CN111398327A - 基于x射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，主要涉及土壤重金属污染原位检测领域。基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，包括与钻杆相连接的XRF装置与地面终端，所述XRF装置包括壳体、光学处理模块、信号处理模块、控制系统模块和电源电路模块，所述壳体侧面设置窗口，所述控制系统模块与信号处理模块、地面终端信号连接，所述电源电路模块与光学处理模块、信号处理模块、控制系统模块电连接。本发明的有益效果在于：本发明实现了直接推进式钻机在土壤钻进过程中土壤中重金属污染原位的实时检测，达到了“随钻随探”的目的。
Description
技术领域
本发明主要涉及土壤重金属污染原位检测领域，具体是基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置。
背景技术
近年来，随着工业“废水、废气、废渣”的排放、化肥农药的滥用、金属矿山开采等导致频频出现土壤重金属污染现象，已严重威胁到农业生产种植、生态环境和人体健康。因此，土壤中的重金属污染的检测对于保障人体健康和绿色农业而言都是非常重要的。
目前阶段场地环境调查过程中，首先需要使用直推式钻机将土壤从地下取出，获得岩心样品后，再在某个深度取出一定量的土壤样品用于检测其中的重金属污染物浓度，在便携式XRF快速检测土壤中重金属时，需要先清理土壤表面的石块等杂物，压实土壤使土壤表面尽量平坦，且土壤厚度至少达到1cm，通常检测时间为30~120秒（各具体型号的仪器略有差别），这样得到的数据结果才会有较好的重复性和代表性。比起土壤取样后再送实验室检测而言，现场使用便携式XRF来初步分析、测量土壤中重金属的种类和含量已相对简单、快捷。但是现阶段场地环境调查过程中，土壤重金属污染的检测实际被切割成了两个过程，即先将土壤从地下取出，再选择取出样品的一部分检测其中重金属污染浓度，这种方式存在以下两个问题：
1、将土壤从地下取出是具有扰动性的，取出的土壤样品受到扰动，其重金属污染物的浓度和分布可能都会发生改变；
2、取出土壤用于检测重金属污染有一定的数量和厚度要求，导致通常土壤岩心样的垂直的检测分辨率在30-50cm土壤检测一次，分辨率低，速度较慢。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供了基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，它不需要取出土壤样品就可以随着钻头的钻进进行原位连续实时的土壤中重金属污染的检测。使用本装置进行检测不破坏土壤的原状性和周边环境，垂直检测分辨率高，随着钻头的钻入得到精准的、高分辨率的土壤重金属污染的垂直空间分布，极大的降低了土壤调查和后期土壤治理的费用。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，包括与钻杆相连接的XRF装置与地面终端，所述XRF装置包括壳体、光学处理模块、信号处理模块、控制系统模块和电源电路模块，所述壳体侧面设置与光学处理模块、信号处理模块相对应的窗口，所述光学处理模块、信号处理模块、控制系统模块和电源电路模块均位于壳体内，所述控制系统模块与信号处理模块、地面终端信号连接，所述电源电路模块与光学处理模块、信号处理模块、控制系统模块电连接。
所述光学处理模块包括自窗口一侧向壳体内一侧依次设置的第一准直器、铅管、滤光片、放射源。
所述放射源为238Pu天然同位素放射源。
所述光学处理模块设置两组，所述信号处理模块位于两光学处理模块之间。
所述信号处理模块包括自窗口一侧向壳体内一侧依次设置的第二准直器、Si-PIN半导体探测器、整形放大电路模块、X射线能谱多道分析器。
所述壳体顶部与底部均设置分别与钻杆和钻头相连接的螺纹结构。
所述窗口为高强度的玻璃材质，所述窗口的玻璃与外壳弧度一致。
对比现有技术，本发明的有益效果是：
