CN112213307B - 一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统及方法，该观测系统装置由显微观测试验台，温度控制模块，气相抽提模块，曝气流体输送模块组成，其中显微观测试验台是该装置的主体部分，能够实现显微观测和压实度的调节过程，温度控制模块能够实现对装置观测室的加热和控温，气相抽提模块能够实现对样品室内污染土进行气相抽提，而曝气流体输送模块能够实现对样品室内饱和污染土进行曝气修复。该热脱附和曝气修复过程的微观观测系统能从微观角度对热脱附过程（包括气相抽提和加热）和曝气过程进行微观控制与观测，进而对污染物在砂土中的传热传质以及污染物迁移过程进行微观分析。

Description

一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统及方法

技术领域

本发明属于环境岩土工程微观试验仪器研究领域，尤其涉及一种模拟土壤修复过程中的热脱附和曝气修复过程的微观观测系统及方法。

背景技术

近年来，随着国家对土壤修复的重视以及土壤污染物防治法的颁布，我国土壤污染修复行业进入了快速发展阶段。热脱附修复技术是目前污染场地修复中最受欢迎的土壤修复技术之一，其主要是通过高温将场地中的有机污染物进行热解吸，再通过真空抽提的过程将污染物从土壤中驱替出来。除此之外，曝气修复技术也是当前处理饱和区挥发性有机污染场地较为有效的修复技术之一，其在饱和区污染场地修复技术中占有重要的地位。无论是热脱附修复技术还是曝气修复技术，目前场地修复的施工工艺技术已经日渐成熟。但是两种修复技术对于污染物去除规律的研究上大都依靠经验方法，对于热脱附修复技术中热解吸和气相抽提过程中的传热、传质及迁移机理的研究上还处于探索阶段。目前，对热脱附修复和曝气修复过程中污染物去除机理的研究，特别是对于微观机理的研究上具有重要的意义。

目前，在岩土介质中微观机理的研究上目前主要采用的技术是扫描电镜、透射电子显微镜等设备的微观分析技术。但是这些技术一方面的检测费用较高，另一方面往往也不能观测污染土在修复过程中微观尺度的动态变化，很难对污染物传热传质过程进行显微分析。近年来，少部分研究学者发明了采用光学显微镜的观测装置用来观测岩土介质的力学变化。但是针对岩土介质特别是土的微观分析的显微观测设备比较少且往往存在一些问题。首先，砂土介质往往具有不透光性，即使采用透明砂土也往往难以达到较好的效果。另外，热脱附过程（包括热解吸和气相抽提）、曝气过程属于动态变化的过程，显微观测装置要同时兼顾加热、真空抽提的过程比较难实现，目前还没有针对热脱附和曝气修复的显微观测装置题。

发明内容

发明的目的：针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统及方法，该装置可以在显微镜下模拟热脱附和曝气修复的过程，进而研究热脱附和曝气修复中污染物在砂土中的传热传质规律及微观迁移特点。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统，包括内含样品室的密封容器，以及可压缩样品室容积的加热玻璃板，样品室其内部填充满砂土样品，加热玻璃板内置加热电阻丝；所述样品室两侧具有气体通道，一侧的气体通道连接微型空压机，另一侧的气体通道连接微型真空泵；所述样品室上方具有连接计算机的偏光显微镜，相机用于拍摄样品室内砂土；所述电阻丝外接温控仪。

作为更进一步的优选方案，所述样品室位于密封容器中间位置，两条气体通道分别位于样品室两侧的密封容器内；连接微型真空泵的气体通道依次包括相互连通的通道二、过滤室、过渡腔室、通道一，连接微型空压机的气体通道依次包括相互连通的通道二、过滤室、过渡腔室、通道三；其中两条通道二均连通样品室，通道一连通微型真空泵，通道三连通微型空压机。

作为更进一步的优选方案，所述样品室上部为上盖玻璃片，上盖玻璃片均覆盖样品室、过滤室、过渡腔室；所述加热玻璃板位于样品室下部，加热玻璃板上表面为调高玻璃板，调高玻璃板与上盖玻璃片之间形成的空间为样品室。

