CN112798657B - 地下水可溶盐环境分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种地下水可溶盐环境分析仪，包括：环境模拟系统，其包括容纳多孔文物样品和可溶盐溶液的箱体、调节箱体内的多种环境条件的环境调节单元、测量箱体内的可溶盐溶液的状态参数的溶液检测单元以及显示多种环境条件和可溶盐溶液的状态参数的参数显示单元；以及地下水位模拟系统，其包括总刻度标尺、设置于总刻度标尺且容纳可溶盐溶液的溶液供给箱、输送可溶盐溶液的溶液运输管以及测定溶液供给箱中的液面高度的液面高度标尺；箱体的底部通过溶液运输管与溶液供给箱的底部连通；溶液检测单元包括用于测定不同高度下可溶盐溶液的电导率的电导率测量模块。

Description

地下水可溶盐环境分析仪

技术领域

本发明涉及文化遗产保护技术领域，具体涉及一种用于研究地下水可溶盐溶液在多孔文物中的环境以及浓度分析等的地下水可溶盐环境分析仪。

背景技术

中国具有5000年连绵不断的历史，为人类文明的产生、发展与进步做出了巨大的贡献，产生了众多分布在祖国大地上的人类优秀文化遗产。

由于文化遗产是不可再生的珍贵资源，随着经济全球化趋势和现代化进程的加快，我国的文化生态正在发生巨大变化，文化遗产及其生存环境受到严重威胁，不少与地下水相连通的古建筑、古遗址、历史文化名城等整体风貌遭到破坏。以云冈石窟为例，众多依石窟外壁石崖而建的砂岩质石雕像，在上世纪70年代还栩栩如生、保存完好，但到了本世纪初则已经变得面目全非；而被誉为墙壁上博物馆的世界文化遗产莫高窟，一些珍贵的壁画在短短百年时间内，在地下水“盐害”的影响下已经变得漫漶不清。

目前关于地下水可溶盐对文物的损坏研究，主要集中在文物的类型、文物含有可溶盐的种类、水盐来源、可溶盐的结晶规律、热力学动力学变化机制、以及盐的结晶压、相关分子动力学模型的推算等方面。有报道盐分和盐分所引起的吸湿和毛细管凝结作用、以及环境湿度变化和盐吸湿溶解的双重作用会引起多孔材料的毁损、盐在孔内结晶以及所产生的结晶压使孔体表面受压破坏等。这些研究大大提升了人们对盐和文物之间相关性的了解，但针对不同环境条件下，盐随地下水在多孔状孔道内部的运移和浓度分布等过程，很难通过现有的技术装备进行分析。

发明内容

发明要解决的问题：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能构筑多种环境条件，模拟并检测可溶盐溶液在多孔文物中的变化及浓度分布状况等的地下水可溶盐环境分析仪。

解决问题的技术手段：

为解决上述问题，本发明提供一种地下水可溶盐环境分析仪，包括：环境模拟系统，其包括容纳多孔文物样品和可溶盐溶液的箱体、调节所述箱体内的多种环境条件的环境调节单元、测量所述箱体内的可溶盐溶液的状态参数的溶液检测单元以及显示所述多种环境条件和所述可溶盐溶液的状态参数的参数显示单元；以及地下水位模拟系统，其包括总刻度标尺、设置于所述总刻度标尺且容纳所述可溶盐溶液的溶液供给箱、输送所述可溶盐溶液的溶液运输管以及测定所述溶液供给箱中的液面高度的液面高度标尺；所述箱体的底部通过所述溶液运输管与所述溶液供给箱的底部连通；所述溶液检测单元包括用于测定不同高度下所述可溶盐溶液的电导率的电导率测量模块。

根据本发明，能通过简单的结构实现多种环境条件和多种地下水位高度，能直观地检测可溶盐随地下水在多孔文物样本中运移过程，对文物是否受到地下水“盐害”作出预警。

也可以是，本发明中，所述电导率测量模块是沿所述箱体内的可溶盐溶液的高度方向设置的针板式电极，包括彼此相向地设置于所述箱体的侧壁的阳极和阴极。借助于此，能够将可溶盐溶液分为多个溶液层区域，并测量每个溶液层区域的电导率，由此检测不同高度下可溶盐溶液的电导率。

