CN111389890A - 一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置及方法，包括两端封堵的筒体，筒体的一端连通供液管，另一端连通回液管；所述筒体的内腔能够填充电解液及可渗透多孔介质，所述供液管能够向具有电解液的内腔输入修复粒子悬浮液，以模拟修复粒子注入地下水的动态过程；所述筒体内腔的两端分别设置有一个激发电极，两个激发电极间能够以设定时间间隔形成电流，以完成修复粒子的间歇性激发极化；所述筒体的侧壁处沿筒体的轴线方向依次设有多个极化电极，极化电极的一端伸入筒体的内腔，另一端分别与电压测量平台连接；多个极化电极能够在修复粒子在筒体内腔输入及扩散的过程中，采集不同时间、不同位置处修复粒子的激发极化信号。

Description

一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置及方法

技术领域

本公开属于污染水原位修复技术领域，具体涉及一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置及方法。

背景技术

原位方法是一种常见的污染地下水修复方法，而金属粒子注入是原位方法中最常用的一种无损伤修复方法。由于多数金属粒子的极化信号较强，而激发极化方法对极化信号强的粒子较敏感，具有探测范围广、工作效率高等优点，因此该方法在粒子修复的监测领域具有很大优势。

原位修复粒子多采用铁单质等金属颗粒，本身具有易团聚、运移性复杂、不稳定等特点，在应用过程中受时间和地质条件影响明显，因此需要在实验室内，对原位修复粒子的相关特性进行研究，实现动态的激发极化监测及取样，为进一步的应用提供理论基础。

发明人了解到，目前原位修复粒子的实验研究多采用化学采样分析方法，可利用相关仪器对粒子的流变性等性质进行实验研究。

申请人在先专利CN2019113027772公开了一种修复粒子激发极化特征实验装置，但该专利中实验装置的目的是得到修复粒子在静态且未发生化学反应条件下的粒子本身的激发极化信号，而粒子在实际修复过程中会与污染物质发生一系列化学反应，其激发极化特征会随着化学反应产生明显变化，具体表现为；当粒子未修复时，本身具有较强的极化特征，此时信号较强；而随着化学变化的进行，粒子的激发极化信号会逐渐变弱。且粒子在地下多孔介质中的运移受地下水渗流的控制，会发生动态流动，进一步对激发极化特征造成间接影响，因此上述装置无法得到修复过程中的激发极化信号变化及动态信息，更无法实现粒子在修复过程中的实时监测和化学取样。

发明内容

本公开的目的是提供一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置及方法，能够解决现有修复粒子激发极化特征实验装置中，无法得到修复过程中的激发极化信号变化及动态信息，更无法实现粒子在修复过程中的实时监测或化学取样的问题。

为实现上述目的，本公开的第一方面提供一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置，包括两端封堵的筒体，筒体的一端连通供液管，另一端连通回液管；所述筒体的内腔能够填充电解液及可渗透多孔介质，所述可渗透多孔介质包括污染物质，所述供液管能够向具有电解液的内腔输入修复粒子悬浮液，以模拟修复粒子注入地下水的动态过程；所述筒体内腔的两端分别设置有一个激发电极，两个激发电极间能够以设定时间间隔形成电流，以完成修复粒子的间歇性激发极化。

所述筒体的侧壁处沿筒体的轴线方向依次设有多个极化电极，极化电极的一端伸入筒体的内腔，另一端分别与电压测量平台连接；多个极化电极能够在修复粒子在筒体内腔输入及扩散的过程中，采集不同时间、不同位置处修复粒子的激发极化信号。

本公开的第二方面提供一种动态的原位修复粒子激发极化实验方法，利用了上述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，包括以下步骤：