作为更进一步的优选方案，所述加热玻璃板的两侧具有边缘板，边缘板与密封容器之间具有弹性密封垫，贯穿边缘板和弹性密封垫设有压实度调节螺丝，压实度调节螺丝螺栓连接至密封容器，旋转调节压实度调节螺丝可通过加热玻璃板带动调高玻璃板改变样品室的容积；与边缘板垂直的密封容器上具有用于识别高度的刻度。

作为更进一步的优选方案，所述样品室的砂土内设有热电偶，热电偶外接温度采集器，温度采集器线路连接计算机。

作为更进一步的优选方案，所述通道三连接微型空压机的管道上还设有流量计二和截流阀二；所述通道一连接微型真空泵的管道上还设有活性炭柱，活性炭柱与微型真空泵之间的管道上具有控压阀，活性炭柱与通道一之间的管道上具有管路转接头一，管路转接头一与活性炭柱之间设有流量计一和真空表，管路转接头一与通道一之间的管道上具有截流阀一，管路转接头一外接集液器。

作为更进一步的优选方案，所述加热玻璃板内的加热电阻丝在水平面内呈“己”字形分布。

作为更进一步的优选方案，所述加热玻璃板的下方为下光源。

一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统的观测方法，包括热脱附过程和曝气过程：

所述热脱附过程步骤：

步骤1：将各个管路连接，同时拆除微型空压机、流量计二、管路转接头二、集液器，同时将截流阀二关闭，连接好后进行初步测试；

步骤2：根据所需样品室高度选择合适的调高玻璃板，同时添加砂土试样且均匀分布，再通过压实度调节螺丝确定需要的压实度；

步骤3：启动微型真空泵进行气相抽提，在显微镜下观测污染物在砂土中的解吸及迁移规律，同时记录真空表、流量计数据并通过相机拍照，录入计算机；

步骤4：同时启动加热装置至设定温度，温度采集器自动采集数据，在显微镜下观测污染物在砂土中的热解吸及迁移规律，同时记录温度数据；

所述曝气过程步骤：

步骤5：将各个管路连接，同时拆除流量计、真空表、活性炭柱、控压阀、微型真空泵，连接好后进行初步测试；

步骤6：重复步骤2；

步骤7：启动微型空压机注入曝气气泡及流体，在显微镜观测内部曝气情况，污染物迁移及解吸规律，并拍照录入计算机，同时记录流量计数据。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明设计了一套可进行样品室高度调节的装置，且高度最低可达1mm，能够解决砂土试样弱透光性时无法采用透射光观测的难题，并可以根据不同需要设计更换不同厚度的加热玻璃板和调高玻璃板，从而达到不同的观测厚度。

（2）本发明提出了在加热玻璃板内部添加加热电阻丝的设计，既能够有效地对样品室内部试样进行有效加热，又不影响透光性。

（3）本发明的压实度调节装置，通过压实度调节螺丝和刻度变化能够精确地确定待测砂土的压实情况，可以在样品室内部模拟真实土壤压实性。

（4）本发明的结构简单、操作方便，易于掌握和使用，且制作和使用的成本相对较低。

（5）本发明可以模拟热脱附修复污染土的过程，通过温度控制模块和气相抽提模块分别控制温度和抽提过程，可以实时监测温度、流量，同时观测不同温度下的污染物在砂土中的热解吸规律和气相抽提过程中的污染物迁移规律。

