CN109856172A - 一种固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置及其应用，该模拟装置适用于模拟各类工况环境，尤其是温度压力耦合条件下煤矸石中重金属污染物释放动态实时监控和数据在线分析，所述淋滤装置包括淋滤状态模拟单元、压力供水供气单元和重金属污染物在线监测与数据处理单元，所述淋滤状态模拟单元中设置有水雾空间、样品装填空间和淋滤液收集空间，所述淋滤状态模拟单元还具有热浴加热功能；所述压力供水供气单元可以向所述淋滤状态模拟单元提供具有一定压力的喷淋液和气体；所述重金属污染物在线监测与数据处理单元可以实现煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度的实时监测和数据在线处理。本发明装置结构简单，操作方便，且装置自动化和智能化程度高，动态淋滤模拟效果精确度高。

Description

一种固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的 模拟装置及其应用

技术领域

本发明属于固体废弃物环境污染监测领域，尤其是涉及一种煤矸石中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，本发明还涉及该模拟装置的具体应用。

背景技术

煤矸石是在煤炭开采和选煤厂生产过程中排出的碳质岩、泥质岩、砂质岩、粉沙岩和少量石灰石的混合物，它是上述两种生产过程中排放的废弃物。煤炭每生产1亿吨，煤矸石排放量约1400万吨，其中1亿吨炼焦煤洗选后排放约2000万吨煤矸石，1亿吨动力煤洗选后排放1500万吨煤矸石，因此目前我国煤矸石累计堆存量和年排放量是世界上最多的国家之一。煤矸石在雨水不断地冲刷作用下形成酸性水，并使大量的悬浮物和有机物进入周围环境，造成周围环境被严重污染。国内外对该领域的研究绝大部分都是在实验室内采用煤矸石静态浸泡和动态淋滤将污染物溶下，然后采用各种化学手段将污染物提取到一定浓度，并进行相关检测和分析，从而获得污染物的释放规律和机理，并依据该结果对煤矸石山在矿区环境影响中的作用进行质量评价。

目前，对矸石中有害元素的环境污染潜力研究主要通过淋溶和浸泡实验来实现，但是淋溶试验均是淋溶试验、数据监测和分析都是分开进行，实验过程需要经过繁杂的重金属离子人工提取步骤，而人工操作过程容易出现较大的误差和操作失误，造成实验结果的精确性和可靠性普遍较差。虽然目前，也有学者提出对淋滤过程中重金属污染物动态释放过程进行实时动态监控和在线分析的思路并设计了一些淋滤装置，但是这类淋滤装置或多或少存在着装置不能够完全模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态、淋滤装置太复杂或淋滤装置用途比较单一、性价比较高等缺点。因此，提供一种不但能够模拟煤矸石在淋滤状态下对重金属污染物释放动态进行实时动态监控和在线分析的淋滤装置，而且能够用于其他场合的煤矸石环境污染的动态监测装置显得十分必要。

发明内容

本发明的目的是提供了一种煤矸石中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，本发明模拟装置可以通过控温和控压来模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态，为煤矸石对环境的污染研究提供了一种新的装置和途径。此外，本发明淋滤装置可以通过控制煤矸石样品在淋滤状态下的温度和压力条件，从而模拟煤矸石作为井下充填物，在井下一定的温度和压力条件下，重金属污染物动态淋滤释放过程，因此，本发明淋滤装置还可以适用于井下充填污染物动态淋滤释放的规律的研究。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括淋滤状态模拟单元、压力供水供气单元和重金属污染物在线监测与数据处理单元；

所述淋滤状态模拟单元为一个由内壳体和外壳体构成的固定于底座上的可密封样品容器，所述可密封样品容器由密封螺母通过高压法兰密封盖进行密封；所述内壳体的外壁与所述外壳体的内部空间形成一个可加注液体热浴介质的空腔；所述内壳体中内壁的上部位置、中部位置对称设置两组可收缩的突出挡块，所述可收缩的突出挡块上分别放置表面上均匀布满一定直径小孔的挡板和表面上均匀布满一定直径小孔的载样板；所述高压法兰密封盖与所述内壳体的内壁和挡板围成水雾空间，所述挡板与所述内壳体的内壁和载样板围成样品装填空间，所述载样板与所述内壳体的内壁和底璧围成淋滤液收集空间；所述内壳体的底璧设有可将淋滤液收集空间内收集的淋滤液排放至所述可密封样品容器外的排液管；所述外壳体的上部留有可密封的注水口，内壁底部设置有加热管、搅拌器和温度传感器，下部侧表面留有可密封的出水口；