本发明可与直接推进式钻机钻杆、钻头相连接，使得钻头在液压驱动，下压钻进土壤的过程中，能够实时分析、获取、传输土壤中重金属种类与浓度的信息。本发明的XRF装置是一种对地下土壤中的重金属污染物原位检测的装置，避免了将土壤取出从而产生的扰动，可以随着钻头的钻探进行原位实时的检测，保证了土壤的原状态性和周边环境不变，更能准确反应土壤中重金属污染的实际浓度和垂直分布。且本发明的XRF装置随着直推式钻头被钻入地下，能够及时、准确地一次性确定钻孔取样调查终点，直接对该深度处与窗口相接触的土孔侧壁的土壤中重金属元素进行照射分析，能够省略样品采集、制备等步骤，提高了调查的效率，垂直检测分辨率达到1.5-3cm深度检测一次，是传统取出样品再检测的10倍以上，提高了土壤重金属污染垂直分布的精度。新型的XRF装置将检测结束后得到的数据实时传输至地面终端，可以帮助现场调查人员迅速获取土壤中重金属污染的大致空间分布，达到“随钻随探”的目的。
附图说明
附图1是本发明结构示意图；
附图2是本发明A部局部放大结构示意图。
附图中所示标号：1、XRF装置；2、地面终端；3、壳体；4、光学处理模块；5、信号处理模块；6、控制系统模块；7、电源电路模块；8、窗口；9、钻杆；10、土壤；41、第一准直器；42、铅管；43、滤光片；44、放射源；51、第二准直器；52、Si-PIN半导体探测器；53、整形放大电路；54、X射线能谱多道分析器。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
如图1-2所示，本发明所述基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，包括与钻杆相连接的XRF装置1与地面终端2，所述XRF装置1包括壳体3、光学处理模块4、信号处理模块5、控制系统模块6和电源电路模块7。所述壳体可以钻杆与钻头进行可拆卸连接，所述壳体为圆柱形，适应钻头与钻杆在土壤中的钻进。所述壳体3侧面设置与光学处理模块4、信号处理模块5相对应的窗口8，所述窗口作为X射线的照射与返回口。所述光学处理模块4、信号处理模块5、控制系统模块6和电源电路模块7均固定安装在壳体内，所述光学处理模块作为X射线的发射单元，信号处理模块5作为返回的X射线接收与处理单元，其中光学处理模块与信号处理模块尽可能的靠近安装，以使光学处理模块发生的X射线自窗口照射土壤后返回的X射线能够尽可能多的被信号处理模块捕捉。所述控制系统模块6作为信号处理模块5的控制单元，并将信号处理模块处理后的X射线信号传输回地面终端2，其中控制系统模块与地面终端的信号传输采用的是蓝牙技术。所述电源电路模块7为光学处理模块4、信号处理模块5、控制系统模块6提供电量。本装置与直接推进式钻机钻杆、钻头相连接，使得钻头在液压驱动，可以随着钻头的钻探进行原位实时的检测，保证了土壤的原状态性和周边环境不变，更能准确反应土壤中重金属污染的实际浓度和垂直分布。且本发明的XRF装置随着直推式钻头被钻入地下，直接对该深度处与窗口相接触的土孔侧壁的土壤中重金属元素进行照射分析，能够省略样品采集、制备等步骤，提高了调查的效率，垂直检测分辨率达到1.5-3cm深度检测一次，是传统取出样品再检测的10倍以上，提高了土壤重金属污染垂直分布的精度。
具体的，所述光学处理模块4包括自窗口8一侧向壳体3内一侧依次设置的第一准直器41、铅管42、滤光片43、放射源44。放射源产生的X射线通过铅管搭成的光路，经过滤光片和准直器直接照射激发与窗口相接触的土孔侧壁的土壤，激发其中重金属离子产生二次特征X射线（即荧光），二次特征X射线经由窗口反射回壳体内被信号处理模块接收。
具体的，所述放射源44为238Pu天然同位素放射源。238Pu天然同位素能量稳定，射线强度足够，无需使用电源具且有较长半衰期（86年），能够很好地作为本装置的放射源实时的对土壤中重金属进行检测使用。
具体的，所述光学处理模块4设置两组，所述信号处理模块5位于两光学处理模块4之间。通过两组放射源的设置，提高X射线的照射量，从而提高本装置的检测效率，且随着X射线的照射量的提高，使土壤中重金属离子的接收误差更小。
具体的，所述信号处理模块5包括自窗口8一侧向壳体3内一侧依次设置的第二准直器51、Si-PIN半导体探测器52、整形放大电路模块53、X射线能谱多道分析器54。第二准直器与Si-PIN半导体探测器52由前管连接。反射回的二次特征X射线经过准直器被Si-PIN半导体探测器52接收，其内置的前置放大器可减少噪声干扰，提高信噪比，但输出的脉冲信号十分微弱，经过整形放大电路模块将其微分放大，然后进行滤波成形，进入X射线能谱多道分析器，X射线能谱多道分析器将脉冲信号转换成对应其峰值幅度的数字信息，再经由控制系统模块上连接的蓝牙模块直接传输到地面终端，实时掌握土壤中重金属元素的的浓度和空间分布。
