CN109187911A - 一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟实验装置 - Google Patents

一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟实验装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置。该装置包括沉积物采集管、设置于沉积物采集管上部的顶盖和设置于沉积物采集管底部的漏斗式底座，漏斗式底座的一端为石英隔板，石英隔板与沉积物采集管底部连接，漏斗式底座的另一端设置有活塞，漏斗式底座的下部与顶盖的上部之间设置有连通管，连通管与活塞之间设置有三通阀，连通管上设置有循环泵，沉积物采集管的一侧设置有间隙水采集器。本发明可简单灵活对间隙水进行原位采集，沉积物间隙水作为汞金属溶解态部分，是反应沉积物变化的敏感指标，本发明可对间隙水中汞实现连续采样监控，观察汞形态随环境条件的变化。

Description

一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟实验 装置
技术领域：
本发明具体涉及一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟实验装置。
背景技术：
水/沉积物环境中汞主要以无机汞(Hg2+、HgO、HgS等)和有机汞(主要为甲基汞、乙基汞)化合物形式存在，目前普遍的观点认为，低pH值、低溶解氧、高水温、高有机质含量会促进水体无机汞的甲基化，产生高毒性的甲基汞。同时，沉积物中汞金属的赋存形态影响其迁移性和毒性危害。采用化学提取法通常把把沉积物中重金属(包括Hg)赋存形态分为弱酸提取态、还原态、有机质结合态、硫化物结合态、残留态。其中弱酸提取态易于迁移和被生物吸收利用，为重金属的可迁移态和生物可利用。沉积物间隙水作为溶解态部分(包含在弱酸提取态)，是反应沉积物变化的敏感指标。而且获取汞在间隙水及沉积物渗滤底液中的含量，获取汞及其存在形式、赋存形态在沉积物垂直分布信息，是考察其污染分布和迁移、评价其毒性危害风险及变化、定量估算污染通量的重要手段。
目前用于间隙水采集的模拟装置已有报道。如专利“用于模拟现场条件探究沉积物间隙水分层变化的实验装置”(201320482039.2)、“一种实验室用沉积物间隙水采集装置”(201320481401.4)和“一种用于水土界面地球化学过程模拟的间隙水采集装置”(200720043929.8)。这些装置用于模拟条件下采集间隙水，利用管壁上的通孔，将间隙水采样管插入通孔，实现间隙水样品的采集。但这些装置存在一个共同的不足，不能实现沉积物中上覆水、间隙水、渗滤水的循环模拟。在实际水/沉积物环境中，水是动态循环的，同时带动汞的迁移。同时现有的间隙水采集装置虽能实现间隙水的采集，但仍存在许多缺陷和不足：1)多用于室内，缺少一种野外原位采集装置；2)采集过程中会对原位环境造成干扰；3)室内无法模拟缺氧或厌氧状态；4)室内无法实现沉积物渗滤液循环至上覆水的模拟。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟实验装置，该装置操作灵活简单、结构精密、功能多样，适用于沉积物在缺氧或厌氧动态循环状态下对沉积物中汞存在形式、赋存形态的研究，可考察汞存在形式和赋存形态在沉积物垂直分布，及表征汞在水土界面的地球化学过程，且能快速原位测出汞金属的可迁移态和生物可利用态，同时，能循环原位模拟沉积物对汞金属富集作用。