所述压力供水供气单元由具有液量显示功能的容器、高压水泵、高压水雾喷头、带有压力表的高压气体瓶和集气箱组成；所述具有液量显示功能的容器通过高压水泵作用向设置在水雾空间顶端的水雾喷头提供具有一定压力的喷淋液；所述高压气体瓶的出气口连接集气箱，所述集气箱通过上部高压进气管和下部高压进气管分别向所述内壳体提供一定压力的气体；所述压力供水供气单元通过调节喷淋液的喷洒速率和煤矸石样品装填空间上部挡板和下部载样板之间的压力差，从而模拟煤矸石在雨水、地表水或矿井水的淋滤状态下重金属污染物释放过程；

所述重金属污染物在线监测与数据处理单元由上部压力传感器、下部压力传感器、X射线荧光传感器、计算机数据处理器与电脑显示器终端组成；所述上部压力传感器的一端伸入所述压力水雾空间的顶端，另一端与设置在所述计算机数据处理器低端的上部压力传感器端口连接；所述下部压力传感器的一端伸入所述淋滤液收集空间的顶端，另一端与设置在所述计算机数据处理器底端的下部压力传感器端口连接；所述X射线荧光传感器连接有X射线荧光探头的一端伸入所述淋滤液收集空间的底端，另一端与设置在所述计算机数据处理器底端的X射线荧光传感器端口连接；

所述重金属污染物在线监测与数据处理单元通过设置在X射线荧光传感器一端的X射线荧光探头对所述淋滤液收集空间底部收集的煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度进行监测并将监测到的重金属离子浓度信号实时传输给所述计算机数据处理器，所述计算机数据处理器接收并记录每次测试点重金属离子浓度信号并进行数据分析和转化处理，然后显示于所述电脑显示器终端，从而实现煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析。

进一步地，所述固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置中，底座上设置有温度显示仪、转速控制仪和电源开关。

采用上述技术手段，在所述空腔内可加注液体热浴介质如蒸馏水后，就可以实现对所述可密封样品容器提供一定温度的热浴环境，从而模拟煤矸石作为井下充填物，在井下处于一定的地下温度环境下，煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析及释放规律的研究。

进一步地，所述挡板为高进气抗水压力板。

进一步地，所述载样板为高进气陶土板。

进一步地，所述集气箱上设置有可调节所述内壳体内气体压力的放空阀。

进一步地，所述上部高压进气管和高压气体瓶之间的管路上，以及所述下部高压进气管和高压气体瓶之间的管路上分别设置有高压气体截止阀。

进一步地，所述高压水泵与高压水路管线之间的管线上设置有电磁控制阀。

在利用本发明固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置进行实验的过程中，通过高压气体瓶为所述内壳体提供一定的压力环境，从而可以模拟煤矸石作为井下充填物，在井下处于一定的地表压力环境下，煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析及释放规律的研究。

一种上述固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置模拟在一定压力条件和/或一定温度条件下固体废弃物中重金属污染物释放动态的淋滤实验研究过程中的应用。

进一步地，上述固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置在模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时，在井下特定温度和压力耦合条件下，煤矸石中重金属污染物释放规律的动态淋滤研究过程中的应用。

再进一步地，上述固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置在模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时煤矸石中重金属污染物释放规律研究的应用，其操作方法为：步骤1），首先采用经验公式估算不同深度地下的温度和压力，然后在样品装填空间内的载样板上放置一块大小合适的滤纸，再将一定质量的煤矸石样品装填在所述滤纸上，平稳放置挡板，盖好上部高压法兰密封盖，并用密封螺母将其密紧；步骤2），开启电脑，检查传感器电路是否正常，若正常，依次开启高压气体瓶、高压气体截止阀，向放置样品的内壳体内充压，当压力达到步骤1）估算的实验设计压力值时停止充压，检查气路气密性是否完好，当压力无任何泄露时，排放淋滤液收集空间内部分气体，使得水雾空间内气体压力和淋滤液收集空间内气体压力的压差维持在恒定值；步骤3），在可密封样品容器的空腔内注入液体热浴介质，同时在具有液量显示功能的容器中注满去离子水或矿井水，然后开启底座电源开关，分别调节温度显示仪和转速控制仪，在搅拌器搅拌下，由加热管对空腔内液体热浴介质加热至步骤1）估算的实验设计温度，然后调节电磁控制阀，开启高压水泵，开始煤矸石动态淋滤实验；步骤4），当所述具有液量显示功能的容器中的去离子水或矿井水全部被抽完时，关闭高压水泵和电磁阀控制阀，淋滤液中重金属离子浓度数据恒定后，缓慢开启气体截止阀和放压阀排空内壳体内气体，然后关闭计算机数据处理器和电脑显示器终端控制单元，打开排液阀排空内壳体内淋滤液，然后再打开高压密封法兰盖，取出煤矸石样品，清洗内壳体，放掉空腔内液体热浴介质，实验过程完毕。

