CN114062456B - 一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，包括有原位道南膜装置、土壤溶液采集器和盆栽容器，所述原位道南膜装置位于盆栽容器内部，所述原位道南膜装置外围设置有带孔外壳；所述盆栽容器一侧设置有收集土壤溶液的专区，该区域专用于原位道南膜装置对土壤溶液中自由态重金属离子的测定；所述盆栽容器内部还安置两个保护电极探头的带孔立柱，所述两个电极探头保护带孔立柱中间放置有pH和Eh电极探头；所述盆栽容器侧壁上设置有配合土壤溶液采集器插入的单向取样孔；优点是该装置结构简单，容易操作，实现了实时、原位测定土壤自由重金属离子浓度、pH和Eh的功能，并能实现对不同层次的土壤溶液进行实时、原位的采集和测定。
Description
技术领域
本发明属于农业中环境保护技术领域，尤其涉及一种利用道南膜技术原位测定土壤中重金属阳离子的装置。
背景技术
道南膜技术(DMT)因具有测定范围广、检测限低、对待测体系扰动小等优点，被广泛应用于多种环境介质重金属形态的研究。土壤中自由态重金属离子浓度是表征土壤中重金属生物有效性的重要手段之一，通过利用道南膜技术(DMT)可以实现土壤中自由态重金属离子浓度的原位测定。同时，在土壤中重金属含量相对较低的情况下准确地测定土壤重金属自由离子浓度比较困难，计算机的应用使得通过化学平衡模型能够计算土壤溶液中的重金属形态，但化学计算法对各项参数有很高的要求，并不适用所有的土壤类型。
Field-DMT Cell(原位道南膜装置)为现有技术，使用时将装置基础部件组装使之形成中空的圆柱体腔室并于其两侧固设阳离子交换膜，腔室内部注入所需背景介质溶液，置于待测环境；供端膜外溶液和受端膜内溶液被阳离子交换膜分开而构成道南体系。根据道南平衡原理，经过一段时间后供端的自由态重金属离子会透过阳离子交换膜扩散到受端，最终达到道南平衡。这一方法能够用来测定复杂水溶液中的自由金属离子浓度。
在土壤试验如水稻的盆栽试验中，直接应用原位道南膜装置受到很大局限，因为这个装置外面的膜在直接接触土壤或者土壤溶液时易受到污染和堵塞。现有的原位道南膜装置未设定一个专门的道南膜溶液测定的区域，因此不利于实时的采集和测定重金属离子，而且现有的盆栽容器无法实现分层次的利用原位道南膜装置进行土壤溶液的采集和测定功能。CN 208224253 U保护的是一种利用道南膜技术原位测定土壤中重金属阳离子的装置，本申请是将此装置套入带孔外壳中后再放入盆栽容器中，以此完成对土壤溶液进行采集和测定的工作。
同时，现有土培盆栽容器未设置专供原位、实时测定土壤溶液中pH、Eh的区域。现有测定盆栽容器中土壤溶液的pH、Eh时仅是将电极探头浅插入在土壤表层进行测定，未能置于土壤深层土体，无法确保测试的原位性，而且不能保证测试的准确性；其次，现有测定方法仅在需要测定时，人工进行定时测定，因此无法实现对土壤溶液中pH、Eh持续的动态监测；最后，原有土培盆栽容器若将电极直接埋入土壤中，未加保护立柱会产生使用时不方便的问题，甚至在试用期间会造成探头损坏。
发明内容
本发明的目的是提供一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，实现了实时并原位的采集和测定重金属离子浓度、pH和Eh的功能，并能对不同层次的土壤溶液进行采集和测定。
为达到上述目的，本发明涉及的技术方案为：一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，包括有原位道南膜装置和土壤溶液采集器，其技术要点是：