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置，包括放置采集的柱状沉积物样品的沉积物采集管、设置于所述的沉积物采集管上部的顶盖和设置于所述的沉积物采集管底部的漏斗式底座，所述的漏斗式底座的一端为微孔石英隔板，所述的微孔石英隔板与沉积物采集管底部连接，所述的漏斗式底座的另一端设置有活塞，所述的漏斗式底座的下部与顶盖的上部设置有连通管，连通管使漏斗式底座中的渗滤底液通过顶盖进入沉积物采集管，所述的连通管与活塞之间设置有三通阀，所述的连通管上设置有循环泵，所述的沉积物采集管的一侧设置有间隙水采集器，所述的间隙水采集器包括设置于所述的沉积物采集管内部的微孔采样管，微孔采样管通过聚乙烯采样管连接口与带螺纹的穿板接头连接，聚乙烯采样管连接口贯穿沉积物采集管，所述的带螺纹的穿板接头与抽样管连接口连接，通过抽样管连接口连接抽样管对间隙水进行采集。连通管为硅胶管，漏斗式底座和顶盖用硅胶管连接，连通管上的循环泵解决了渗滤底液再次循环到上覆水模拟过程，通过循环泵可实现渗滤底液循环至上覆水及外部水的补给。
顶盖与沉积物采集管的连接处为内螺纹，沉积物采集管与顶盖的连接处为外螺纹，顶盖与柱状样沉积物采集管采用螺纹连接，螺纹连接便于实验过程中的拆卸和安装。沉积物采集管中底部设置有沉积物，沉积物的上部设置有上覆水。漏斗式底座与顶盖间设置连通管及三通阀，连通管上设有循环泵，通过循环泵实现渗滤底液循环至上覆水及外部水的补给，三通阀的设置一方面可以将底座中的渗滤底液通过流通管循环至沉积物采集管中的上覆水，另一方面可以将渗滤底液取出来做进一步的实验研究，再一方面可以通过三通阀将外部水通入连通管进入沉积物采集管实现外部水的补给；微孔采样管为一根末端封闭、管壁为聚乙烯材料制成的微孔渗水管，微孔采样管一端与抽样器连接，沉积物采集管上设置有孔嘴，微孔采样管另一端插入沉积物采集管上的孔嘴实现间隙水的采集。本发明可实现沉积物缺氧或厌氧环境的循环状态模拟以及获取沉积物中间隙水、渗滤底液，可用于沉积物中汞的生物可利用性评价以及汞在水、沉积物迁移过程中的形态特征变化研究。
优选，所述的沉积物采集管与漏斗式底座通过锁紧装置固定连接，所述的锁紧装置包括环绕设置于沉积物采集管和漏斗式底座结合处的锁紧圈，所述的锁紧圈两端插接，所述的锁紧圈的连接处还设置有防松装置，所述的防松装置包括设置在锁紧圈连接处的螺栓和与所述的螺栓连接的螺帽；所述的锁紧圈内侧设有用于卡合沉积物采集管和漏斗式底座凸缘的凹槽。锁紧圈环绕在沉积物采集管和漏斗式底座对口结合处，使用沉积物采集管和漏斗式底座凸缘卡合在锁紧圈内侧的凹槽内，锁紧圈的两头端口插接配合后，用螺栓和羊角螺帽锁紧。所述的顶盖上设置有通气阀。通过通气阀控制沉积物采集管内缺氧程度。
优选，所述的沉积物采集管与漏斗式底座的相接面为磨砂玻璃。
优选，所述的顶盖与沉积物采集管可拆卸连接。
本发明的有益效果是：
(1)本发明与现有的柱状沉积物采样器匹配使用，可以把采回来的沉积物样品做汞形态原位模拟研究，无需到野外进行现场试验，同时保持了水土界面的原位特征；
(2)本发明可简单灵活对间隙水进行原位采集，沉积物间隙水作为汞金属溶解态部分，是反应沉积物变化的敏感指标，本发明可对间隙水实现连续监控，观察汞形态在时间上的变化。
(3)本发明可对各层沉积物进行研究，观察汞存在形式和赋存形态的垂直分布，漏斗式底座含微孔石英隔板和活塞，解决了沉积物的渗滤液收集的问题；漏斗式底座和顶盖用硅胶管连接，连通管上有循环泵，解决了渗滤液再次循环到上覆水模拟过程，通过循环泵可实现渗滤底液循环至上覆水及及外部水的补给。
附图说明：
图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是图1中漏斗式底座示意图；
图3是图1中间隙水采样器示意图；
图4是图1中沉积物采集管和漏斗式底座的锁紧装置示意图；
图5是图4中螺栓连接处的局部剖视图；
附图标记说明：1、柱状沉积物采集管(柱体)，2、连通管，3、循环泵，4、通气阀，5、顶盖，6、上覆水，7、沉积物，8、螺母接口，9、间隙水采集器，10、漏斗式底座，11、活塞，12、三通阀，13、微孔石英隔板，14、磨砂玻璃口，15、微孔聚乙烯采样管，16、聚四氟乙烯采样管连接口，17、带螺纹的穿板接头，18、硅胶垫片，19、抽样管连接口，20、锁紧圈，21、垫片，22、螺栓，23、羊角螺帽。