本发明一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置所取得的有益效果如下：

（1）本发明淋滤装置具有结构简单，使用、操作方便，安全可靠的优点，采用本发明淋滤装置分析煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实验过程可以实现自动化控制，重金属污染物离子浓度信号能够在线监测，并实时并进行数据分析和转化处理，然后显示于电脑显示器终端，克服了传统的分析实验过程中繁杂的重金属提取过程，而且测试结果精确性和可靠性高，克服了现有技术中大部分的仪器设备人工操作容易出现误差的缺陷。

（2）本发明淋滤装置还可以应用于模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时，在淋滤状态下，煤矸石中重金属污染物释放规律的研究。实验时，首先采用经验公式估算不同深度地下温度和压力，然后在可密封样品容器的空腔内可加注液体热浴介质如蒸馏水后，然后接通电源，打开装置中的加热管、搅拌器和温度传感器，打开高压气体瓶及内壳体上的上部高压进气管和下部高压进气管官路上的高压气体截止阀，调节装置内煤矸石样品装填空间内的温度和压力，使其恒定维持在设计值，从而可用于模拟井下温度和压力耦合下煤矸石污染物释放动态的淋滤实验研究，为井下充填煤矸石对环境造成污染的研究开辟了一种新途径和新方法。

附图说明

图1为本发明一种优选的淋滤装置结构和部件连接示意图；

图2为图1中本发明一种优选的淋滤装置的使用状态示意图；

图中，1-密封螺母、2-高压法兰密封盖、3-注水口密封盖、4-注水口、5-内壳体、6-加热管、7-温度显示仪、8-底座、9-电源开关、10-转速控制仪、11-出水口、12-出水口密封盖、13-温度传感器、14-搅拌器、15-空腔、16-外壳体、17-水雾喷头、18-挡板、19-突出挡块、20-滤纸、21-煤矸石样品、22-载样板、23-突出挡块、24-X射线荧光探头、25-气体截止阀、26-下部高压进气管、27-带有压力表的高压气体瓶、28-集气箱、29-气体截止阀、30-上部高压进气管、31-高压水路管线、32-电磁控制阀、33-高压水泵、34-具有液量显示功能的容器、35-放空阀、36-淋滤液收集空间、37-样品装填空间、38-水雾空间、39-上部压力传感器、40-下部压力传感器、41-X射线荧光传感器、42-排液管、43-排液阀、44-排液口、45-上部压力传感器端口、46-下部压力传感器端口、47-X射线荧光传感器端口、45-计算机数据处理器、49-电脑显示器终端。

具体实施方式

下面结合附图，通过本发明的一种优选的实施例的装置结构、原理及使用方法和应用阐述，从而对本发明的结构、原理进行进一步说明。

图1为本发明一种优选的淋滤装置结构和部件连接示意图。如图1、图2所示，本发明一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置，包括淋滤状态模拟单元、压力供水供气单元和重金属污染物在线监测与数据处理单元。

所述淋滤状态模拟单元为一个由内壳体5和外壳体16构成的固定于底座8上的可密封样品容器，所述可密封样品容器由密封螺母1通过高压法兰密封盖2进行密封。所述内壳体5和外壳体16优选由不锈钢材料制成。所述内壳体5中内壁的上部位置、中部位置对称设置两组可收缩的突出挡块19、23，该可收缩的突出挡块19、23上分别放置表面上均匀布满一定直径小孔的挡板18和表面上均匀布满一定直径小孔的载样板22。所述高压法兰密封盖2与所述内壳体5的内壁和挡板18围成水雾空间38，所述挡板18与所述内壳体5的内壁和载样板21围成样品装填空间36，所述载样板22与所述内壳体5的内壁和底璧围成淋滤液收集空间37。所述内壳体5的底璧设有可将淋滤液收集空间37内收集的淋滤液排放至所述可密封样品容器外的排液管42。所述外壳体16的上部留有可密封的注水口4，内壁底部设置有加热管6、搅拌器14和温度传感器13，下部侧表面留有可密封的出水口11。所述底座8上设置有温度显示仪7、转速控制仪10和电源开关9。