（6）本发明可模拟曝气修复过程，可以通过微型空压机和显微观测装置控制和观测微观状态下饱和污染土在曝气过程中的污染物迁移、解吸规律。

附图说明

图1是一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统装置原理图；

图2为显微观测试验台的俯视图；

图3为压实度控制装置示意图；

图4 加热玻璃板示意图；

图5 加热玻璃板俯视图。

其中，1.上盖板；2.紧固螺丝；3.上盖玻璃片；4.通道一；5.过渡腔室；6.过滤室；7.通道二；8.热电偶；9.样品室；10.调高玻璃板；11.加热玻璃板；12.加热电阻丝；13.弹性密封垫；14.下盖板；15.压实度调节螺丝；16.刻度；17.下光源；18.物镜；19.显微镜长管；20.上光源；21.相机；22.温度采集器；23.计算机；24.温控仪；25.截流阀一；26.管路转接头一；27.流量计一；28.真空表；29.活性炭柱；30.控压阀；31.微型真空泵；32.微型空压机；33.流量计二；34.管路转接头二；35.截流阀二；36.通道三；37.集液器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的详细内容及具体的实施方式做进一步的阐述：

本发明提供了一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统。

主要包括显微观测试验台，温度控制模块，气相抽提模块，曝气流体输送模块；该岩土介质微观控制与观测系统以显微观测试验台为主体装置，同时添加温度控制模块、气相抽提模块和曝气流体输送模块，旨在实现在显微镜下控制和观测热脱附（包括加热和气相抽提）和曝气修复的过程。

显微观测试验台的外框架属于铝合金材质，该装置还包括上盖板1、紧固螺丝2、上盖玻璃片3、样品室9、通道一4、过滤室6、通道二7、过渡腔室5、调高玻璃板10、加热玻璃板11、弹性密封垫13、压实度调节螺丝15和下盖板14。

如图1和图2所示，所述的显微观测试验台以样品室9中心为分界线呈左右对称分布，样品室9左右两侧依次分布通道二7、过滤室6、过渡腔室5、通道一4；

其中，过滤室6的作用是对来自样品室9内部细小砂/土颗粒进行一次过滤，为了能够有效地阻隔砂土颗粒又不至于阻塞通道，过滤室6采用一次性过滤板，可在试验前后进行更换。

过渡腔室5是防止曝气/抽提过程中流体冲刷样品室9，同时二次阻挡部分砂土流出观测装置进入微型真空泵31。

显微观测试验台自上而下依次分布上盖板1、紧固螺丝2、上盖玻璃片3、样品室9、调高玻璃板10、加热玻璃板11、弹性密封垫13、下盖板14。所述的上盖玻璃片3属于耐压型高透玻璃片，石英玻璃材质，其内嵌于样品室9、过滤室6、过渡腔室5上部（图1），并通过上盖板1和紧固螺丝2固定。所述的上盖板1和下盖板14为铝合金材质，主要是用来封闭和紧固内部玻璃装置，起到的是固定的作用。

显微观测试验台内部设有压实度控制装置，包括玻璃加热板、弹性压缩密封垫、压实度调节螺丝15和刻度16，所述的压实度控制装置主要是对样品室9内部砂土试样进行压实，以便模拟真实土壤内部密实性，如图3所示，所述的压实度控制装置主要是通过旋转压实度调节螺丝15上推加热玻璃板11和调高玻璃板10对样品室9内部砂土样进行均匀压实，通过压实过程中的压实度调节螺丝15顶部触及刻度16位置对压实性效果进行定量描述，同时压实过程中的弹性压缩密封垫能够保持样品室9内部密封。

显微观测试验台还具有对样品室9内部垂向空间进行调节的功能，该功能主要是通过调高玻璃板10来实现的，所述的调高玻璃板10是一块确定厚度的传热性高透玻璃板，属于石英玻璃材质，通过准备不同厚度的调高玻璃板10可对样品室9内垂向高度进行调节，调高玻璃板10越厚，样品室9垂向高度越小，本发明设计的样品室9垂向高度调节最小可达1mm。这样设计的目的是考虑砂土试样往往具有不透光性，当使用下光源17进行显微观测时，需要超薄的样品室9，才能穿透样品室9进行显微观测。

