CN114994245A - 一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置及试验方法，试验装置包括微宇宙室、降水装置、渗滤液采集装置、气体导气及捕集装置和环境参数监测装置；本发明通过降水装置和气体导气装置模拟自然降水和大气环境，引入外源污染物模拟污染物在复杂的土壤多介质体系中的迁移转化，通过本装置的可拆卸空心土柱筒、渗滤液采集装置、气体捕集装置等采集上述多介质体系中的分析样品，同时通过环境监测装置实时采集土壤环境参数，该装置和试验方法可以研究污染物在多相态中的分布情况和跨介质的迁移规律，有助于全面解析污染物从源经过不同输送途径迁移的全过程，阐明污染物在不同介质中的迁移转化规律并探索其过程机理。

Description

一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置及试 验方法

技术领域

本发明涉及污染物试验，特别涉及一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置及试验方法，属于污染物迁移转化研究技术领域。

背景技术

不同行业类别的区域场地土壤污染具有差异，污染来源和种类复杂。目前，微宇宙模拟系统已经被广泛应用于研究污染物迁移机理和过程，通过微宇宙模拟系统可以获得污染物在土壤中的迁移和吸附相关参数以及污染物在土壤中的赋存形态。因此，微宇宙模拟系统在研究土壤污染物迁移转化过程和机制中是一种较为理想的试验装置。

但是，如今对污染物的环境行为的研究已经不再局限于污染物在单一介质中的迁移特征，了解污染物在多种环境介质中的分布情况、跨介质的运移规律以及输送途径愈发重要，这些要求试验装置能够模拟更加复杂环境情况，进而获得有关污染物环境行为更加详尽的参数，而现有试验装置不能满足使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置及试验方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，所述试验装置包括微宇宙室、降水装置、渗滤液采集装置、气体导气及捕集装置和环境参数监测装置，其中，

所述微宇宙室由玻璃罩、顶板、两个半圆形柱体、底板组成，且所述顶板、半圆形柱体和底板均为不锈钢材质构成，两个所述半圆形柱体通过螺丝和密封件进行组合固定，玻璃罩的顶部中央位置处设置有喷头，所述玻璃罩的外壁面一侧设置有连接进气泵，所述玻璃罩的外壁面另一侧设置有所述气体导气及捕集装置的接头，所述半圆形柱体的侧壁上设置有两种孔径大小不同的第一预留孔和第二预留孔，其中所述第一预留孔的孔洞直径大于第二预留孔的孔洞直径，所述第二预留孔的内部安装有土壤渗漏液采集管，所述第二预留孔的内部固定安装有多功能传感器；

所述降水装置是由供水箱、蠕动泵、阀门和喷头组成的降雨模拟系统，合成雨水存放在供水箱中，所述供水箱的一侧安装有蠕动泵，通过所述蠕动泵控制流速，且所述蠕动泵的输出端与设置在玻璃罩中的喷头固定连通；

所述渗滤液采集装置包括设置在底板底部的滤液储液瓶和半圆形柱体侧壁安装的渗漏液采集管，且所述滤液储液瓶置于漏斗形底板中央出水口的正下方，所述渗漏液采集管分布于半圆形柱体侧壁的外围，用于安装所述渗漏液采集管的第二预留孔在上层分布较密集，中层次之，下层较疏散；

所述气体导气及捕集装置由进气泵、气路导管、出气端气体捕集阱和多组安全瓶组成，气体导气及捕集装置能够吸收捕集气相中的目标污染物；

所述环境参数监测采集装置由半圆形柱体上不同位置布置的多功能传感器及数据存储模块组成，环境参数监测采集装置能够实时监测不同深度土壤的pH值、电导率、温湿度等性质。

作为本发明的一种优选技术方案，所述半圆形柱体为直径大于50cm的大直径土柱。

作为本发明的一种优选技术方案，两个所述半圆形柱体由若干螺丝扣合形成一个中空的圆柱形土柱，且所述半圆形柱体可拆卸，所述半圆形柱体的底端套在底板上通过密封件与其固定连接。

作为本发明的一种优选技术方案，所述降水装置还包括开关阀门，且所述喷头通过开关阀门进行控制。

作为本发明的一种优选技术方案，每个所述渗漏液采集管之间的安装位点间隔10-50°，所述渗漏液采集管的垂直间距根据半圆形柱体的高度而定。

作为本发明的一种优选技术方案，所述气体导气及捕集装置的进气泵可控制向玻璃罩中导入大气的气体流速，出气端气体捕集阱可捕集气相中的目标污染物。

作为本发明的一种优选技术方案，所述多功能传感器均设在半圆形柱体侧壁240°的位置，所述半圆形柱体侧壁上、中、下层都至少各安装一个多功能传感器。

一种模拟污染物在多项介质中迁移转化的试验方法，利用如权利要求1-7 任一项所述的微宇宙试验装置，所述试验方法共包括土壤采集、装置安装、土柱填装、外源污染物引入、环境模拟、样品采集、多介质样品分析七个过程。

