CN109884281A - 一种在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，包括溶蚀液供应装置、试片溶蚀装置、数据采集装置和电控柜，所述电控柜控制本试验装置中需要供电的各部件的电源通断，其中溶蚀液供应装置产生的溶蚀液送入试片溶蚀装置模拟碳酸盐岩在密封环境以不同流速、不同温度条件下进行溶蚀作用，以及模拟碳酸盐岩在开放环境不同流速、不同温度条件下的溶蚀作用。本发明所述试验装置可实现不同水化学特征、不同温度以及不同水动力条件下的碳酸盐岩溶蚀过程的模拟试验。
Description
技术领域
本发明涉及碳酸盐溶蚀模拟试验装置，具体涉及一种在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置。
背景技术
碳酸盐岩溶蚀过程中会消耗大气中的二氧化碳，溶蚀过程属于潜在的岩溶碳汇过程，对全球碳循环起着重要作用。在岩溶地区进行碳酸盐岩溶蚀速率以及混合溶蚀速率研究，可以客观评价岩溶发育程度，有助于精确计算岩溶碳汇量。为实现简便快速地进行碳酸盐岩溶蚀实验，需要提供一种能实现实时在线观测碳酸盐岩溶蚀，且能模拟封闭条件以及开放条件下碳酸盐岩溶蚀作用的试验装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，该装置可实现不同水化学特征、不同温度以及不同水动力条件下的碳酸盐岩溶蚀过程的模拟试验。
本发明所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，包括溶蚀液供应装置、试片溶蚀装置、数据采集装置和电控柜，所述电控柜控制本试验装置中需要供电的各部件的电源通断，其特征在于：
所述的试片溶蚀装置包括水浴箱、至少一个反应容器、与反应容器数量相当的旋转电机、恒流泵、转速控制面板、流量控制面板和排液稳流装置；其中，
所述的反应容器置于水浴箱内，在水浴箱内还设置有箱体加热器和箱体温度传感器；
所述的反应容器具有一个密封盖，反应容器上开设有一个进液口和一个排液口，其内设有用于置放溶蚀试片的旋转支架，该旋转支架与所述旋转电机的输出轴同轴固接；所述的排液口上连接排液管，在排液管的管路路径上设有排液阀；
所述的排液稳流装置包括一螺杆和与其配套的螺母，所述的排液阀固定于所述的螺母上，所述的螺杆具有足够的高度以使得通过调节螺母在螺杆上的位置从而使排液管的流量与进液流量相等；所述排液稳流装置的数量与反应容器的数量相当；
溶蚀液供应装置提供的溶蚀液通过管路经恒流泵分别与各反应容器的进液口连通，所述流量控制面板上设置有与反应容器数量相当的调速按钮，分别控制进入各反应容器的溶蚀液流量；所述转速控制面板上设置有与反应容器数量相当的旋转按钮，分别控制各反应容器中旋转支架的转速；
所述的数据采集装置包括pH记录仪和电导率记录仪，在进行试验时，所述pH记录仪的pH探头以及电导率记录仪的电导率探头分别置于所述反应容器内的溶蚀液中。
本发明所述技术方案中，所述的溶蚀液供应装置具体包括二氧化碳发生装置和混合罐，其中：
所述混合罐上开设有供二氧化碳气体进入的气体进口以及供液体进出的液体进出口，在混合罐内设有用于加热罐体内溶液的罐体加热器，所述混合罐上还设置有液位管、测量罐体内液体温度的罐体温度传感器、测量罐体内液体pH值的pH计，以及将通入罐体内的二氧化碳气体和液体均匀混合的循环水泵；
所述二氧化碳发生装置上开设有气体出口，该气体出口与混合罐上的气体进口管路连通，在连通路径上设置有减压阀和电磁阀；
由溶蚀液供应装置产生的溶蚀液从液体进出口流出通过管路经恒流泵分别送入各反应容器。
上述溶蚀液供应装置中涉及的二氧化碳发生装置可以是现有技术中能够产生二氧化碳气体的装置，优选为二氧化碳气瓶。