所述压力供水供气单元由具有液量显示功能的容器34、高压水泵33、高压水雾喷头17、带有压力表的高压气体瓶27和集气箱28组成。所述具有液量显示功能的容器34可以通过高压水泵33作用向设置在水雾空间38顶端的水雾喷头17提供具有一定压力的喷淋液。所述带有压力表的高压气体瓶27的出气口连接集气箱28，所述集气箱28通过上部高压进气管30和下部高压进气管26由分别向所述内壳体5提供一定压力的气体。

所述重金属污染物在线监测与数据处理单元由上部压力传感器39、下部压力传感器40、X射线荧光传感器41、计算机数据处理器44与电脑显示器终端45组成。所述上部压力传感器39的一端伸入所述水雾空间38的顶端，另一端与设置在所述计算机数据处理器44低端的上部压力传感器端口41连接。所述下部压力传感器40的一端伸入所述淋滤液收集空间37的顶端，另一端与设置在所述计算机数据处理器44底端的下部压力传感器端口42连接。所述X射线荧光传感器41连接有X射线荧光探头24的一端伸入所述淋滤液收集空间37的底端，另一端与设置在所述计算机数据处理器44底端的X射线荧光传感器端口43连接。

所述重金属污染物在线监测与数据处理单元通过设置在X射线荧光传感器39一端的X射线荧光探头24对所述淋滤液收集空间37底部收集的煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度进行监测并将监测到的重金属离子浓度信号实时传输给所述计算机数据处理器44，所述计算机数据处理器44接收并记录每次测试点重金属离子浓度信号并进行数据分析和转化处理，然后显示于所述电脑显示器终端45，从而实现煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析。

一种更为优选的技术方案为，上述一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置中，所述挡板18为高进气抗水压力板。

另一种更为优选的技术方案为，上述一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置中，所述载样板22为高进气陶土板。

再一种更为优选的技术方案为，上述一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置中，所述具有液体容量显示功能的容器33为带有刻度的透明水桶或水箱。所述具有液体容量显示功能的容器33也可以为其他具有类似功能的容器，如带有标有刻度的可视窗口的水桶或水箱，或者为带有标有显示液量刻度的浮标的水桶或水箱。

再一种更为优选的技术方案为，上述一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置中，所述集气箱28上设置有可调节所述内壳体5内气体压力的放空阀34。

再一种更为优选的技术方案为，上述一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置中，所述上部高压进气管30和带有压力表的高压气体瓶27之间的管路上，以及所述下部高压进气管26和带有压力表的高压气体瓶27之间的管路上分别设置有气体截止阀29、24。

再一种更为优选的技术方案为，上述一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置中，所述高压水泵33与高压水路管线31之间的管线上设置有电磁控制阀32。

再一种更为优选的技术方案为，上述一种模拟煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的淋滤装置中，所述带有压力表的高压气体瓶27为高压空气瓶或高压氮气瓶。

本发明装置可以应用于各种含重金属的工业废弃物（包括采矿废石、冶炼废渣、各种煤矸石、炉渣等）等固体废物在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实验研究过程。本发明说明书中应用例仅以煤矸石为例，举例说明本发明淋滤装置的应用及使用方法。需要指出的是，在实际应用过程中，所采用的煤矸石样品可以为新鲜煤矸石、半风化煤矸石、风化煤矸石中的一种或两种以上混合物。

应用例1。

本应用例为采用本发明淋滤装置模拟煤矸石在普通淋滤状态下重金属污染物释放动态的实验过程。

实验时，首先将内壳体5内部清洗干净，然后挤压可收缩的突出挡块19将载样板22放置于可收缩的突出挡块23上，然后在所述载样板22上放置一块大小合适的滤纸20，然后再将一定质量的煤矸石样品21装填在滤纸上，再将挡板18平稳放置于可收缩的突出挡块18上，盖好上部高压法兰密封盖2，并用密封螺母1将其密紧。开启电脑，检查X射线荧光传感器电路是否正常。然后，调整电磁控制阀32达到一定流量，开启高压水泵33，将所述具有液量显示功能的容器34中的水抽送至水雾喷头17，开始煤矸石动态淋滤实验。

实验过程中，X射线荧光光谱探头23每20分钟对煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给计算机数据处理器44，计算机数据处理器44接收并记录每次测试点重金属离子浓度信号并进行数据分析和转化处理，然后显示于所述电脑显示器终端45，从而实现煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析。

当所述具有液量显示功能的容器34中的水全部被抽完时，关闭高压水泵33和电磁阀控制阀32，通过电脑显示器终端45监测淋滤液收集空间37内底部的重金属离子浓度数据长时间不再发生改变后，关闭计算机数据处理器44和电脑显示器终端45控制单元，打开排液阀43，通过排液管42由排液口44将淋滤液收集空间37收集的淋滤液排放至所述可密封样品容器外，然后再打开密封螺母1，取下高压密封法兰盖2，将内壳体5内煤矸石样品取出，清洗内壳体5，最后打开位于所述外壳体16下部侧表面的出水口密封盖12，放掉空腔15内液体热浴介质，实验过程完毕。