所述利用道南膜技术原位测定土壤中重金属阳离子的装置包括有盆栽容器，所述原位道南膜装置位于盆栽容器内部，所述原位道南膜装置外围设置有带孔外壳，所述带孔外壳上设置有配合原位道南膜装置进/出水管的通孔；
所述盆栽容器一侧设置有收集专区，所述收集专区用于过滤土壤溶液并储存溶液，所述盆栽容器和收集专区之间设置有一带孔隔板；
所述盆栽容器的侧面与收集专区相连接处设置有开口矩形，所述带孔隔板最上一层孔低于开口矩形的高度。
所述盆栽容器内部还安装有两个电极探头保护带孔立柱，所述两个电极探头保护带孔立柱中间放置有电极探头。
所述盆栽容器侧壁上设置有配合土壤溶液采集器插入的单向取样孔，所述单向取样孔沿上中下纵向方向布置。
优选地，所述盆栽容器侧壁上还设置有与原位道南膜装置进/出水口管配合的橡胶槽孔。
优选地，所述带孔外壳为圆柱形，使用时带孔外壳周围包裹尼龙网，用于保护置于土体中的原位道南膜装置。
优选地，所述带孔隔板在使用时加套尼龙网。
优选地，所述电极探头保护带孔立柱上设置有若干个纵向布置的小圆孔，所述最上层圆孔高度低于盆栽容器内土壤溶液高度。
本发明的优点及有益效果是：本发明所提供的一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，通过设置一个土壤溶液专门的收集和储存区域，将DMT装置直接浸没到土壤溶液中进行测定自由态重金属离子浓度，同时在盆栽容器中设置有两个电极探头保护带孔立柱，在其内部插入电极(pH和Eh)，所述电极浸没土壤中，可以保护电机探头并实现原位、实时的测定土壤的pH值和Eh值；通过在盆栽容器侧壁上设置有沿上中下纵向方向布置的单向取样孔，来实现土壤溶液采集器对不同层次的土壤溶液进行采集；该装置结构简单，容易操作，既能实现原位道南膜装置与土壤分开而防止污染堵塞的效果，又能使被土壤溶液自由流动，在实现原位、实时和分层测定土壤自由态重金属离子浓度、分层采集土壤溶液的同时还能实现原位、实时对土壤溶液pH值和Eh值的监测。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图；
图2是带孔外壳的结构示意图；
图3是原位道南膜装置结构示意图；
附图标记如下：1、土壤溶液收集专区2、电极探头带孔保护立柱3、带孔隔板4、单向取样孔5、橡胶槽孔6、原位道南膜装置带孔外壳7、配合原位道南膜装置进/出水管的通孔8、盆栽容器9、原位道南膜装置10、进/出水管。
具体实施方式
如图1所示，本发明涉及一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，包括有原位道南膜装置和土壤溶液采集器，其中：
所述测定土壤中重金属阳离子及pH、Eh的装置包括有盆栽容器8，所述原位道南膜装置位于盆栽容器8内部，所述原位道南膜装置外围设置有带孔外壳6，所述带孔外壳6上设置有配合DMT进/出水管的通孔7；所述盆栽容器8侧壁上还设置有与DMT进/出水管通孔7配合的橡胶槽孔5，所述橡胶槽孔5两个为一组，一个通过进水管，另一个通过出水管，所述盆栽容器8侧壁上的橡胶槽孔5可以为一组或若干组，所述橡胶槽孔的孔径周围布设有橡胶似的弹性材料，使用橡胶材质可以对槽孔起到阻挡的作用，可以紧紧箍住进/出水管10，避免侧壁漏水的问题。
如图2所示，所述带孔外壳6为圆柱形，所述带孔外壳6上设置有上盖，所述带孔外壳6侧壁带孔，侧壁上的孔用于土壤溶液交换，使用时带孔外壳6周围包裹尼龙网，用于保护原位道南膜装置埋置在土壤中不受损伤，同时实现土壤溶液的过滤功能，所述原位道南膜装置安放于带孔外壳6内部。