本发明所述技术方案中，所述的电控柜具体包括罐体加热开关、循环水泵开关、pH显示屏、罐体温度显示屏、箱体加热开关和箱体温度显示屏。其中罐体加热开关与罐体加热器电连接，循环水泵开关与循环水泵电连接，pH显示屏与pH计电连接，罐体温度显示屏与罐体温度计电连接，箱体加热开关与箱体加热器电连接，箱体温度显示屏与箱体温度计电连接。本装置中其它需要供电的部件(如恒流泵、转速控制面板、流量控制面板等)可以通过与电控柜连接实现电源的供应，也可以直接连接外部电源。优选电控柜上还设置有电源指示灯和紧急停止开关，以实现在出现意外情况时紧急停止设备的运转。
为了减少水浴箱中的热量散发以实现反应容器内的有效恒温并降低能耗，优选在水浴箱上设置防止水浴箱热量散发的挡板。为了方便移动挡板，优选在挡板上设置把手。
为了便于收集从排液管中排出的液体，本试验装置优选还包括用于收集从排液管中排出的液体的收集容器，所述收集容器的数量与反应容器的数量相当。
本发明所述技术方案中，所述反应容器的数量根据需要确定，通常设置为1-6个。所述旋转电机通常设置在水浴箱外壁上，其输出轴伸入反应容器与旋转支架同轴固接。所述的恒流泵为多通道恒流泵，其通道数量与反应容器数量相当或多于反应容器数量，每一通道对应控制一个反应容器的进液量。当恒流泵为单泵头恒流泵时，恒流泵的数量则与反应容器数量对应，每一恒流泵对应控制一个反应容器的进液量。
与现有技术相比，本发明所述装置的特点在于：
1、本试验装置可模拟碳酸盐岩在开放环境或封闭环境下的溶蚀作用，控制旋转支架转速以及水浴箱温度可模拟碳酸盐岩在密封环境以不同流速、不同温度条件下的溶蚀作用，控制溶液恒流泵流速以及水浴箱温度可模拟碳酸盐岩在开放环境不同流速、不同温度条件下的溶蚀作用。
2、本发明所述装置可通过控制温度传感器以及双制式空调，以保持恒温条件。
3、本发明所述装置设有多个反应容器，可进行批量平行试验。
4、本发明所述装置可实现在线监测溶蚀液的pH和电导率，实时记录岩石试片的溶蚀状态。
5、本发明所述装置可自主调配溶蚀液，既可模拟人类活动影响下碳酸岩盐溶蚀作用亦可模拟碳酸盐岩混合溶蚀作用。
附图说明
图1为本发明所述在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置一种实施方式的结构示意图；
图2为以从桂林市毛村流域打钻孔采集的岩芯加工成溶蚀试片，采用图1所示装置进行溶蚀试验(试验温度为40℃，进入反应容器的溶蚀液的流速为2ml/min)，反应容器内试片溶蚀液中的Ca2+、Mg2+浓度之和与电导率间相关关系图；
图3为以从桂林市毛村流域打钻孔采集的岩芯加工成溶蚀试片，采用图1所示装置进行溶蚀试验(试验温度为40℃，进入反应容器的溶蚀液的流速为5ml/min)，反应容器内试片溶蚀液中的的Ca2+、Mg2+浓度之和与电导率间相关关系图。
图中标号为：
1二氧化碳气瓶、2减压阀、3混合罐、4水气循环管、5pH计、6电磁阀、7气体进口、8循环水泵产、9液位计、10罐体温度传感器、11罐体加热器、12液体进出口、13转速控制面板、14水浴箱、15箱体温度传感器、16箱体加热器、17进液口、18旋转支架、19pH记录仪、20电导率记录仪、21密封盖、22反应容器、23挡板、24把手、25螺杆、26流量控制面板、27收集容器、28恒流泵、29旋转电机、30排液阀、31排液口、32电控柜、33pH显示屏、34罐体温度显示屏、35箱体温度显示屏、36紧急停止开关、37循环水泵开关、38箱体加热开关、39罐体加热开关、40电源指示灯。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步的详述，以更好地理解本发明的内容。