也可以是，本发明中，还包括预先建立的包括所述可溶盐溶液的电导率与溶液浓度的关系的数据库；将所述电导率测量模块检测到的电导率导入所述数据库，获得与所述电导率对应的溶液浓度。通过将检测到的不同高度下可溶盐溶液的电导率与数据库中的数据进行比对，能够获得不同高度下可溶盐溶液的溶液浓度。

也可以是，本发明中，所述环境调节单元包括调节所述箱体内的温度的温度调节模块和调节所述箱体内的相对湿度的湿度调节模块；所述温度调节模块包括加热模块、制冷模块和温度传感器；所述湿度调节模块包括加湿模块和湿度传感器。由此，能将箱体内控制为所需要的温度和相对湿度。

也可以是，本发明中，所述地下水位模拟系统还包括用于调节所述溶液供给箱的高度的高度调节装置。

也可以是，本发明中，所述溶液供给箱上设置有用于测量其内部的可溶盐溶液的含量的液面高度标尺。

也可以是，本发明中，所述箱体由不受盐腐蚀的透明材料构成。由此能确保观测的可视化。

也可以是，本发明中，所述箱体的顶部开设有观察窗。由此有助于观察可溶盐溶液在多孔文物样品中的结晶-解析等形态变化。

也可以是，本发明中，所述溶液运输管上设置阀门。由此能控制可溶盐溶液的输送量。

也可以是，本发明中，也可以是，本发明中，所述多孔文物样品由多孔石英砂颗粒堆积而成，所述石英砂颗粒的直径为1~2mm；所述可溶盐溶液为硫酸铜溶液，所述硫酸铜溶液在所述溶液供给箱中的浓度为5.8%。

发明效果：

本发明结构简单、携带方便，能够直观地检测模拟并检测多种环境下可溶盐溶液在多孔文物中的运移及浓度分布状况，对文物是否受到地下水“盐害”作出预警，从而指导是否需要以及何时需要对文物进行除盐等干预行为。

附图说明

图1是根据本发明一实施形态的地下水可溶盐环境分析仪的结构示意图；

图2是示出作为可溶盐溶液的硫酸铜溶液在多孔石英砂颗粒形成的毛细管路中的运移过程中，毛细水运移高度与时间的关系的曲线；

图3是示出作为可溶盐溶液的硫酸铜溶液在多孔石英砂颗粒中进行充分运移后，溶液电阻与毛细水运移高度的关系的曲线；

图4是可溶盐溶液在多孔文物样品中形成的盐结晶带的示意图；

符号说明：

100、环境模拟系统；200、地下水位模拟系统；1、箱体；2、多孔石英砂颗粒（多孔文物样品）；3、可溶盐溶液；4、加热板（加热模块）；5、制冷板（制冷模块）；6、压缩机；7、雾化加湿器（加湿模块）；8、温度传感器；9、湿度传感器；10、针板式电导率阳极（阳极）；11、针板式电导率阴极（阴极）；12、参数显示单元；13、电子液晶屏；14、温度显示部；15、湿度显示部；16、电导率显示部；17、观察窗；18、溶液运输管；19、溶液供给箱；20、总刻度标尺；21、伺服电机（高度调节装置）；22、液面高度标尺；23、可溶盐溶液；30、盐结晶带；A、第一区域；B、第二区域。

具体实施方式

以下结合附图和下述实施方式进一步说明本发明，应理解，附图和下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在此公开一种能构筑多种环境条件，模拟并检测可溶盐溶液在多孔文物中的变化及浓度分布状况等的地下水可溶盐环境分析仪。图1是根据本发明一实施形态的地下水可溶盐环境分析仪（以下简称“环境分析仪”）的结构示意图。如图1所示，环境分析仪包括环境模拟系统100和地下水位模拟系统200两个部分。

[环境模拟系统]