向筒体的内腔填充可渗透多孔介质，并完成筒体两端的封堵；

向筒体的内腔通入饱和电解液，使可渗透多孔介质处于饱和状态，即可渗透多孔介质间的孔隙被饱和电解液充满。

将修复粒子充分溶于蒸馏水中，得到修复粒子悬浮液；

根据所设定的修复粒子悬浮液在筒体内腔中的流动时间，供液管以设定的流量向筒体内腔注入修复粒子悬浮液；

修复粒子悬浮液输入后，以设定时间间隔进行修复粒子的激发极化，利用极化电极采集不同时间和不同位置的修复粒子激发极化响应。

以上一个或多个技术方案的有益效果为：

(1)实现了动态的原位修复粒子激发极化信号采集，可通过不同时间段的激发极化响应特征，分析出粒子的运移特性及修复效果，弥补了现有实验系统的不足。

(2)该系统实现了地球物理方法与化学取样方法的结合，便于获取更加丰富的实验数据，为应用提供了数据支撑和理论指导；装置造价成本低，便于清洗，可用于进行不同原位修复粒子的实验研究。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1为本公开实施例1中整体结构示意图。

图中：1、第一端盖；2、第二端盖；3、筒体；4、第一激发电极；5、第二激发电极；6、输出端口；7、输入端口；8、可渗透多孔介质；9、电极插口；10、极化电极；11、取样管；12、取样口；13、输出蠕动管；14、输入蠕动管；15、旋钮；16、电流控制器；17、电压测量平台；18、参考电阻；19、蠕动泵。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本公开中如果出现“上、下、左、右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。

背景技术中引用的专利文献，其实验装置主要用于研究不同类型的修复粒子，在不同浓度、粒径、温度条件下的激发极化信号特征，得到的是粒子在未应用时，不发生化学反应，不移动的静态极化特征，以用于探讨该粒子是否利于激发极化的监测，但无法模拟实际中的监测。

本公开中的实验装置主要用于研究修复粒子在工作过程中的激发极化监测及取样，得到的是粒子在实际应用时，随着时间的推移，其与污染物发生化学反应，并处于流动状态，以用于模拟原位修复粒子的激发极化动态监测。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置包括两端封堵的筒体3，筒体3的一端连通供液管，另一端连通回液管。

具体的，为了实现回液管、供液管与筒体内腔的连通，在本实施例中筒体的一端设置输出端口6，另一端设置输入端口7，输出端口与输入端口均贯穿筒壁的外壁，所述输出端口连通回液管，输入端口连通供液管。

在本实施例中，筒体3高50cm，上下端圆面直径6cm；在另外一些方式中，筒体的尺寸可以由本领域技术人员自行设置。

在本实施例中，所述筒体3的两端分别安装有可拆卸的端盖，所述端盖用于实现筒体3两端的封堵。为了实现区分，将端盖分为第一端盖1和第二端盖2，第一端盖、第二端盖分别与筒体通过螺纹连接以达到可拆卸的目的。

可以理解的是，在采用第一端盖与第二端盖封堵时，第一端盖中开设贯穿自身的输出端口，第二端盖中开设贯穿自身的输入端口。

在另外一些实施例中，可以将筒体的一端设置成永久封堵结构，另一端设置呈可拆卸结构，可以由本领域技术人员自行设置。

所述筒体3的内腔能够填充电解液及可渗透多孔介质，所述可渗透多孔介质包括污染物质，所述供液管能够向具有电解液的内腔输入修复粒子悬浮液，以模拟修复粒子注入地下水的动态过程；所述筒体3内腔的两端分别设置有一个激发电极，两个激发电极间能够以设定时间间隔形成电流，以完成修复粒子的间歇性激发极化。

需要指出的是，可渗透多孔介质中的主体采用石英砂等砂砾结构，在砂砾中添加污染物质，污染物质用于与注入的修复粒子发生反应，以模拟金属修复粒子修复地下水的过程。污染物质的类型及浓度可由本领域技术人员自行设置，此处不做更多限制。

需要指出的是，现有技术中，修复粒子一般采用金属颗粒；本实施例中的修复粒子同样采用金属颗粒，可以采用铁单质颗粒。在其他实施方式中，修复粒子可以采用其他金属颗粒，可由本领域技术人员自行设置。

本实施例中电解液可以采用200μS/cm的NaCl溶液，在另外一些实施方式中，电解液可以采用其他材质。

所述筒体3两端的激发电极分别与电流控制器16的正负极连接，所述电流控制器16用于激发电流。

在本实施例中，两个激发电极均呈螺旋状，且整个激发电极的螺旋状位于同一水平面，两个激发电极可以采用AgCl材料。可知的，在其他实施方式中，激发电极的形状可以由本领域技术人员自行设置，其材料也可以由本领域技术人员自行选择，此处不再赘述。