如图1所示，本发明所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，包括溶蚀液供应装置、试片溶蚀装置、数据采集装置、电控柜32和收集容器27，所述电控柜32控制本试验装置中需要供电的各部件的电源通断，其中：
所述的溶蚀液供应装置包括二氧化碳发生装置和混合罐3，其中，
所述混合罐3上开设有供二氧化碳气体进入的气体进口7以及供液体进出的液体进出口12，在混合罐3内设有用于加热罐体内溶液的罐体加热器11，所述混合罐3上还设置有液位管、测量罐体内液体温度的罐体温度传感器10、测量罐体内液体pH值的pH计5，以及将通入罐体内的二氧化碳气体和液体均匀混合的循环水泵8；
所述二氧化碳发生装置上开设有气体出口，该气体出口与混合罐3上的气体进口7管路连通，在连通路径上设置有减压阀2和电磁阀6；通过电磁阀6计量送入混合罐3中二氧化碳气体的量；本实施方式中，所述的二氧化碳发生装置具体为二氧化碳气瓶1；
由溶蚀液供应装置产生的溶蚀液从液体进出口12流出，经管路进入恒流泵28各通道的软管入口，恒流泵28各通道的软管出口则分别与各反应容器22的进液口17连通；
所述的试片溶蚀装置包括水浴箱14、6个反应容器22、与反应容器22数量相当的旋转电机29、具有6个通道的恒流泵28、转速控制面板13、流量控制面板26和排液稳流装置；其中，
所述的反应容器22置于水浴箱14内，所述的旋转电机29设置于水浴箱14外壁上，其输出轴伸入反应容器22内；所述水浴箱14上具有一个带把手24的档板，在水浴箱14内还设置有箱体加热器16和箱体温度传感器15；
所述的反应容器22具有一个密封盖21，反应容器22上开设有一个进液口17和一个排液口31，其内设有用于置放溶蚀试片的旋转支架18，该旋转支架18同轴固接于旋转电机29伸入反应容器22的输出轴顶端；所述的排液口31上连接排液管，在排液管的管路路径上设有排液阀30；
所述的排液稳流装置包括一固定于反应容器22旁边的螺杆25和与其配套的螺母，所述螺杆25的高度与水浴箱14的深度相当，所述排液管管路路径上的排液阀30固定于所述的螺母上，通过调节螺母在螺杆25上的位置从而使排液管的流量与进液流量相等；所述排液稳流装置的数量与反应容器22的数量相当；
溶蚀液供应装置提供的溶蚀液通过管路经恒流泵28分别与各反应容器22的进液口17连通，所述流量控制面板26上设置有与反应容器22数量相当的调速按钮，分别控制进入各反应容器22的溶蚀液流量；所述转速控制面板13上设置有与反应容器22数量相当的旋转按钮，分别控制各反应容器22中旋转支架18的转速；
所述的数据采集装置包括pH记录仪19和电导率记录仪20，在进行试验时，所述pH记录仪19的pH探头以及电导率记录仪20的电导率探头均置于所述反应容器22内的溶蚀液中；
所述的电控柜32包括罐体加热开关39、循环水泵开关37、pH显示屏33、罐体温度显示屏34、箱体加热开关38、箱体温度显示屏35、电源指示灯40和紧急停止开关36；其中罐体加热开关39与罐体加热器11电连接，循环水泵开关37与循环水泵8电连接，循环水泵8的出口和入口分别通过水气循环管4与罐体内部形成回路；pH显示屏33与pH计5电连接，罐体温度显示屏34与罐体温度计电连接，箱体加热开关38与箱体加热器16电连接，箱体温度显示屏35与箱体温度计电连接；通过电源指示灯40判断整个系统是否通电，紧急停止开关36可以随时终止系统运行，具有安全保障。此外，本装置中其它需要供电的部件(如pH计5、电磁阀6、恒流泵28、旋转电机29、转速控制面板13、流量控制面板26等)均与电控柜32电连接；
所述的收集容器27用于收集从排液管中排出的液体，通常设置于水浴箱14的下方，所述收集容器27的数量与反应容器22的数量相当。