温度控制模块可以实现热脱附过程中的加热功能，包括升温加热装置和温度监测装置两部分，其中升温加热装置主要是对样品室9进行加热，旨在模拟热脱附修复中的加热过程，升温加热装置包括加热玻璃板11、加热电阻丝12和温控器，如图5所示，所述的加热电阻丝12内嵌于加热玻璃板11内部，为了能够充分且均匀地加热样品室9内部，加热电阻丝12在加热电阻板内部采用“己”字形分布。如图4所示，所述的加热玻璃板11属于凸起加热结构，该种加热玻璃板11除了具有加热的功能外，同时兼具样品室9内部调高和压实度调节过程中传递力的功能；所述的温度监测装置主要是监测样品室9内部温度变化情况，包括热电偶8和温度采集器22；在加热开始后，热电偶8会感应样品室9内部砂土温度，由温度采集器22读取后通过计算机23输出。

另外，如图1所示，本发明中的显微镜为偏光显微镜，包括位于上盖玻璃片3的上方，偏光显微镜包括相机21，相机21上具有上光源20、显微镜长管19、物镜18,下光源17、物镜18、显微镜长管19、上光源20和相机21属于偏光显微镜内部结构，偏光显微镜结合设计的显微观测试验台可实现分别采用下光源17和上光源20进行观测试验，同时显微镜具有拍照功能，可对热脱附/曝气过程中污染物在土中的解吸、迁移情况进行微观图像分析。

真空抽提模块可以实现热脱附过程中的气相抽提功能，包括截流阀一25、转接头、流量计、真空表28、活性炭柱29、控压阀30、真空泵，和显微观测试验台用管路连接，如图1所述的实线部分，所述的截流阀一25由通道一4连接显微观测试验台，截流阀一25之后依次连接转接头、流量计、真空表28、活性炭柱29、控压阀30和真空泵，所述的转接头作用是将连接显微观测试验台的6股管路合成单线管路，所述的控压阀30是对气相抽提过程中真空度进行调节的装置。

曝气流体输送模块可以实现饱和区污染物修复的曝气过程，如图1所示，所述的曝气流体输送模块为虚线部分，包括微型空压机32、流量计、转接头、集液器37，和显微观测试验台用管路连接。所述的曝气流体输送模块的微型空压机32与流量计、转接头通过管路依次相连，转接头通过通道三36与显微观测装置相连，之后通过通道一4接出的转接头将废液排出至集液器37。

进一步的，一种热脱附和曝气修复过程的微观观测方法，热脱附和曝气过程的微观观测试验步骤如下：

热脱附过程步骤：

（1）如图1所示将气相抽提模块、加热模块与显微观测试验台的各个管路连接，同时拆除虚线部分的微型空压机32、流量计二33、管路转接头二34、集液器37，同时将截流阀二35关闭，连接好后进行初步测试是否漏气；

（2）根据试验预设的样品室高度选择合适的调高玻璃板10，同时添加砂土试样且均匀分布，再通过压实度调节螺丝15确定需要的压实度；

（3）启动真空泵31观测气相抽提过程，在显微镜下观测污染物在砂土中的解吸及迁移规律，并通过相机拍照录入计算机，同时记录流量计、真空表等数据；

（4）同时启动加热装置至设定温度，温度采集器自动采集数据，在显微镜下观测污染物在砂土中的热解吸及迁移规律，并通过相机拍照录入计算机，同时记录温度数据；

曝气过程步骤：

（5）如图1所示将各个管路连接，同时拆除实线部分的加热装置和气相抽提装置的流量计27、真空表28、活性炭柱29、控压阀30、微型真空泵31，连接好后进行初步测试；

（6）重复步骤2；

（7）启动微型空压机注入曝气气泡及流体，在显微镜观测内部曝气情况，污染物迁移及解吸规律，并拍照录入计算机，同时记录流量计数据；

（8）将排出的液体排入集液器，试验结束后关闭仪器。流量计二33。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统，其特征在于：包括内含样品室（9）的密封容器，以及可压缩样品室（9）容积的加热玻璃板（11），样品室（9）其内部填充满砂土样品，加热玻璃板（11）内置加热电阻丝（12）；所述样品室（9）两侧具有气体通道，一侧的气体通道连接微型空压机（32），另一侧的气体通道连接微型真空泵（31）；所述样品室（9）上方具有连接计算机（23）的偏光显微镜，相机（21）用于拍摄样品室（9）内砂土；所述电阻丝（12）外接温控仪（24）；