环境模拟系统100主要用于对多孔文物样品提供所处的环境温度湿度条件、以及记录可溶盐溶液3在多孔文物样品中的变化过程。该环境模拟系统100包括箱体1、环境调节单元、溶液检测单元和参数显示单元12。

箱体1形成为大致筒装，内部容纳有多孔文物样品和来自后述地下水位模拟系统200的可溶盐溶液3。本实施形态中，箱体1可以由透明玻璃、有机树脂等不受盐腐蚀的透明材料构成，选用透明材料能确保观测的可视化，此外在箱体1的顶部还可以开设有观察窗17，用于观察可溶盐溶液3在多孔文物样品中的结晶-解析等形态变化。环境模拟系统100中，在箱体1内设置有环境调节单元和溶液检测单元，在其外部设置有参数显示单元12。

<环境调节单元>

环境调节单元主要用于对箱体1内的多孔文物样品提供所需要的温度和相对湿度等环境条件。具体而言，环境调节单元包括温度调节模块和湿度调节模块。其中，温度调节模块包括加热模块、制冷模块和设置于箱体1内壁的温度传感器8，湿度调节模块包括加湿模块和设置于箱体1内壁的湿度传感器9。

本实施形态中，加热模块为设置于箱体1的底部的加热板4，用于提供环境模拟系统100中所需要的加热温度。制冷模块包括压缩机6和设置于箱体1的上部的制冷板5，用于提供环境模拟系统100中所需要的制冷温度。湿度模块为雾化加湿器7，该雾化加湿器7在箱体1的侧壁形成有雾化加湿出口，用于提供环境模拟系统100中所需要的相对湿度。由此，可以通过根据各传感器的检测数据对上述加热模块、制冷模块以及湿度模块进行反馈控制使箱体1内部维持一定的温度和湿度。

此外，除了将箱体1内调节至所需要的环境条件之外，环境调节单元也可以是仅作为用于检测箱体1内的温度和相对湿度的环境参数检测单元发挥功能，此时仅温度传感器8和湿度传感器9进行工作，检测并输出箱体1内的实时环境参数。

<溶液检测单元>

溶液检测单元主要用于检测和记录箱体1内的可溶盐溶液3的状态参数，其包括电导率测量模块。由于箱体1与后述的溶液供给箱19在底部由溶液运输管18连通而形成为连通器，因此根据连通器箱体1中可溶盐溶液3的高度可以根据后述地下水位模拟系统200中设置的总刻度标尺20进行读数。

箱体1内容纳有例如多孔文物颗粒等多孔文物样品，因此多孔文物样品中形成有由大量小孔和颗粒间缝隙形成的毛细管路，当从地下水位模拟系统200注入可溶盐溶液3后，该可溶盐溶液3会在毛细现象的作用下向上方运移。箱体1内可溶盐溶液3的毛细水运移高度同样可以根据总刻度标尺20进行读数。

电导率测量模块主要用于测定不同毛细水运移高度下可溶盐溶液3的电导率，本实施形态中电导率测量模块是沿箱体1内的可溶盐溶液3的高度方向设置的针板式电极，包括彼此相向地设置于箱体1的侧壁的针板式电导率阳极10和针板式电导率阴极11。针板式电导率阳极10和针板式电导率阴极11分别由设置于针板上的多个电极（阳极和阴极）构成，这些阳极和阴极在高度方向上一一对应，并将可溶盐溶液3沿高度方向划分为多个溶液层，通过测定每一组阳极和对应的阴极之间的溶液层的电导率，来推测该高度下可溶盐溶液3的溶液浓度，由此能记录多孔文物样品中不同高度的可溶盐溶液3的电导率变化。进一步地，还可以预先测定可溶盐溶液3在规定温度和规定相对湿度下电导率与溶液浓度的关系并建立数据库，该数据库中可以存储有反映可溶盐溶液的电导率与溶液浓度的关系的曲线图或图表。借助该数据库能通过电导率测量模块测得的可溶盐溶液3的电导率推算出不同高度的可溶盐溶液3的溶液浓度。此外，也可以是在数据库中存储反应可溶盐溶盐的电阻（即电导率的倒数）与溶液浓度关系的曲线图或图表。从电导率测量模块测得的可溶盐溶液3的电导率换算得到其电阻，然后通过数据库来推算出不同高度的可溶盐溶液3的溶液浓度。