具体进行封闭环境试验时，先将加工好的溶蚀试片用螺母固定在旋转支架18上，关闭排液阀30，然后将配置好的溶蚀液倒入反应容器22，将pH记录仪19的pH探头和电导率记录仪20的电导率探头放入反应容器22，拧上密封盖21；之后打开电控柜32的电源闸，再打开箱体加热开关38，设置水浴箱14的试验温度，启动转速调节面板上的启动键，调节旋转按钮至所需转速，将溶蚀液的水流速度转化成水岩接触速度，从而模拟岩石在不同流速下的溶蚀试验。以上步骤完成后便开始记录试验数据。
具体在单个反应容器22进行开放环境试验时，先用螺母将加工好的溶蚀试片固定在旋转支架18上，关闭排液阀30，先将恒流泵28其中一个通道的软管入口与混合罐3上的液体进出口12连通以获得蚀液，然后将反应容器22进液口17的进液管与恒流泵28上与前述通道相应的软管出口连通，通过液位计9确定混合罐3中的液体量；下拉电控柜32的电源闸，打开罐体加热开关39和箱体加热开关38，设置混合罐3和水浴箱14的试验温度，开启二氧化碳气瓶1上的出气阀及管路上的电磁阀6的，使二氧化碳气体有计量的通入混合罐3，再打开循环水泵开关37，根据pH显示屏33调节二氧化碳的进气量，使得混合罐3中溶液的pH达到试验值；启动流速控制面板上的启动键，调节调速按钮设置进入反应容器22的溶蚀液流量，当反应容器22内溶液均没过岩石试片一定高度后，调节排液阀30在螺杆25上的高度，使得溶蚀液以恒定流量流入反应容器22的同时以相同流速排入收集容器27，同时控制反应容器22内溶蚀液高度达到试验高度；将pH记录仪19上的pH探头和电导率记录仪20上的电导率探头放入反应容器22。以上步骤操作完成之后便开始记录试验数据。
具体在多个反应容器22进行开放环境的平行试验时，只需将恒流泵28各通道的软管入口均与混合罐3上的液体进出口12连通以获得蚀液，然后将各反应容器22进液口17的进液管分别与恒流泵28各通道相应的软管出口连通，其它操作与前述在在单个反应容器22进行开放环境试验的操作相同。
下面以本申请人在具体工作中采集的桂林市毛村流域打钻孔所得岩芯加工成的溶蚀试片采用图1所示装置进行试验而作更具体的说明。
将采集的桂林市毛村流域打钻孔所得岩芯送专业实验室测定，主要化合物含量如下述表1所示。
表1：
将所采集的岩石加工成半径为40mm，厚度为4mm的圆形试片，在试片中部开设两个小孔，控制小孔直径在6mm，且两个小孔位于圆形试片直径上并以圆心对称，以完成上述加工后的试片作为溶蚀试片。
在开放条件下，采用上述溶蚀试片进行溶蚀试验，试验温度为40℃，进入反应器的溶蚀液的流速为2ml/min、5ml/min，溶蚀液供应装置提供的溶蚀液pH＝6，试验完成后测定反应容器内试片溶蚀液中的Ca2+、Mg2+浓度以及电导值。
①放条件下，试验温度为40℃，进入反应容器的溶蚀液的流速为2ml/min，溶蚀液供应装置提供的溶蚀液pH＝6，试验完成后测定反应容器内试片溶蚀液中的Ca2+、Mg2+浓度以及电导值，结果如下述表2所示。
表2：
| t(h) | EC(μs/cm) | Ca<sup>2+</sup>(mmol/L) | Mg<sup>2+</sup>(mmol/L) | Ca<sup>2+</sup>+Mg<sup>2+</sup>(mmol/L) |
| 0 | 18.37 | 0.065 | 0.005 | 0.069 |
| 7 | 26.49 | 0.132 | 0.003 | 0.135 |
| 15 | 43.77 | 0.168 | 0.003 | 0.170 |
| 31 | 48.47 | 0.211 | 0.002 | 0.214 |
| 47 | 40.67 | 0.170 | 0.004 | 0.174 |
| 63 | 40.40 | 0.171 | 0.003 | 0.174 |
| 87 | 42.20 | 0.191 | 0.003 | 0.194 |