作为本发明的一种优选技术方案，该试验方法既可只在不锈钢空心柱体中填装土壤，以用于模拟场地特征污染物在土壤中的迁移转化及归趋的研究，又能根据实验所需增添环境介质种类，研究污染物在植物-土壤-大气体系的跨介质迁移和植物吸收转运。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置及试验方法，通过降水装置和气体导气装置模拟自然降水和大气环境，引入外源污染物模拟污染物在复杂的土壤多介质体系中的迁移转化，多介质体系包括土壤、间隙水、气相、微生物等，通过本装置的可拆卸空心土柱筒、渗滤液采集装置、气体捕集装置等采集上述多介质体系中的分析样品，同时通过的环境监测装置实时采集土壤环境参数，该装置和试验方法可以研究污染物在多相态中的分布情况和跨介质的迁移规律，有助于全面解析污染物从源经过不同输送途径迁移的全过程，阐明污染物在不同介质中的迁移转化规律并探索其过程机理。

附图说明

图1为模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置的整体图；

图2为图1中土柱筒内部结构示意图；

图3为图1中漏斗形底板的结构示意图。

图中：1、微宇宙室；2、降水装置；3、渗滤液采集装；4、气体导气及捕集装置；5、环境参数监测采集装置；11、玻璃罩；12、顶板；13、半圆形柱体；21、供水箱；22、蠕动泵；23、阀门；24、喷头；31、滤液储液瓶； 32、渗漏液采集管；41、进气泵；42、气路导管；44、出气端气体捕集阱； 45、安全瓶；51、多功能传感器；52、数据存储模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-3，本发明提供了一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置及试验方法的技术方案：

一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，试验装置包括微宇宙室1、降水装置2、渗滤液采集装置3、气体导气及捕集装置4和环境参数监测装置5，其中，

微宇宙室1由玻璃罩11、顶板12、两个半圆形柱体13、底板14组成，且顶板12、半圆形柱体13和底板14均为不锈钢材质构成，两个半圆形柱体 13通过螺丝15和密封件进行组合固定，玻璃罩11的顶部中央位置处设置有喷头23，玻璃罩11的外壁面一侧设置有连接进气泵41，玻璃罩11的外壁面另一侧设置有气体导气及捕集装置4的接头，半圆形柱体13的侧壁上设置有两种孔径大小不同的第一预留孔和第二预留孔，其中第一预留孔的孔洞直径大于第二预留孔的孔洞直径，第二预留孔的内部安装有土壤渗漏液采集管32，第二预留孔的内部固定安装有多功能传感器51，半圆形柱体13为直径大于 50cm的大直径土柱，两个半圆形柱体13由若干螺丝15扣合形成一个中空的圆柱形土柱，且半圆形柱体13可拆卸，半圆形柱体13的底端套在底板14上通过密封件与其固定连接。

降水装置2是由供水箱21、蠕动泵22、阀门23和喷头24组成的降雨模拟系统，合成雨水存放在供水箱21中，供水箱21的一侧安装有蠕动泵22，通过蠕动泵22控制流速，且蠕动泵22的输出端与设置在玻璃罩中的喷头24 固定连通，降水装置2还包括开关阀门23，且喷头24通过开关阀门23进行控制。

渗滤液采集装置3包括设置在底板14底部的滤液储液瓶31和半圆形柱体13侧壁安装的渗漏液采集管32，且滤液储液瓶31置于漏斗形底板14中央出水口的正下方，渗漏液采集管32分布于半圆形柱体13侧壁的外围，用于安装渗漏液采集管32的第二预留孔在上层分布较密集，中层次之，下层较疏散，每个渗漏液采集管32之间的安装位点间隔10-50°，渗漏液采集管32的垂直间距根据半圆形柱体13的高度而定。

气体导气及捕集装置4由进气泵41、气路导管42、出气端气体捕集阱43 和多组安全瓶44组成，气体导气及捕集装置4能够吸收捕集气相中的目标污染物，气体导气及捕集装置4的进气泵41可控制向玻璃罩中导入大气的气体流速，出气端气体捕集阱44可捕集气相中的目标污染物，多功能传感器51 均设在半圆形柱体13侧壁240°的位置，半圆形柱体13侧壁上、中、下层都至少各安装一个多功能传感器51。