可以理解的，通过位置区分，本实施例中两个激发电极可以分为第一激发电极4和第二激发电极5，第一激发电极与第二激发电极分别与电流控制器的正负极连接。

可以理解的是，在本实施例附图1中，第二电极处串联有一个参考电阻18，所述参考电阻用于实现分压效果，在一些实施方式中，参考电阻为可调电阻，通过参考电阻的大小调节，改变第一激发电极与第二激发电极之间的电压差值，进而改变筒体内腔中金属粒子的激发极化效果。

所述筒体3的侧壁处沿筒体3的轴线方向依次设有多个极化电极10，极化电极10的一端伸入筒体3的内腔，另一端分别与电压测量平台17连接；多个极化电极10能够在修复粒子在筒体3内腔输入及扩散的过程中，采集不同时间、不同位置处修复粒子的激发极化信号。

需要指出的是，本实施例中，在筒体的侧壁处设置电极插口9，电极插口中插接有所述极化电极，多个电极插口沿着筒体的轴线方向等间距设置。在另外一些实施方式中，电极插口的数量可由本领域技术人员自行设置，此处不再赘述。

筒体3中填充有饱和电解液，以使得可渗透多孔介质8处于饱和状态。此处的饱和状态指的是，可渗透多孔介质中空隙被饱和电解液充满，饱和状态的可渗透多孔介质能够模拟地下水修复过程中的饱和水带。

在本实施例中，砂砾可以采用纯净石英砂，其粒径可以采用600μm，石英砂填充满整个筒体的内腔。在另外一些实施方式中，可渗透多孔介质中砂砾的材料以及粒径可由本领域技术人员自行设置。

所述筒体3的侧壁处沿筒体3的轴线方向依次设置有多个取样口12，多个取样口12能够独立开闭，以实现不同位置处修复粒子的取样分析。

在本实施例中，取样口处安装有取样管11，取样管与取样口之间可以设置过滤纱网，以防止可渗透多孔介质从取样口流出；为了实现取样口的独立开闭，可以在取样管上设置阀门，阀门的把手与旋钮15连接，可以理解的是，在其他实施方式中，阀门可以为电磁阀，通过控制装置实现开闭的自动化操作。

本实施例中，筒体的侧壁处沿中心轴线方向设置有5个取样口，取样口等间距分布，在另外一些实施方式中，取样口的数量可以由本领域技术人员自行设置。

需要指出的是，取样口是将筒体内腔中包含激发极化后的金属粒子完全取出，进行化学采样分析。

所述供液管处设置有蠕动泵19，所述蠕动泵19用于驱动供液管中的液体沿设定方向输送。

本实施例中采用蠕动泵来实现供液管中液体的驱动，采用蠕动泵的结构使得供液管中的液体时刻处于管壁内腔，不会与蠕动泵中结构接触，保证了供液管中液体的纯净度。可以理解的是，在采用蠕动泵的情况下，供液管与输液管都为蠕动管，即输入蠕动管14和输出蠕动管13。

在本实施例中，供液管路只有一个，为了分别实现电解液和修复粒子悬浮液向筒体内腔的输送，就必须使得所述供液管路的末端能够在不同时刻，分别与电解液储存装置或修复粒子悬浮液储存装置连通。

可以理解的，在筒体旁边设置两个液体储存桶，一个储存电解液，另一个储存修复粒子悬浮液，可以根据需要将供液管的末端伸入不同的液体储存桶中。

所述筒体3的中心轴线竖直布置，筒体3的下端连通供液管，上端连通回液管。

在本实施例中，可以将筒体竖直布置，从底部开始供液；可以理解的，在实际工况中，很难保证筒体的中心完全竖直，可以稍微偏离一定的角度。又或者在其他实施方式中，在进行实验时，筒体的中心轴线水平布置；即筒体中心轴线与竖直平面的夹角可以由本领域技术人员自行设置。

本实施例中，极化电极10与取样口12关于筒体3的中心轴线对称布置。

实施例2

本实施例提供一种动态的原位修复粒子激发极化实验方法，利用了实施例1中所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，包括以下步骤：