应用例2。

本应用例为采用本发明淋滤装置模拟煤矸石在一定压力条件下重金属污染物释放动态的淋滤实验过程。

实验时，首先将内壳体5内部清洗干净，然后挤压可收缩的突出挡块19将载样板22放置于可收缩的突出挡块23上，然后在所述载样板22上放置一块大小合适的滤纸20，然后再将一定质量的煤矸石样品21装填在滤纸上，再将挡板18平稳放置于可收缩的突出挡块18上，盖好上部高压法兰密封盖2，并用密封螺母1将其密紧。开启电脑，检查高压传感器电路、X射线荧光传感器电路是否正常。开启高压气体瓶26，将上下部气体截止阀29、24开启相同宽度，同时给放置样品的内壳体5内充压。当充压达到实验设计值时停止充压，通过上部压力传感器39、下部压力传感器40监测水雾空间38、淋滤液收集空间37的压力，如果压力读数持续两小时未发生变化，则说明气密性良好，即可开始后续实验，否则需要放掉压力重新密封检测直至气密性良好。如果气密性检查良好，排放淋滤液收集空间37的部分气体，保证水雾空间38内气体压力大于淋滤液收集空间37内气体压力，且两部分的压差维持在设计值。若该过程中，水雾空间38内气体压力或者淋滤液收集空间37内气体压力因操作原因未达到设计值，则可通过气体截止阀29、24和放压阀35及时补压和卸压，从而保证水雾空间38内气体压力、淋滤液收集空间37内气体压力达到设计值，以及两部分的压差维持在恒定的设计值。然后，调整电磁控制阀32达到一定流量，开启高压水泵33，将所述具有液量显示功能的容器34中的水抽送至水雾喷头17，开始煤矸石动态淋滤实验。

实验过程中，X射线荧光光谱探头23每20分钟对煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给计算机数据处理器44，计算机数据处理器44接收并记录每次测试点重金属离子浓度信号并进行数据分析和转化处理，然后显示于所述电脑显示器终端45，从而实现煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析。

当所述具有液量显示功能的容器34中的水全部被抽完时，关闭高压水泵33和电磁阀控制阀32，通过电脑显示器终端45监测淋滤液收集空间37内底部的重金属离子浓度数据长时间不再发生改变后，缓慢开启气体截止阀29、24和放压阀35将所述内壳体5内的气体排空至常压，关闭计算机数据处理器44和电脑显示器终端45控制单元，打开排液阀43，通过排液管42由排液口44将淋滤液收集空间37收集的淋滤液排放至所述可密封样品容器外，然后再打开密封螺母1，取下高压密封法兰盖2，将内壳体5内煤矸石样品取出，清洗内壳体5，最后打开位于所述外壳体16下部侧表面的出水口密封盖12，放掉空腔15内液体热浴介质，实验过程完毕。

应用例3

本应用例为采用本发明淋滤装置模拟煤矸石在一定温度条件下重金属污染物释放动态的淋滤实验过程。

实验时，首先采用经验公式估算不同深度地下温度和压力。然后，将内壳体5内部清洗干净，挤压可收缩的突出挡块19将载样板22放置于可收缩的突出挡块23上，然后在所述载样板22上放置一块大小合适的滤纸20，然后再将一定质量的煤矸石样品21装填在滤纸上，再将挡板18平稳放置于可收缩的突出挡块18上，盖好上部高压法兰密封盖2，并用密封螺母1将其密紧。开启电脑，检查温度传感器电路、X射线荧光传感器电路是否正常。然后打开注水口密封盖4，将液体热浴介质如蒸馏水注入所述可密封样品容器中由所述内壳体5的外壁与所述外壳体16的内部空间形成的空腔15内，达到一定高度后，停止注水，同时在所述具有液量显示功能的容器34中注满去离子水或矿井水，然后开启底座8电源开关9，分别调节温度显示仪7和转速控制仪10至设计值，在搅拌器14搅拌下，由加热管6对空腔15内液体热浴介质加热转动。通过温度传感器13显示热浴介质温度达到设定温度时，调整电磁控制阀32达到一定流量，开启高压水泵33，将所述具有液量显示功能的容器34中的水抽送至水雾喷头17，开始煤矸石动态淋滤实验。