根据表2中数据作反应容器内试片溶蚀液中的Ca2+、Mg2+浓度之和与电导率间相关关系图，如图2所示。
②试验温度为40℃，进入反应容器的溶蚀液的流速为5ml/min，溶蚀液供应装置提供的溶蚀液pH＝6，试验完成后测定反应容器内试片溶蚀液中的Ca2+、Mg2+浓度以及电导值，结果如下述表3所示。
表3：
| t(h) | EC(μs/cm) | Ca<sup>2+</sup>(mmol/L) | Mg<sup>2+</sup>(mmol/L) | Ca<sup>2+</sup>+Mg<sup>2+</sup>(mmol/L) |
| 0 | 16.62 | 0.060 | 0.001 | 0.061 |
| 7 | 29.86 | 0.134 | 0.002 | 0.136 |
| 15 | 27.97 | 0.104 | 0.002 | 0.106 |
| 31 | 41.77 | 0.166 | 0.001 | 0.168 |
| 47 | 42.07 | 0.145 | 0.002 | 0.146 |
| 63 | 29.31 | 0.121 | 0.002 | 0.123 |
| 87 | 41.67 | 0.178 | 0.002 | 0.180 |
根据表3中数据作反应容器内试片溶蚀液中的Ca2+、Mg2+浓度之和与电导率间相关关系图，如图3所示。
本次试验白云岩溶蚀液电导率(γ)与溶蚀液中钙镁浓度之和(TH)有如下关系：
溶液流速为2ml/min时：
TH(mmo/L)＝0.00424γ+0.00373 R2＝0.9107
溶液流速为2ml/min时：
TH(mmo/L)＝0.00394γ+0.00247 R2＝0.86914
上式中：
TH为试验完成后反应容器内试片溶蚀液中钙、镁浓度之和，单位为mmol/L；
γ为试验完成后反应容器内试片溶蚀液的电导率，单位为μs/cm；
由电导率记录仪获得溶蚀过程TH变化量。
开放条件下碳酸盐岩溶蚀速率方程为：
R＝f·△[Me2+]tot/S
式中：
R为溶蚀试片的溶蚀速率，单位为mol/(cm·s)；
f表示进入反应器的溶蚀液的流速，单位为L/s；
Δ[Me2+]tot表示反应前后浓度差，单位为mol/L；
S表示溶蚀试片的表面积，单位为cm2。
封闭条件下碳酸盐岩溶解速率方程为：
R＝d([Me2+]tot/dt)/S
式中：
R为溶蚀试片的溶蚀速率，单位为mol/(cm·s)；
[Me2+]tot表示碳酸盐岩溶蚀反应释放出的离子数量，单位为mol；
t表示时间，单位为s；
S为溶蚀试片的表面积，单位为cm2。
通过电导率可知溶蚀试片在不同时刻的溶蚀速率，结果如下述表4所示。
表4：
| t(h) | EC(μs/cm) | Rmol/(cm·s) |
| 0 | 16.62 | 0 |
| 7 | 29.86 | 7.34×10<sup>-5</sup> |
| 15 | 27.97 | 1.14×10<sup>-4</sup> |
| 31 | 41.77 | 1.63×10<sup>-4</sup> |
| 47 | 42.07 | 1.18×10<sup>-4</sup> |
| 63 | 29.31 | 1.18×10<sup>-4</sup> |
| 87 | 41.67 | 1.40×10<sup>-4</sup> |
由上述实验可知，通过本发明所述装置测定溶蚀试片的溶蚀速率时，可以通过装置中电导率记录仪中的电导率计算碳酸盐岩的溶蚀速率。
Claims (7)
1.一种在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，包括溶蚀液供应装置、试片溶蚀装置、数据采集装置和电控柜(32)，所述电控柜(32)控制本试验装置中需要供电的各部件的电源通断，其特征在于：