所述盆栽容器8一侧设置有土壤溶液收集专区1，所述土壤溶液收集专区1用于过滤土壤溶液并储存溶液，所述盆栽容器8和土壤溶液收集专区1之间设置有一带孔隔板3。所述土壤溶液收集专区为长方体窄条结构，高度与盆栽容器8高度一致，体积是500mL，500mL的体积大小可以与DMT膜内背景溶液达到最优的体积比，有利于准确测定土壤溶液中自由态重金属离子的浓度，如果设计体积过大会导致土壤溶液中重金属浓度过低而不利于测定。
所述盆栽容器8与土壤溶液收集专区1相连接处设置有开口矩形，所述带孔隔板3最上一层孔需低于开口矩形的高度；所述带孔隔板3在使用时加套尼龙网。
所述盆栽容器8内部还安装有两个电极探头保护带孔立柱2，所述两个电极探头保护带孔立柱2中间放置有电极探头。所述电极探头保护带孔立柱2上设置有若干个纵向布置的圆孔，所述最上层圆孔高度低于盆栽容器8内盛装的土壤溶液高度。
所述盆栽容器8侧壁上设置有配合土壤溶液采集器插入的单向取样孔4，所述单向取样孔4是一种从盆栽容器8外部进入盆栽容器8内部的单向不透水橡胶孔，该不透水的橡胶孔可以实现阻挡的功能，当土壤溶液采集器插入盆栽容器8后，由于孔径周围布设了橡胶的弹性材料，能够紧紧箍住土壤溶液采集器的陶瓷管，可以完全避免漏水的问题；所述单向取样孔4沿上中下纵向方向布置，每两个单向取样孔之间的间距设置为7cm。所述的单向取样孔4土壤盛装的高度约为18cm，上中下纵向方向布置三个单向取样孔。底层单向取样孔可以是距离最底面2cm，接下来中层单向取样孔的高度距离底层为9cm，最顶层设置为高度距离底层16厘米。两个孔位之间的间距按照7cm计算。
如图3所示，图3为原位道南膜装置9结构示意图，序号10为进/出水管，在使用时，将原位道南膜装置9放入原位道南膜装置带孔外壳内部6，再将带有原位道南膜装置带孔外壳内部6的原位道南膜装置9按三个高度放置在盆栽容器的土壤盛装区域内，原位道南膜装置9上的进/出水管10插入配合原位道南膜装置进/出水管的通孔7内，再穿过橡胶槽孔5，伸向外部。
实施例一：如图1和3所示，所述盆栽容器8左侧整体区域填装土壤并栽培水稻植株，在图中盆栽容器8右侧有一可以过滤土壤溶液并储存溶液的专用区域，即土壤溶液收集专区1，所述土壤溶液收集专区1相当于为原位道南膜装置9提供一个稳定的清澈的环境，用于测定土壤溶液中自由态重金属离子浓度，土壤溶液经过土壤浸泡和入渗后流入收集区域，土壤溶液收集专区1可以收集通过滤网过滤的澄清的土壤溶液，收集的时间长度是使得最终收集专区中的水层高度与盆栽容器中盛土区域的水层一致时，即停止收集(此时收集专区1中土壤溶液体积约为500mL)，通常来说时间一般约为12小时，该过程需要前期缓慢并持续向盛土区域中土壤添加去离子水，随后土壤溶液逐渐滤过带孔隔板，土壤溶液从盆栽容器的盛土区域缓慢的通过尼龙网和带孔隔板过滤至土壤溶液收集专区，最后盆栽容器内盛土区域的土层上需保持2-3cm淹水层，土壤溶液收集专区的土壤溶液体积为500mL。盆栽容器8和土壤溶液收集专区1之间设置有一带孔隔板3，使用时加套尼龙网，所述带孔隔板3的最上一层孔低于左侧盆栽容器8与土壤溶液收集专区1相连接处的开口矩形的高度，从而保证土壤溶液过滤的效率，并保证土壤溶液是经过土体入渗后过滤而来的土壤溶液。
在本申请中，左侧盆栽容器8空间内设置了两个电极探头保护带孔立柱2，其中间放置有pH及Eh电极探头。所述电极探头保护带孔立柱2使用时先包裹尼龙网，置于容器内再盛装土壤，同时保证最上层孔高度低于土壤溶液高度。所述电极探头是直接平行置于电极探头保护两个带孔立柱2中，来实现电极对土壤pH值及Eh值实时、原位的测定。电极探头保护带孔立柱2实际上是为了保护电极头前面的玻璃珠或者是探测的精细结构部分，将电极探头垂直的插入土壤后可以在带孔立柱保护下，实时的测定土壤的pH值及Eh值，电极探头的工作原理是依靠土壤溶液当中的微电流的变化，精细到每一秒的pH值及Eh值(土壤氧化还原电位的数值)，所述电极探头依靠的是土壤溶液当中的微电流的变化，它将电流的数字转换为pH值或是Eh值。