实验过程中，X射线荧光光谱探头23每20分钟对煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给计算机数据处理器44，计算机数据处理器44接收并记录每次测试点重金属离子浓度信号并进行数据分析和转化处理，然后显示于所述电脑显示器终端45，从而实现煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析。

当所述具有液量显示功能的容器34中的水全部被抽完时，关闭高压水泵33和电磁阀控制阀32，通过电脑显示器终端45监测淋滤液收集空间37内底部的重金属离子浓度数据长时间不再发生改变后，关闭计算机数据处理器44和电脑显示器终端45控制单元，打开排液阀43，通过排液管42由排液口44将淋滤液收集空间37收集的淋滤液排放至所述可密封样品容器外，然后再打开密封螺母1，取下高压密封法兰盖2，将内壳体5内煤矸石样品取出，清洗内壳体5，最后打开位于所述外壳体16下部侧表面的出水口密封盖12，放掉空腔15内液体热浴介质，实验过程完毕。

应用例4

本应用例为采用本发明淋滤装置模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时，在井下温度和压力耦合条件下，煤矸石中重金属污染物释放规律的动态淋滤研究过程。

如图2所示，实验时，首先采用经验公式估算不同深度地下温度和压力。然后，将内壳体5内部清洗干净，挤压可收缩的突出挡块19将载样板22放置于可收缩的突出挡块23上，然后在所述载样板22上放置一块大小合适的滤纸20，然后再将一定质量的煤矸石样品21装填在滤纸上，再将挡板18平稳放置于可收缩的突出挡块18上，盖好上部高压法兰密封盖2，并用密封螺母1将其密紧。开启电脑，检查温度传感器电路、高压传感器电路和X射线荧光传感器电路是否正常。开启高压气体瓶26，将高压气体截止阀29、24开启相同宽度，同时给放置样品的内壳体5内充压。当充压达到实验设计值时停止充压，通过上部压力传感器39、下部压力传感器40监测水雾空间38、淋滤液收集空间37的压力，如果压力读数持续两小时未发生变化，则说明气密性良好，即可开始后续实验，否则需要放掉压力重新密封检测直至气密性良好。如果气密性检查良好，排放淋滤液收集空间37的部分气体，保证水雾空间38内气体压力大于淋滤液收集空间37内气体压力，且两部分的压差维持在设计值。若该过程中，水雾空间38内气体压力或者淋滤液收集空间37内气体压力因操作原因未达到设计值，则可通过气体截止阀29、24和放压阀35及时补压和卸压，从而保证水雾空间38内气体压力、淋滤液收集空间37内气体压力达到设计值，以及两部分的压差维持在恒定的设计值。然后，打开注水口密封盖4，将液体热浴介质如蒸馏水注入所述可密封样品容器中由所述内壳体5的外壁与所述外壳体16的内部空间形成的空腔15内，达到一定高度后，停止注水，同时在所述具有液量显示功能的容器34中注满去离子水或矿井水，然后开启底座8电源开关9，分别调节温度显示仪7和转速控制仪10至设计值，在搅拌器14搅拌下，由加热管6对空腔15内液体热浴介质加热转动。通过温度传感器13显示热浴介质温度达到设定温度时，调整电磁控制阀32至一定开度，开启高压水泵33，将所述具有液量显示功能的容器34中的水抽送至水雾喷头17，开始煤矸石动态淋滤实验。

实验过程中，X射线荧光光谱探头23每20分钟对煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度进行监测，将监测到的重金属离子浓度信号传给计算机数据处理器44，计算机数据处理器44接收并记录每次测试点重金属离子浓度信号并进行数据分析和转化处理，然后显示于所述电脑显示器终端45，从而实现煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析。

当所述具有液量显示功能的容器34中的水全部被抽完时，关闭高压水泵33和电磁阀控制阀32，通过电脑显示器终端45监测淋滤液收集空间37内底部的重金属离子浓度数据长时间不再发生改变后，缓慢开启气体截止阀29、24和放压阀35将所述内壳体5内的气体排空至常压，关闭计算机数据处理器44和电脑显示器终端45控制单元，打开排液阀43，通过排液管42由排液口44将淋滤液收集空间37收集的淋滤液排放至所述可密封样品容器外，然后再打开密封螺母1，取下高压密封法兰盖2，将内壳体5内煤矸石样品取出，清洗内壳体5，最后打开位于所述外壳体16下部侧表面的出水口密封盖12，放掉空腔15内液体热浴介质，实验过程完毕。

以下为应用例2中，采用本发明淋滤装置模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时，在具体的井下温度和压力耦合条件下，煤矸石中重金属污染物释放规律的动态淋滤研究过程的温度压力条件及重金属检测结果。