<参数显示单元>

参数显示单元12设置于箱体1的外侧，该参数显示单元12包括电子液晶屏13，还包括内置的压缩机6和雾化加湿器7等，但压缩机6和雾化加湿器7不限于内置于参数显示单元12内部，也可以分别独立地设置于箱体1的外侧。如图1所示，电子液晶屏13被划分为多个显示部，具体而言，包括用于显示温度数的温度显示部14、用于显示相对湿度数据的湿度显示部15和用于显示电导率数据的电导率显示部16。

[地下水位模拟系统]

又如图1所示，地下水位模拟系统200用于向环境模拟系统100的箱体1提供可溶盐溶液并使箱体1中的可溶盐溶液3的初始液面高度处于所希望模拟的地下水位高度。地下水位模拟系统200主要包括溶液运输管18、溶液供给箱19和总刻度标尺20。溶液供给箱19通过高度调节装置可沿竖直方向上下移动地设置于用于指示可溶盐溶液23的液面高度的总刻度标尺20。高度调节装置可以包括伺服电机21和未图示的传动机构，该传动机构例如可以是滚珠丝杠机构，但不限于此，高度调节装置也可以是丝杆步进电机等其他能够使溶液供给箱19上下移动的装置。高度调节装置为溶液供给箱19提供可移动性，由此使其通过上下移动改变液面高度，从而确保溶液供给箱19中溶液的供给程度。另外，本发明中也可以是不设置高度调节装置，而是仅将溶液供给箱19可拆卸地设置于总刻度标尺20，通过手动来调节溶液供给箱19的高度。

溶液供给箱19中容纳有可溶盐溶液23，在溶液供给箱19的一侧可以设置有用于测量其内部容纳的可溶盐溶液23的含量（高度）的液面高度标尺22，但不限于此，液面高度标尺22也可以是形成于溶液供给箱19的侧壁的刻度。在溶液供给箱19上设置有使溶液供给箱19的底部与上述箱体1的底部连通的溶液运输管18，由此使箱体1与溶液供给箱19形成为连通器，由此通过改变可溶盐溶液23的液面高度来调节和设定箱体1中的可溶盐溶液3的初始液面高度，该液面高度是指溶液供给箱19中可溶盐溶液23相对于基准水平面的高度（即所谓的地下水位高度），其可以通过直接读取总刻度标尺20上的读数得到。另外，溶液运输管18上可以设置例如球阀等阀门（未图示），在从溶液供给箱19向箱体1供给可溶盐溶液后，可以选择始终打开阀门，也可以选择关闭阀门以阻断溶液运输管18。通过开启阀门例如可以模拟不可移动文物中可溶盐溶液源源不断的供给状态，关闭阀门例如可以模拟可移动文物中可溶盐溶液阻隔后的变化状态。

本实施形态中，溶液供给箱19通过高度调节装置可沿竖直方向上下移动地设置于用于指示可溶盐溶液23的液面高度的总刻度标尺20。高度调节装置可以包括伺服电机21和未图示的传动机构，该传动机构例如可以是滚珠丝杠机构，但不限于此，高度调节装置也可以是丝杆步进电机等其他能够使溶液供给箱19上下移动的装置。高度调节装置为溶液供给箱19提供可移动性，由此使其通过上下移动改变液面高度，从而确保溶液供给箱19中溶液的供给程度。另外，本发明中也可以是不设置高度调节装置，而是仅将溶液供给箱19可拆卸地设置于总刻度标尺20，通过手动来调节溶液供给箱19的高度。

（实施例）

配置浓度5.8%具有显色作用的硫酸铜溶液作为可溶盐溶液，导入地下水位模拟系统200中的溶液供给箱19中，通过伺服电机21调节溶液供给箱19的高度，确定硫酸铜溶液的液面高度并记录总刻度标尺20的刻度值。