本发明保护的一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，其使用步骤如下：
S1：将盆栽容器置于适宜的温度和光照条件下的光照培养室或者实验室，所述的适宜的温度可以为25摄氏度，将尼龙网包裹在带孔隔板3外部，同时在电极探头保护带孔立柱2的外部包裹一层尼龙网；
S2：在盆栽容器内盛装不同浓度梯度的重金属污染区采集的污染土壤或者在盛装土壤后添加相应的重金属溶液制备重金属污染土壤，土壤盛装的高度一般不低于18-20厘米；
S3：持续、缓慢的向盆栽容器盛土区域中加入超纯水或去离子水淹没土层，并保持土层上方有2-3cm的淹水层，使土壤溶液通过包裹了尼龙网的带孔隔板，经带孔隔板透过后为澄清土壤溶液流入土壤溶液收集专区，最终土壤溶液收集专区中的水层高度与土层的水层一致，两根电极探头保护带孔立柱的腔内也需渗入土壤溶液；
S4：将pH测定探头和Eh测定探头同时分别置放在电极探头保护带孔立柱两个立柱当中，开始实时、原位监测土壤的pH值和Eh值变化。
本发明保护了一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，该装置是通过设置土壤溶液收集专区用来放置纯土壤溶液，通过设置带孔隔板可以让土壤溶液渗透并流动，原位道南膜装置位于盆栽容器中带孔外壳的内部，带孔外壳相当于为原位道南膜装置增设一个外壳，这个外壳的外表布置有若干个孔隙。整个盆栽容器是有机玻璃材质，所述盆栽容器和带孔外壳都是用来保护原位道南膜装置，将组装好的，盛装12mL背景介质溶液的原位道南膜装置可以放置在盆栽容器内部与预设橡胶槽孔高度一致的底层、中层或顶层，或者可以根据需要在三个层次同时放置原位道南膜装置。根据试验需要，按时由盆栽容器侧壁不同高度的橡胶槽孔伸出的DMT进/出水口来吸取和输入土壤溶液以此实现对不同层次土壤中自由态重金属浓度的提取和测定。本装置的原理是在保持水层高度的同时，持续往盆栽容器中添加超纯水或去离子水，保证抵消植物吸收和蒸发的那部分水，同时使得右侧的溶液收集区体积保持在500mL；再将pH测定探头和Eh测定探头同时分别置放在两个立柱当中，开始实时、原位监测土壤的pH和Eh变化。
在本申请中，一方面，本装置在使用的过程中，整体保持的是淹水的状态，因为整个水稻植株在生长的过程当中，随时要根据生长情况按时补充水分，而且要保持整个容器内土壤表层有一定的淹水层，淹水层一般是在2-3cm；本发明通过专门设置一个土壤溶液收集专区，相当于为原位道南膜装置测定土壤溶液中自由态重金属浓度提供了一个专门的区位，所述收集专区在使用时直接将填充了背景溶液的原位道南膜装置浸没到该区域的土壤溶液中，可以实时的采集和测定自由态重金属离子浓度；另一方面，本装置监测的目标不在单一，通过设置电极探头保护带孔立柱，该立柱为柱状体，插入电极后浸没土壤溶液中实时监测土壤pH值和Eh值；这是现有技术无法到达的效果。
本申请可以实现利用原位道南膜装置(Field-DMT Cell)测定土壤(溶液)自由态重金属离子浓度以及利用土壤溶液采集器分层测定土壤溶液这两个目的。本申请是在土壤盛装区域的土壤本身中可以按三个高度提前埋好带外壳的原位道南膜装置，原位道南膜装置可以放置在盆栽容器内部与预设橡胶槽孔高度一致的底层、中层或顶层，或者可以根据需要在三个层次同时放置原位道南膜装置，通过土壤溶液采集器实现分层测定土壤溶液；另外，还可以通过设立的土壤溶液收集专区实现对土壤溶液中自由态重金属离子浓度的原位、实时测定；有关吸取土壤溶液的技术，现有技术只能从土壤顶层插入来吸取，不能吸取不同层次。本设计可以吸取不同层次土壤溶液，即在盆栽容器侧壁上设置有配合土壤溶液采集器插入的单向取样孔，这样土壤溶液采集器可以不仅仅插到土壤溶液的表层，可以插到更深的位置，所述单向取样孔沿上中下纵向方向布置，实现土壤溶液采集器通过三个单向取样孔的高度吸取上、中、下三层的土壤溶液，这样的分层检测可以能够分层次的测定土壤不同层级的土壤溶液中重金属总量及相关预设指标。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，包括有原位道南膜装置和土壤溶液采集器，其特征在于：