具体实施方式：
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
除特别说明，本发明中提到的设备和材料均为市售。
一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置，包括放置采集的柱状沉积物样品的柱状沉积物采集管1、设置于柱状沉积物采集管1上部的顶盖5和设置于柱状沉积物采集管1底部的漏斗式底座10，漏斗式底座10的一端为微孔石英隔板13，微孔石英隔板13与柱状沉积物采集管1底部连接，漏斗式底座10的另一端设置有活塞11，漏斗式底座10的下部与顶盖5的上部之间设置有连通管2，连通管2使漏斗式底座10中的渗滤底液通过顶盖5进入柱状沉积物采集管1，连通管2与活塞11之间设置有三通阀12，连通管2上设置有循环泵3，柱状沉积物采集管1的一侧设置有间隙水采集器9，间隙水采集器9包括设置于柱状沉积物采集管1内部的微孔聚乙烯采样管15，微孔聚乙烯采样管15通过高密度聚乙烯采样管连接口16与带螺纹的穿板接头17连接，高密度聚乙烯采样管连接口16贯穿柱状沉积物采集管1，带螺纹的穿板接头17与抽样管连接口19连接，抽样管连接口19与带螺纹的穿板接头17之间设置有硅胶垫片18，硅胶垫片的作用是提高间隙水采集器的密封性，通过抽样管连接口19连接抽样管对间隙水进行采集。在本发明中，连通管2为硅胶管，柱状沉积物采集管1中底部设置有沉积物7，沉积物7的上部设置有上覆水6，微孔石英隔板13为96孔石英隔板。
柱状沉积物采集管1与漏斗式底座10通过锁紧装置固定连接，锁紧装置包括环绕设置于柱状沉积物采集管1和漏斗式底座10结合处的锁紧圈20，锁紧圈20两端插接，锁紧圈20的连接处还设置有防松装置，防松装置包括设置在锁紧圈20连接处的螺栓22、垫片21和与螺栓22连接的羊角螺帽23；锁紧圈20内侧设有用于卡合柱状沉积物采集管1和漏斗式底座10凸缘的凹槽。顶盖5上设置有通气阀4，通过通气阀4控制柱状沉积物采集管内缺氧程度。柱状沉积物采集管1与漏斗式底座10的相接面为磨砂玻璃口14，顶盖5与柱状沉积物采集管1可拆卸连接。
实施例1：
如图1～5所示，一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置包括柱状沉积物柱采集管1、漏斗式底座10、间隙水采样器9以及沉积物柱状采集管1和漏斗式底座10的锁紧装置。将环境中取回来的沉积物装入柱状沉积物采集管1中，保持水土界面的原始特征。柱状沉积物采集管1壁上的螺母接口8是用于固定图3所示的间隙水采样器9，便于间隙水采样器的装卸。采样时将底座、顶盖及间隙水采样器卸掉，样品采集后，将漏斗式底座10、顶盖5及间隙水采集器9装上，柱体1与漏斗式底座10用图4所示的锁紧装置固定。操作时用在氮气氛围下取走间隙水采样器9，防止间隙水采样器9插入沉积物7后对其环境条件的改变。通过顶盖5上设置的通气阀4向顶盖5与上覆水6构成的腔体中注入氮气，以调整腔体内的缺氧程度(DO＜0.5mg/L)。
本实施例在使用时，将锁紧圈20环绕在柱体1和漏斗式底座10对口结合处，使用柱体1和漏斗式底座10凸缘卡合在锁紧圈20内侧的凹槽内，锁紧圈20的两头端口插接配合后，用螺栓22和羊角螺帽23锁紧。漏斗式底座10与柱体1相接处都为磨砂玻璃口12，以保持良好的密封性。底座的一端为石英隔板13，石英隔板13带微孔，既可以固定沉积物7，又可以将沉积物7中的渗滤水漏到漏斗式底座10中。漏斗式底座10底部带有活塞11，便于采集沉积物渗滤水，使用时将活塞11打开。
漏斗式底座的下部10与顶盖5的上部之间设置连通管2和三通阀12，连通管2上设有循环泵3，通过循环泵3实现渗滤底液循环至上覆水6及外部水的补给。间隙水采集器9采样端为微孔聚乙烯采样管15，通过带螺纹的穿板接头17与抽样管连接对间隙水进行采集，间隙水采样器的采样装置可拆卸连接。