所述的试片溶蚀装置包括水浴箱(14)、至少一个反应容器(22)、与反应容器(22)数量相当的旋转电机(29)、恒流泵(28)、转速控制面板(13)、流量控制面板(26)和排液稳流装置；其中，
所述的反应容器(22)置于水浴箱(14)内，在水浴箱(14)内还设置有箱体加热器(16)和箱体温度传感器(15)；
所述的反应容器(22)具有一个密封盖(21)，反应容器(22)上开设有一个进液口(17)和一个排液口(31)，其内设有用于置放溶蚀试片的旋转支架(18)，该旋转支架(18)与所述旋转电机(29)的输出轴同轴固接；所述的排液口(31)上连接排液管，在排液管的管路路径上设有排液阀(30)；
所述的排液稳流装置包括一螺杆(25)和与其配套的螺母，所述的排液阀30固定于所述的螺母上，所述的螺杆(25)具有足够的高度以使得通过调节螺母在螺杆(25)上的位置从而使排液管的流量与进液流量相等；所述排液稳流装置的数量与反应容器(22)的数量相当；
溶蚀液供应装置提供的溶蚀液通过管路经恒流泵(28)分别与各反应容器(22)的进液口(17)连通，所述流量控制面板(26)上设置有与反应容器(22)数量相当的调速按钮，分别控制进入各反应容器(22)的溶蚀液流量；所述转速控制面板(13)上设置有与反应容器(22)数量相当的旋转按钮，分别控制各反应容器(22)中旋转支架(18)的转速；
所述的数据采集装置包括pH记录仪(19)和电导率记录仪(20)，在进行试验时，所述pH记录仪(19)的pH探头以及电导率记录仪(20)的电导率探头分别置于所述反应容器(22)内的溶蚀液中。
2.根据权利要求1所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，其特征在于：所述的溶蚀液供应装置包括二氧化碳发生装置和混合罐(3)，其中：
所述混合罐(3)上开设有供二氧化碳气体进入的气体进口(7)以及供液体进出的液体进出口(12)，在混合罐(3)内设有用于加热罐体内溶液的罐体加热器(11)，所述混合罐(3)上还设置有液位管、测量罐体内液体温度的罐体温度传感器(10)、测量罐体内液体pH值的pH计(5)，以及将通入罐体内的二氧化碳气体和液体均匀混合的循环水泵(8)；
所述二氧化碳发生装置上开设有气体出口，该气体出口与混合罐(3)上的气体进口(7)管路连通，在连通路径上设置有减压阀(2)和电磁阀(6)；
由溶蚀液供应装置产生的溶蚀液从液体进出口(12)流出通过管路经恒流泵(28)分别送入各反应容器(22)。
3.根据权利要求2所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，其特征在于：所述的二氧化碳发生装置为二氧化碳气瓶(1)。
4.根据权利要求2或3所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，其特征在于：所述的电控柜(32)包括罐体加热开关(39)、循环水泵开关(37)、pH显示屏(33)、罐体温度显示屏(34)、箱体加热开关(38)和箱体温度显示屏(35)。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，其特征在于：所述水浴箱(14)上还设置有防止水浴箱(14)热量散发的挡板(23)。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，其特征在于：该试验装置还包括用于收集从排液管中排出的液体的收集容器(27)。
7.根据权利要求6所述的在线监测碳酸盐岩溶蚀的试验装置，其特征在于：所述收集容器(27)的数量与反应容器(22)的数量相当。
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