制器可接收信号从而通过交流接触器控制水泵的启动与关闭，实现对液位的控制。
另外，可选地，风扇5的型号可以选择RUNDADC 12V；空气泵3的型号可以选择松宝气泵(双孔气石全配)；电子式液位开关9的型号可以选择BZ201；液位控制器10的型号可以选择BZ201。
进一步地，该装置还包括交流接触器11，水泵12和液位控制器均与交流接触器连接。交流接触器11的作用是控制水泵电机；工作流程是液位控制器接收信号后传递给交流接触器从而控制水泵的启动与关闭，水泵12的作用是抽水。交流接触器11的型号可以选择BZ201；水泵12的型号可以选择BZ201。
优选地，所述进气管6和出气管7上均安装有气路电磁阀13。气路电磁阀13的型号可以选择2V025-08。可以有效控制进气气路或者出气气路的开与闭。进气管和出气管将反应筒体与温室气体分析仪连成一个回路，反应装置内的气体通过进气管进入温室气体分析仪进行测定，测定完成后通过出气管进入反应装置，这样循环待测气体以确保反应器内部环境的稳定。进气管在筒体内的位置与出气管在筒体内的位置预留一定的距离和高度差，以确保测试结果的准确性。
优选地，所述气路电磁阀连接有时间控制器14。采用时间控制器可以设定测定时长，其与气路电磁阀联合可以自动控制水体溶解甲烷浓度的测定时间。
优选地，所述空气泵3和风扇5连接有时间控制器14。可以自动控制水体的曝气时长。
时间控制器14的型号可以选择KG316T。温室气体分析仪的可选型号为G2301温室气体分析仪Picarro，美国。
对本领域技术人员来说，电子式液位开关、液位控制器、交流接触器、水泵、气路电磁阀和时间控制器等电子元件属于本领域技术人员公知技术，对它们型号的选用不局限于本说明书的记载，控制器与常规电子元器件的连接及控制关系属于本领域技术人员的公知常识，在本说明书中不再赘述，本领域技术人员可根据现场实际情况选择公知手段对各个电子元件进行安装。
本发明还涉及采用所述装置测定水体溶解甲烷浓度的方法，包括以下步骤：
1)通过水管向筒体内注入待测定水体的水，水位高度低于风扇所在高度，开启空气泵通过气泡石对待测水进行曝气，同时开启风扇，使筒体内上部气体中甲烷与水体中分离出来的甲烷混匀，达到水气平衡；
2)启动温室气体分析仪，筒体上方的气体通过进气管进入温室气体分析仪进行检测，然后通过出气管回到筒体内；
3)通过温室气体分析仪监测气体中甲烷的浓度，根据亨利定律计算出水体中溶解甲烷的浓度。
进一步地，曝气15-20min后，利用温室气体分析仪检测气体中甲烷的浓度。一般优选曝气15分钟即可进行测试。
进一步地，进行自动化控制测试时，在确定测定地点后，将该装置平稳放置在测定点附近的平整地面上或船上，筒体内进水时，液位控制器10的继电器闭合，通过交流接触器11带动水泵12启动，待液体达到指定高度时，液位控制器10的继电器断开，同时设定与空气泵3和风扇5相连接的时间控制器14，控制筒体中空气泵3和电风扇5的工作时长；然后设定进气管6和出气管7相连接的气路电磁阀以及相应的时间控制器，控制水体溶解甲烷的测定时长；最后，打开温室气体分析仪8，待水气平衡(曝气约15分钟)后观测数分钟，通过亨利定律即可分析计算得出水体中溶解甲烷的浓度。
本发明装置于2018年5月以三峡大学校内池塘水为实验对象，池塘水深约0.8m。实验装置内液位高度约为15.5cm，曝气时间为15分钟，温度为25℃。不同时间水体溶解气体浓度见下表1。Hcc＝Hcp R T,Hcc＝Ca/Cg,Hcp为亨利溶解度，Hcc为无量纲亨利溶解度，甲烷气体Hcp为0.00001400mol m-3Pa-1，R为理想气体常数，值为8.314J/mol/k，T为气体温度。Ca为液相浓度，Cg为气相浓度，单位均为μmol/l。
表1
| 时间/min | 顶空气体浓度Cg/ppm | 顶空气体浓度Cg/μmolL<sup>-1</sup> | 水体溶解甲烷浓度Ca/μmolL<sup>-1</sup> |
| 0 | 829.1669 | 33.13588 | 1.14993 |
| 180.0418 | 659.7776 | 26.3666 | 0.915012 |
| 360.0828 | 534.5242 | 21.36112 | 0.741305 |
| 540.1268 | 441.1628 | 17.63013 | 0.611827 |
| 720.1698 | 365.7556 | 14.61664 | 0.507248 |
| 900.3718 | 300.686 | 12.01627 | 0.417006 |
| 1080.415 | 254.3039 | 10.16271 | 0.352681 |
| 1260.472 | 213.3383 | 8.525609 | 0.295868 |
| 1440.517 | 180.2678 | 7.204017 | 0.250004 |
| 1620.561 | 151.6576 | 6.060672 | 0.210326 |
| 1800.604 | 127.7723 | 5.106147 | 0.177201 |
| 1980.644 | 109.1932 | 4.363673 | 0.151435 |
| 2160.686 | 93.80798 | 3.748835 | 0.130098 |
| 2340.926 | 79.53865 | 3.178592 | 0.110308 |
| 2520.97 | 68.47066 | 2.736283 | 0.094959 |
Claims (10)
1.测定水体溶解甲烷浓度的装置，其特征在于：包括筒体（2），其通过水管（1）与外界连通，筒体（2）内部由上至下设有空气泵（3）、风扇（5）和气泡石（4），空气泵（3）的排气口与气泡石通过管道连接，筒体（2）外设有温室气体分析仪（8），筒体（2）上方设有出气孔和进气孔，出气孔与温室气体分析仪（8）的进气口通过进气管（6）连接，温室气体分析仪（8）的出气口通过出气管（7）与进气孔连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：筒体（2）下部设有进水口和出水口，进水口通过水管连接至水泵（12），出水口连接水管，并在水管上安装有阀门。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：所述筒体（2）为有机玻璃材质。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述风扇（5）与气泡石（4）之间设有电子式液位开关（9），筒体（2）外设有液位控制器（10），两者之间通过线路连接。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：该装置还包括交流接触器（11），水泵（12）和液位控制器均与交流接触器连接。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述进气管（6）和出气管（7）上均安装有气路电磁阀（13）。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述气路电磁阀连接有时间控制器。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述空气泵（3）和风扇（5）连接有时间控制器。
9.采用权利要求1-8任意一项所述装置测定水体溶解甲烷浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）通过水管向筒体内注入待测定水体的水，水位高度低于风扇所在高度，开启空气泵通过气泡石对待测水进行曝气，同时开启风扇，使筒体内上部气体中甲烷与水体中分离出来的甲烷混匀，达到水气平衡；
2）启动温室气体分析仪，筒体上方的气体通过进气管进入温室气体分析仪进行检测，然后通过出气管回到筒体内；
3）通过温室气体分析仪监测气体中甲烷的浓度，根据亨利定律计算出水体中溶解甲烷的浓度。
10.根据权利要9所述的方法，其特征在于：曝气15-20min后，利用温室气体分析仪检测气体中甲烷的浓度。
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