本实施例在做汞沉积物中垂直分布时，需将间隙水采样器9、漏斗式底座10及顶盖5拆除，用推杆将柱体1中的沉积物7从下往上推出，不破坏沉积物的结构，推出后将其分层进行实验分析。
本实施例中，沉积物采自柘林湾海水养殖区，用间隙水采样器采集间隙水，用推杆将沉积物推出并分层采集沉积物，测试仪器为RA-915+塞曼原子吸收光谱仪，同步萃取法萃取沉积物各层(0～1cm，1～3cm，3～5cm)汞的弱酸提取态，还原态，有机质结合态，硫化物结合态。间隙水采集高度1.5cm，间隙水含量为0.63μg·L-1，沉积物各层汞形态分布如下表1所示。
表1各层沉积物汞形态分布
实施例2：
研究间隙水中汞存在形式的实验装置
本实施例中，沉积物采自柘林湾海水养殖区，加入无机汞浓度为500μg·L-1的自配海水溶液，平衡3天后取样，用间隙水采样器采集间隙水2份，一份直接测定，另一份进行微波消解后测定，测试仪器为RA-915+塞曼原子吸收光谱仪。上履水及间隙水中汞含量如下表2所示。
表2间隙水中汞的存在形式
使用现有的其他方法对本实施例1和实施例2中的沉积物做检测，得到的沉积物各层汞形态分布与表1中的数据误差不超过8％，间隙水中汞含量与表2中的数据误差不超过5％，由此看来，本发明公开的汞形态的动态模拟实验装置可以对沉积物样品做汞形态原位模拟研究。
以上对本发明提供的一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置进行了详细的介绍，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的技术方案及其核心思想，应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置，其特征在于，包括放置采集的柱状沉积物样品的沉积物采集管、设置于所述的沉积物采集管上部的顶盖和设置于所述的沉积物采集管底部的漏斗式底座，所述的漏斗式底座的一端为微孔石英隔板，所述的微孔石英隔板与沉积物采集管底部连接，所述的漏斗式底座的另一端设置有活塞，所述的漏斗式底座的下部与顶盖的上部设置有连通管，连通管使漏斗式底座中的渗滤底液通过顶盖进入沉积物采集管，所述的连通管与活塞之间设置有三通阀，所述的连通管上设置有循环泵，所述的沉积物采集管的一侧设置有间隙水采集器，所述的间隙水采集器包括设置于所述的沉积物采集管内部的微孔采样管，微孔采样管通过聚乙烯采样管连接口与带螺纹的穿板接头连接，聚乙烯采样管连接口贯穿沉积物采集管，所述的带螺纹的穿板接头与抽样管连接口连接，通过抽样管连接口连接抽样管对间隙水进行采集。
2.根据权利要求1所述的用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置，其特征在于，所述的沉积物采集管与漏斗式底座通过锁紧装置固定连接，所述的锁紧装置包括环绕设置于沉积物采集管和漏斗式底座结合处的锁紧圈，所述的锁紧圈两端插接，所述的锁紧圈的连接处还设置有防松装置，所述的防松装置包括设置在锁紧圈连接处的螺栓和与所述的螺栓连接的螺帽。
3.根据权利要求2所述的用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置，其特征在于，所述的锁紧圈内侧设有用于卡合沉积物采集管和漏斗式底座凸缘的凹槽。
4.根据权利要求1所述的用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置，其特征在于，所述的沉积物采集管与漏斗式底座的相接面为磨口玻璃。
5.根据权利要求1所述的用于研究缺氧/厌氧沉积物中汞形态的动态模拟试验装置，其特征在于，所述的顶盖与沉积物采集管可拆卸连接。
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