所述测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置包括有盆栽容器，所述原位道南膜装置位于盆栽容器内部，所述原位道南膜装置外围设置有带孔外壳，所述带孔外壳上设置有配合原位道南膜装置进/出水管的通孔；
所述盆栽容器一侧设置有土壤溶液收集专区，所述土壤溶液收集专区用于过滤土壤溶液并储存溶液，所述盆栽容器和土壤溶液收集专区之间设置有一带孔隔板；
所述盆栽容器的侧面与土壤溶液收集专区相连接处设置有开口矩形，所述带孔隔板最上一层孔低于开口矩形的高度；
所述盆栽容器内部还安置有两个电极探头保护带孔立柱，所述两个电极探头保护带孔立柱中间放置有电极探头；
所述盆栽容器侧壁上设置有配合土壤溶液采集器插入的单向取样孔，所述单向取样孔沿上中下纵向方向布置；
所述盆栽容器侧壁上还设置有与原位道南膜装置中的进/出水管相配合的橡胶槽孔；
所述电极探头保护带孔立柱侧壁上设置有若干个纵向布置的圆孔，最上层圆孔高度低于盆栽容器内盛装的土壤溶液高度。
2.根据权利要求1所述的一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，其特征在于：
所述带孔外壳为圆柱形，使用时带孔外壳周围包裹尼龙网，用于保护原位道南膜装置。
3.根据权利要求1所述的一种测定土壤中自由态重金属阳离子及pH、Eh的装置，其特征在于：
所述带孔隔板在使用时加套尼龙网。
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Citations (6)
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|---|---|---|---|---|
| JPH0674933A (ja) * | 1992-08-31 | 1994-03-18 | Tokyo Gas Co Ltd | 土壌中における第一鉄イオン濃度の測定方法，およびその 測定装置 |
| KR20030029204A (ko) * | 2001-10-05 | 2003-04-14 | 주식회사 에코필 | 동전기를 이용한 토양정화방법 |
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| CN112264450A (zh) * | 2020-09-23 | 2021-01-26 | 天津大学 | 一种应用于模拟低渗透土壤电动修复的装置及使用方法 |
| CN113075383A (zh) * | 2021-03-30 | 2021-07-06 | 陕西地建土地工程技术研究院有限责任公司 | 一种模拟盐碱化土壤水盐运移的实验装置及方法 |
-
2021
- 2021-11-12 CN CN202111336195.3A patent/CN114062456B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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