首先采用经验公式估算不同深度地下温度和压力。地下温度和地下压力参数数值的经验公式：

T=0.030H+T₀

P=0.023H

式中：0.030—地温梯度，3℃/100m；

H—地下深度，m；

T₀—当地地表年平均气温，℃；

例如，地下深度为500m时，相应500m井下环境温度为29℃，压强11.49MPa；地下深度为700m时，相应700m井下环境温度为35℃，压强16.1MPa。

以下具体应用例仅以地下深度为500m为例，煤矸石样品采用不同直径的大同新鲜煤矸石，用量为500g，进一步说明本发明淋滤装置模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时，在具体的井下温度和压力耦合条件下，煤矸石中重金属污染物释放规律的动态淋滤应用与研究过程。

实验过程中，开启高压气体瓶26后，将高压气体截止阀29、24开启相同宽度，同时给放置样品的内壳体5内充压，当充压达到11.49MPa时停止充压，保持读数持续两小时，压力不发生变化后，将样品容器内下部的淋滤液收集空间37的气体压力降低2atm。然后，开启底座8电源开关9后，将温度显示仪调至29℃、转速控制仪调至2000rap/min，开始搅拌加热。当温度达到设定温度29℃时，调整电磁控制阀32达到一定流量，保证煤矸石与水的液固比为1:1，开启高压水泵33，将所述具有液量显示功能的容器34中的水抽送至水雾喷头17，开始煤矸石动态淋滤实验。该实验过程中，所述具有液量显示功能的容器34中的注入去离子水。部分时间段重金属监测数据见表1。

表1

上述监测数据表明，本发明淋滤装置可以很好地应用于模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时，在井下特定的温度和压力耦合条件下煤矸石中重金属污染物的动态淋滤释放规律的研究，在扩大本发明淋滤装置用途的同时，还为井下充填煤矸石对环境造成污染的研究提供了一种新的淋滤装置，因而本发明淋滤装置相对于现有的煤矸石淋滤装置或试验装置具有较大的实用价值和推广应用价值。

需要说明的是，以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，利用上述技术内容在本发明精神的教导下所做的些许改进或变形，均仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，其特征在于，所述模拟装置包括淋滤状态模拟单元、压力供水供气单元和重金属污染物在线监测与数据处理单元；

所述淋滤状态模拟单元为一个由内壳体（5）和外壳体（16）构成的固定于底座（8）上的可密封样品容器，所述可密封样品容器由密封螺母（1）通过高压法兰密封盖（2）进行密封；所述内壳体（5）的外壁与所述外壳体（16）的内部空间形成一个可加注液体热浴介质的空腔（15）；所述内壳体（5）中内壁的上部位置、中部位置对称设置两组可收缩的突出挡块（19、23），该可收缩的突出挡块（19、23）上分别放置表面上均匀布满一定直径小孔的挡板（18）和表面上均匀布满一定直径小孔的载样板（22）；所述高压法兰密封盖（2）与所述内壳体（5）的内壁和挡板（18）围成水雾空间（38），所述挡板（18）与所述内壳体（5）的内壁和载样板（21）围成样品装填空间（36），所述载样板（22）与所述内壳体（5）的内壁和底璧围成淋滤液收集空间（37）；所述内壳体（5）的底璧设有可将淋滤液收集空间（37）内收集的淋滤液排放至所述可密封样品容器外的排液管（42）；所述外壳体（16）的上部留有可密封的注水口（4），内壁底部设置有加热管（6）、搅拌器（14）和温度传感器（13），下部侧表面留有可密封的出水口（11）；

所述压力供水供气单元由具有液量显示功能的容器（34）、高压水泵（33）、高压水雾喷头（17）、带有压力表的高压气体瓶（27）和集气箱（28）组成；所述具有液量显示功能的容器（34）通过高压水路管线（31）由高压水泵（33）作用向设置在水雾空间（38）顶端的水雾喷头（17）提供具有一定压力的喷淋液；所述带有压力表的高压气体瓶（27）的出气口连接集气箱（28），所述集气箱（28）通过上部高压进气管（30）和下部高压进气管（26）分别向所述内壳体（5）提供一定压力的气体；