将直径为1~2mm的白色多孔石英砂颗粒堆积在箱体1中构成多孔文物样品，这些多孔石英砂颗粒形成有直径1~2mm的毛细管路。打开溶液运输管18上的阀门，硫酸铜溶液通过溶液运输管18从地下水位模拟系统200中的溶液供给箱19中缓慢运移至在环境模拟系统100的箱体1内，箱体1内硫酸铜溶液3的高度与溶液供给箱19的液面高度一致时，可溶盐溶液在多孔石英砂颗粒中的运移达到稳定。

通过环境调节单元调节环境模拟系统100的箱体1内的温度和相对湿度分别为25℃和65%，观察箱体1内可溶盐溶液在毛细作用下的运移速率，图2是示出浓度5.8%的硫酸铜溶液在多孔石英砂颗粒形成的直径1~2mm的毛细管路中的运移过程中，毛细水运移高度与时间的关系的曲线，其中横轴为时间，纵轴为毛细水运移高度。通过采集不同时刻下可溶盐溶液3在多孔石英砂颗粒中的毛细水运移高度，对这些数据进行曲线拟合得到拟合曲线。水平虚线示出了可溶盐溶液3在多孔石英砂颗粒中的最高毛细水高度，可以看出随着时间的推移最高毛细水高度在140mm左右。

通过作为电导率测量模块的针板式电导率阳极10和针板式电导率阴极11，测量并记录可溶盐溶液3在毛细作用下运移过程中不同高度下的电导率数据。在实验前预先测定的浓度5.8%硫酸铜溶液在温度25℃和相对湿度65%变化过程中的电导率数据与溶液浓度的相关性并建立数据库，由此根据该数据库通过电导率测量模块所检测的电导率数据推算可溶盐溶液3在不同毛细水运移高度下的浓度变化。

由于在可溶盐溶液3在多孔石英砂颗粒中的运移过程中，呈现水分子的运移速度大于阳离子和阴离子的运移速度，呈现所谓的水带盐现象。由于可溶盐溶液的电导率与其浓度之间存在正相关关系，因此通过电导率测量模块所检测的电导率数据可推算出最初溶液的浓度随着毛细水运移高度的增加而不断降低。在达到毛细水所能达到的最高高度后，可溶盐溶液中的阳离子和阴离子仍然通过毛细现象持续向上方运移，因此毛细水上层的电导率和浓度不断升高，换言之，毛细水中存在初始溶液浓度较低然后逐渐增大的过程，最后当可溶盐溶液达到其饱和浓度时在毛细水的较高液面处（略低于最高液面的位置）开始结晶。

图3是示出浓度5.8%的硫酸铜溶液在多孔石英砂颗粒中进行充分运移后，溶液电阻与毛细水运移高度的关系的曲线。如图3所示，本实施形态中，由于箱体1中的可溶盐溶液3（非毛细水）的高度大致为40mm，因此在由方框标出的第一区域A处、即大致0~40mm的高度范围内，可溶盐溶液3的溶液浓度较高，其电导率较高而电阻较小。40mm以上的高度为可溶盐溶液3通过毛细现象在多孔石英砂颗粒中毛细水上升的高度。如上所述，可溶盐溶液3中的盐离子在毛细现象的作用下经过充分运移后，会大量汇聚在毛细水较高液面附近（略低于最高液面的位置）。因此在大致40~100mm的高度范围内，溶液浓度较低电阻较高。另一方面，在由方框标出的第二区域B处由于盐离子的富集而使溶液浓度较高，其电导率较高而电阻较小，当此处的溶液浓度进一步升高时会出现结晶现象。而在毛细水的最高液面处可以看出电阻重新上升，溶液浓度降低。

图4是可溶盐溶液在多孔文物样品中形成的盐结晶带的示意图。如图4所示，可溶盐溶液在略低于毛细水的最高液面的较高液面处形成明显的盐结晶带30，这种在样品内部结晶带的富集会对多孔文物样本造成无法逆转的破坏作用。