所述样品室（9）位于密封容器中间位置，两条气体通道分别位于样品室（9）两侧的密封容器内；连接微型真空泵（31）的气体通道依次包括相互连通的通道二（7）、过滤室（6）、过渡腔室（5）、通道一（4），连接微型空压机（32）的气体通道依次包括相互连通的通道二（7）、过滤室（6）、过渡腔室（5）、通道三（36）；其中两条通道二（7）均连通样品室（9），通道一（4）连通微型真空泵（31），通道三（36）连通微型空压机（32）；

所述样品室（9）上部为上盖玻璃片（3），上盖玻璃片（3）均覆盖样品室（9）、过滤室（6）、过渡腔室（5）；所述加热玻璃板（11）位于样品室（9）下部，加热玻璃板（11）上表面为调高玻璃板（10），调高玻璃板（10）与上盖玻璃片（3）之间形成的空间为样品室（9）；

所述加热玻璃板（11）的两侧具有边缘板，边缘板与密封容器之间具有弹性密封垫（13），贯穿边缘板和弹性密封垫（13）设有压实度调节螺丝（15），压实度调节螺丝（15）螺栓连接至密封容器，旋转调节压实度调节螺丝（15）可通过加热玻璃板（11）带动调高玻璃板（10）改变样品室（9）的容积；与边缘板垂直的密封容器上具有用于识别高度的刻度（16）；

所述加热玻璃板（11）内的加热电阻丝（12）在水平面内呈“己”字形分布。

2.根据权利要求1所述的一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统，其特征在于：所述样品室（9）的砂土内设有热电偶（8），热电偶（8）外接温度采集器（22），温度采集器（22）线路连接计算机（23）。

3.根据权利要求1所述的一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统，其特征在于：所述通道三（36）连接微型空压机（32）的管道上还设有流量计二（33）和截流阀二（35）；所述通道一（4）连接微型真空泵（31）的管道上还设有活性炭柱（29），活性炭柱（29）与微型真空泵（31）之间的管道上具有控压阀（30），活性炭柱（29）与通道一（4）之间的管道上具有管路转接头一（26），管路转接头一（26）与活性炭柱（29）之间设有流量计一（27）和真空表（28），管路转接头一（26）与通道一（4）之间的管道上具有截流阀一（25），管路转接头一（26）外接集液器（37）。

4.根据权利要求1所述的一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统，其特征在于：所述加热玻璃板（11）的下方为下光源（17）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的一种热脱附和曝气修复过程的微观观测系统的观测方法，其特征在于：包括热脱附过程和曝气过程：

所述热脱附过程步骤：

步骤1：将各个管路连接，同时拆除微型空压机（32）、流量计二（33）、管路转接头二（34）、集液器（37），同时将截流阀二（35）关闭，连接好后进行初步测试；

步骤2：根据所需样品室高度选择合适的调高玻璃板（10），同时添加砂土试样且均匀分布，再通过压实度调节螺丝（15）确定需要的压实度；

步骤3：启动微型真空泵（31）进行气相抽提，在显微镜下观测污染物在砂土中的解吸及迁移规律，同时记录真空表、流量计数据并通过相机拍照，录入计算机；

步骤4：同时启动加热装置至设定温度，温度采集器（22）自动采集数据，在显微镜下观测污染物在砂土中的热解吸及迁移规律，同时记录温度数据；

所述曝气过程步骤：

步骤5：将各个管路连接，同时拆除流量计一（27）、真空表（28）、活性炭柱（29）、控压阀（30）、微型真空泵（31），连接好后进行初步测试；

步骤6：重复步骤2；

步骤7：启动微型空压机（32）注入曝气气泡及流体，在显微镜观测内部曝气情况，污染物迁移及解吸规律，并拍照录入计算机，同时记录流量计数据。

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