本实例中原位修复粒子选择黄原胶包裹的零价铁粒子，可渗透多孔介质8选择粒径为600μm左右的纯净石英砂。将可拆卸底盖2于筒体3安装完成后，将石英砂倒入填满，第一端盖1扣好，并逐步安装完成整个监测及取样系统。

通过蠕动泵19向柱内注入200μs/cm的NaCl溶液，保证柱内的石英砂呈饱和状态。

得到黄原胶包裹的零价铁粒子充分混合于蒸馏水中，得到目标悬浮液。

调解蠕动泵19转速为20ml/min，将悬浮液利用蠕动泵19由下至上，通过输入蠕动管14及输入端口7流入筒体3中。

悬浮液到达筒体3内后，每隔30min进行一次激发极化信号采集；开始阶段，由于修复粒子先在底部出现，因此底端的激发极化信号曲线优先出现峰值，顶端无明显信号；1h后筒体3被悬浮液充满，停止输入悬浮液，由于底部零价铁粒子与污染液发生化学反应，激发极化峰值发生变化，而顶端信号增强；待2h后，顶端激发极化信号也逐渐变弱；3h后，筒体3内的污染物质充分发生变化，此时由于柱内介质的化学性质发生变化，电导率及极化率改变，得到的激发极化信号与无污染条件得到的零价铁激发极化信号呈现出明显的不同；

完成所需的激发极化信号采集后，通过取样口12进行取样，并对输出蠕动管13在不同阶段得到的液体进行分析，完成原位修复粒子的激发极化特性及化学特性研究。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，包括两端封堵的筒体，筒体的一端连通供液管，另一端连通回液管；

所述筒体的内腔能够填充电解液及可渗透多孔介质，所述可渗透多孔介质包括污染物质，所述供液管能够向具有电解液的内腔输入修复粒子悬浮液，以模拟修复粒子注入地下水的动态过程；

所述筒体内腔的两端分别设置有一个激发电极，两个激发电极间能够以设定时间间隔形成电流，以完成修复粒子的间歇性激发极化；

所述筒体的侧壁处沿筒体的轴线方向依次设有多个极化电极，极化电极的一端伸入筒体的内腔，另一端分别与电压测量平台连接；多个极化电极能够在修复粒子在筒体内腔输入及扩散的过程中，采集不同时间、不同位置处修复粒子的激发极化信号。

2.根据权利要求1所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，所述筒体的侧壁处沿筒体的轴线方向依次设置有多个取样口，多个取样口能够独立开闭，以实现不同位置处修复粒子的取样分析。

3.根据权利要求1所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，所述供液管处设置有蠕动泵，所述蠕动泵用于驱动供液管中的液体沿设定方向输送。

4.根据权利要求3所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，所述供液管路的末端能够在不同时刻，分别与电解液储存装置或修复粒子悬浮液储存装置连通。

5.根据权利要求1所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，所述可渗透多孔介质包括污染物质和砂砾，筒体中填充有饱和电解液，以使得可渗透多孔介质处于饱和状态。

6.根据权利要求1所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，所述筒体的中心轴线竖直布置，筒体的下端连通供液管，上端连通回液管。

7.根据权利要求2所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，极化电极与取样口关于筒体的中心轴线对称布置。

8.根据权利要求1所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，所述筒体两端的激发电极分别与电流控制器的正负极连接，所述电流控制器用于激发电流。

9.根据权利要求1所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，所述筒体的两端分别安装有可拆卸的端盖，所述端盖用于实现筒体两端的封堵。

10.一种动态的原位修复粒子激发极化实验方法，利用了权利要求1-9中任意一项所述的动态的原位修复粒子激发极化实验装置，其特征在于，包括以下步骤：

向筒体的内腔填充可渗透多孔介质，并完成筒体两端的封堵；

向筒体的内腔通入饱和电解液，使可渗透多孔介质处于饱和状态；

将修复粒子充分溶于蒸馏水中，得到修复粒子悬浮液；

根据所设定的修复粒子悬浮液在筒体内腔中的流动时间，供液管以设定的流量向筒体内腔注入修复粒子悬浮液；

修复粒子悬浮液输入后，以设定时间间隔进行修复粒子的激发极化，利用极化电极采集不同时间和不同位置的修复粒子激发极化响应。

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