所述重金属污染物在线监测与数据处理单元由上部压力传感器（39）、下部压力传感器（40）、X射线荧光传感器（41）、计算机数据处理器（44）与电脑显示器终端（45）组成；所述上部压力传感器（39）的一端伸入所述压力水雾空间（38）的顶端，另一端与设置在所述计算机数据处理器（44）底端的上部压力传感器端口（41）连接；所述下部压力传感器（40）的一端伸入所述淋滤液收集空间（37）的顶端，另一端与设置在所述计算机数据处理器（44）底端的下部压力传感器端口（42）连接；所述X射线荧光传感器（41）连接有X射线荧光探头（24）的一端伸入所述淋滤液收集空间（37）的底端，另一端与设置在所述计算机数据处理器（44）底端的X射线荧光传感器端口（43）连接；

所述重金属污染物在线监测与数据处理单元通过设置在X射线荧光传感器（39）一端的X射线荧光探头（24）对所述淋滤液收集空间（37）底部收集的煤矸石淋滤液中的重金属离子浓度进行监测并将监测到的重金属离子浓度信号实时传输给所述计算机数据处理器（44），所述计算机数据处理器（44）接收并记录每次测试点重金属离子浓度信号并进行数据分析和转化处理，然后显示于所述电脑显示器终端（45），从而实现煤矸石在淋滤状态下重金属污染物释放动态的实时动态监测分析。

2.如权利要求1所述的固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，其特征在于，所述挡板（18）为高进气抗水压力板。

3.如权利要求1所述的固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，其特征在于，所述载样板（22）为高进气陶土板。

4.如权利要求1所述的固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，其特征在于，集气箱（28）上设置有可调节所述内壳体（5）内气体压力的放空阀（34）；上部高压进气管（30）和带有压力表的高压气体瓶（27）之间的管路上，以及所述下部高压进气管（26）和带有压力表的高压气体瓶（27）之间的管路上分别设置有气体截止阀（29、25）；高压水泵（33）与高压水路管线（31）之间的管线上设置有电磁控制阀（32）。

5.如权利要求1所述的固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，其特征在于，底座（8）上设置有温度显示仪（7）、转速控制仪（10）和电源开关（9）。

6.如权利要求1所述的固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置，其特征在于，所述可密封样品容器的内壳体（5）和外壳体（16）均由不锈钢材料制成。

7.一种固体废弃物中重金属污染物释放动态实时监控与分析的模拟装置模拟在一定压力条件和/或一定温度条件下固体废弃物中重金属污染物释放动态的淋滤实验研究过程中的应用，所述模拟装置为权利要求1至6中的任一项所述的模拟装置。

8.根据权利要求7所述应用，其特征在于，所述固体污染物为新鲜煤矸石、半风化煤矸石、风化煤矸石中的一种或两种以上混合物。

9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述应用为模拟煤矸石作为煤矿采空区充填物时，在井下特定温度和压力耦合条件下，煤矸石中重金属污染物释放规律的动态淋滤研究过程。

10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，模拟装置的操作方法为：

步骤1），首先采用经验公式估算不同深度地下的温度和压力，然后在样品装填空间（36）内的载样板（22）上放置一块大小合适的滤纸（20），再将一定质量的煤矸石样品（21）装填在所述滤纸（20）上，平稳放置挡板（18），盖好上部高压法兰密封盖（2），并用密封螺母（1）将其密紧；

步骤2），开启电脑，检查传感器电路是否正常，若正常，依次开启高压气体瓶（26）、高压气体截止阀（29、25），向放置样品的内壳体（5）内充压，当压力达到步骤1）估算的实验设计压力值时停止充压，检查气路气密性是否完好，当压力无任何泄露时，排放淋滤液收集空间（37）内部分气体，使得水雾空间（38）内气体压力和淋滤液收集空间（37）内气体压力的压差维持在恒定值；

步骤3），在可密封样品容器的空腔（15）内注入液体热浴介质，同时在具有液量显示功能的容器（34）中注满去离子水或矿井水，然后开启底座（8）电源开关（9），分别调节温度显示仪（7）和转速控制仪（10），在搅拌器（14）搅拌下，由加热管（6）对空腔（15）内液体热浴介质加热至步骤1）估算的实验设计温度，然后调节电磁控制阀（32），开启高压水泵（33），开始煤矸石动态淋滤实验；

步骤4），当所述具有液量显示功能的容器（34）中的去离子水或矿井水全部被抽完时，关闭高压水泵（33）和电磁阀控制阀（32），淋滤液中重金属离子浓度数据恒定后，缓慢开启气体截止阀（29、25）和放压阀（35）排空内壳体（5）内气体，然后关闭计算机数据处理器（44）和电脑显示器终端（45）控制单元，打开排液阀（43）排空内壳体（5）内淋滤液，然后再打开高压密封法兰盖（2），

取出煤矸石样品，清洗内壳体（5），放掉空腔（15）内液体热浴介质，实验过程完毕。