具体的，所述壳体3顶部与底部均设置分别与钻杆和钻头相连接的螺纹结构，其连接方式简单有效，可更稳定的保障土壤中重金属的实时原位探测。
具体的，所述窗口8为高强度的玻璃材质，所述窗口8的玻璃与外壳3弧度一致，从而在更顺畅的进行钻探前提下，保障内部各元器件的正常使用。
实施例：
某一场地土壤中可能存在重金属污染，使用本发明装配在钻杆与钻头上进行检测，精准明确重金属污染的空间分布，以确定后期治理修复的范围。
将钻杆与钻头之间安装有本装置的直接推进式钻机移动到指定的土壤调查点位，打开地面终端（PC），通过控制系统模块打开本装置各单元，待本装置预热20-30分钟后，操作直接推进式钻机至工作状态，将连接有本装置的直接推进式钻杆与直推式钻机连接，做好向下贯入土壤中准备。通过地面PC终端观察设备满足正常工作状态后，启动直接推进式钻机并保持钻探速度在30-50cm/min，本装置随着直接推进式钻杆被贯入地下土壤中。
圆柱形XRF装置1中238Pu天然同位素放射源发出X射线激发光源，放射源产生的X射线通过铅管搭成的光路，经过滤光片和准直器直接照射激发与窗口相接触的土孔侧壁的土壤，土壤中重金属离子受到激发产生返回特征X射线，返回特征X射线通过准直器与铅管，由Si-PIN探测器13接受。Si-PIN半导体探测器接收受X射线激发的土壤中的重金属离子产生的返回特征X射线，并通过前置放大电路模块将其转化为脉冲信号，脉冲信号经过整形放大电路模块微分放大和滤波成形处理加强，之后再输入至X射线能谱多道分析器，将脉冲信号的幅度数字化，并由控制系统模块进行记录存储。存储的数据可以经由蓝牙技术，传输至地面终端设备，由此得到土壤的重金属分布数据。随着钻探深度的不断增加，只需要在直接推进式钻杆上端连接更多钻杆，便可得到随着是深度变化的实时重金属离子浓度数据，即重金属离子的高分辨率垂直空间分布。另外对于在场地调查阶段，有必要时可以选择一部分土壤样品送实验室检测，进一步提高场地调查的准确性。
Claims (7)
1.基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，包括与钻杆相连接的XRF装置（1）与地面终端（2），其特征在于：所述XRF装置（1）包括壳体（3）、光学处理模块（4）、信号处理模块（5）、控制系统模块（6）和电源电路模块（7），所述壳体（3）侧面设置与光学处理模块（4）、信号处理模块（5）相对应的窗口（8），所述光学处理模块（4）、信号处理模块（5）、控制系统模块（6）和电源电路模块（7）均位于壳体内，所述控制系统模块（6）与信号处理模块（5）、地面终端（2）信号连接，所述电源电路模块（7）与光学处理模块（4）、信号处理模块（5）、控制系统模块（6）电连接。
2.根据权利要求1所述的基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，其特征在于：所述光学处理模块（4）包括自窗口（8）一侧向壳体（3）内一侧依次设置的第一准直器（41）、铅管（42）、滤光片（43）、放射源（44）。
3.根据权利要求2所述的基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，其特征在于：所述放射源（44）为238Pu天然同位素放射源。
4.根据权利要求1任一项所述的基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，其特征在于：所述光学处理模块（4）设置两组，所述信号处理模块（5）位于两光学处理模块（4）之间。
5.根据权利要求1所述的基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，其特征在于：所述信号处理模块（5）包括自窗口（8）一侧向壳体（3）内一侧依次设置的第二准直器（51）、Si-PIN半导体探测器（52）、整形放大电路模块（53）、X射线能谱多道分析器（54）。
6.根据权利要求1所述的基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，其特征在于：所述壳体（3）顶部与底部均设置分别与钻杆和钻头相连接的螺纹结构。
7.根据权利要求1-6任一项所述的基于X射线荧光光谱分析的土壤重金属污染原位检测装置，其特征在于：所述窗口（8）为高强度的玻璃材质，所述窗口（8）的玻璃与外壳（3）弧度一致。
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