需要说明的是，多孔文物样品不限于上述白色多孔石英砂颗粒，也可以是其他材料，其直径也不限于1~2mm。可溶盐溶液也不限于5.8%的硫酸铜溶液，也可以是其他浓度的硫酸铜溶液，还可以是其他例如NaCl、Na₂SO₄等溶液。此外，箱体1中的温度不限于25℃，相对湿度不限于65%，箱体1中的温度和相对湿度以及溶液供给箱19中可溶盐溶液23的液面高度可以根据实际需要而变更。

根据本发明，发明人得以首次发现可溶盐溶液在多孔文物样本中的迁移和结晶过程，即可溶盐溶液在毛细水运移过程中存在水带盐现象，溶液浓度先随着毛细水运移高度的增加而不断降低，之后毛细水中的溶液浓度不断升高直至在毛细水的较高液面处富集并且形成结晶带。本发明结构简单、便携性优异，通过改变多种环境条件、多种地下水位高度来直观地模拟多孔文物样本所处的多种环境，能检测可溶盐随地下水在多孔文物样本中运移和浓度分布等过程，从而有助于研究地下水可溶盐环境中的盐水之间的相关性。通过检测可溶盐溶液在不同高度下的电导率能推算其溶液浓度，能够实时把握多孔文物样本中可溶盐溶液的迁移过程，对文物是否受到地下水“盐害”作出预警，从而能够对是否需要以及何时需要对文物进行除盐等干预行为起到指导作用。

以上的具体实施方式对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应当理解的是，以上仅为本发明的一种具体实施方式而已，并不限于本发明的保护范围，在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。凡在本发明的精神和原则之内的，所做出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

包括：

环境模拟系统，其包括容纳多孔文物样品和可溶盐溶液的箱体、调节所述箱体内的多种环境条件的环境调节单元、测量所述箱体内的可溶盐溶液的状态参数的溶液检测单元以及显示所述多种环境条件和所述可溶盐溶液的状态参数的参数显示单元；以及

地下水位模拟系统，其包括总刻度标尺、设置于所述总刻度标尺且容纳所述可溶盐溶液的溶液供给箱、输送所述可溶盐溶液的溶液运输管以及测定所述溶液供给箱中的液面高度的液面高度标尺；

所述箱体的底部通过所述溶液运输管与所述溶液供给箱的底部连通；

所述溶液检测单元包括用于测定不同高度下所述可溶盐溶液的电导率的电导率测量模块；

所述电导率测量模块是沿所述箱体内的可溶盐溶液的高度方向设置的针板式电极，包括彼此相向地设置于所述箱体的侧壁的阳极和阴极；

所述阳极和阴极分别均由设置于针板上的多个电极构成，所述多个电极中的单个阳极和阴极在高度方向上一一对应，并将可溶盐溶液沿高度方向划分为多个溶液层。

2.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

还包括预先建立的包括所述可溶盐溶液的电导率与溶液浓度的关系的数据库；

将所述电导率测量模块检测到的电导率导入所述数据库，获得与所述电导率对应的溶液浓度。

3.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

所述环境调节单元包括调节所述箱体内的温度的温度调节模块和调节所述箱体内的相对湿度的湿度调节模块；

所述温度调节模块包括加热模块、制冷模块和温度传感器；

所述湿度调节模块包括加湿模块和湿度传感器。

4.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

所述地下水位模拟系统还包括用于调节所述溶液供给箱的高度的高度调节装置。

5.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

所述溶液供给箱上设置有用于测量其内部的可溶盐溶液的含量的液面高度标尺。

6.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

所述箱体由不受盐腐蚀的透明材料构成。

7.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

所述箱体的顶部开设有观察窗。

8.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

所述溶液运输管上设置阀门。

9.根据权利要求1所述的地下水可溶盐环境分析仪，其特征在于，

所述多孔文物样品由多孔石英砂颗粒堆积而成，所述石英砂颗粒的直径为1~2mm；

所述可溶盐溶液为硫酸铜溶液，所述硫酸铜溶液在所述溶液供给箱中的浓度为5.8%。

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