根据图1和图2所示，具体的，环境参数监测采集装置5由半圆形柱体 13上不同位置布置的多功能传感器51及数据存储模块52组成，环境参数监测采集装置5能够实时监测不同深度土壤的pH值、电导率、温湿度等性质。气体导气及捕集装置4的进气泵41可控制向玻璃罩中导入大气的气体流速，出气端气体捕集阱44可捕集气相中的目标污染物，多功能传感器51均设在半圆形柱体13侧壁240°的位置，半圆形柱体13侧壁上、中、下层都至少各安装一个多功能传感器51。

实施例一：

采用微宇宙试验装置进行的试验方法1具有以下步骤：

第一步骤：土壤取样：在调查场地周围选定地块，标记采样点的地理位置；划定挖土范围的长度和宽度，将该范围土壤表层0-2cm的杂物清理干净，向下垂直挖一定深度的土壤，具体深度按实验需求而定，从上到下采集土壤，将不同深度的土样分量装入样品袋中，并标记土层深度、采样时间和地点，将各土层土壤带回实验室后，在自然条件下风干，去除石块和植物残体，过2 mm筛，分别混合均匀后备用；

第二步骤：装置安装：先将两个半圆形柱体13的内壁用磨砂打磨，按照试验装置设计，先将两个半圆形柱体13扣合在一起，安装柱体上的螺丝15 (不必完全拧紧)，圆柱筒下端插入底板14中，上端套入顶板12，再将螺丝 15拧紧固定圆柱筒，可用密封圈进一步固定和密封各部件；

第三步骤：土柱填装：首先在土柱底部铺设石块、砾石和沙子，然后以2 cm为深度间隔，根据不同深度的土壤密度计算并加入相应质量的风干土壤，用工具夯实至2cm的高度，重复上述步骤，填装土柱，填土过程中在相应深度预先铺设渗漏液采集管32和安装多功能传感器51，并连接传感器的数据存储模块52，填装完成后，使用蠕动泵22以恒定流速从上往下灌注合成雨水，使土柱中的水分饱和并除去土柱中存在的空气，利用重力作用出去土柱中的多余水分，平衡土柱；

第四步骤：外源污染物引入：取土柱顶层0-2cm深度的土壤，加入外源污染物，混合均匀后重回填回土柱中，顶部覆盖0.5mm厚度的石英砂，而后将玻璃罩11安装在土层上方，并连接喷头24、阀门23、蠕动泵22和供水箱 21；

第五步骤：环境模拟：设置蠕动泵22流量，根据蠕动泵22运行时间控制具体时间范围内的降水总量，设置进气泵41运行时间和流量，阶段性向装置内通气，保证装置内气相环境与外界相似，并驱使装置内气体进入出气段气体捕集阱44，进而获取气相中污染物的浓度；

第六步骤：样品采集：在合适的时间点，通过渗漏液采集管32采集土壤渗漏液，前3个月每周取样，3个月后每月取样，气体捕集阱44捕获气相中的目标污染物，约每5天对使用土壤取样器获取少量分析用土壤样品，用于分析污染物在不同深度的土壤渗滤液和土壤中的浓度，同时土壤样品可以用于微生物分析，在试验结束后，将装置拆卸，对土壤进行分层取样以及获得原状土柱；

第七步骤：多介质样品分析(所添加外源污染物以多环芳烃为例)：①土壤：土壤样品经脱水、研磨后，以丙酮-正己烷混合溶剂(1+1V/V)作为萃取溶液，使用超声波萃取或加压流体萃取进行提取，经过硫酸净化、脱硫后，然后使用弗罗里硅土柱、硅胶柱或石墨碳柱净化，样品经过旋转蒸发仪浓缩后，使用HPLC-MS或GC-MS进行分析；②渗滤液/渗漏液：以二氯甲烷或正己烷为萃取溶液，通过液液萃取的方式进行提取；经过硅胶柱或弗罗里硅土柱净化(一般可以不经过柱净化)、浓缩后，使用GC-MS或HPLC-MS进行分析；③气相：气体捕集装置中用吸收气态多环芳烃的材料为NDA-150树脂，使用正己烷溶液将树脂所吸附的多环芳烃洗脱，经过硅胶柱或弗罗里硅土柱净化、浓缩后，使用GC-MS或HPLC-MS进行分析。

实施例二

采用微宇宙试验装置进行的试验方法2，与试验方法1相比，本试验方法 2：不同之处在于：在完成实施例一中第一步骤、第二步骤和第三步骤后，向装置中移栽数棵适龄幼苗，在第四步骤中要对气泵运行时间及流量做出相应的调整以保证植物正常生长，在第五步骤中试验要根据实验需求设置合适的植物采样时间点；在第七步骤中，需要将植物样品分为根、茎、叶部，经脱水、研磨、提取、净化等处理后，使用GC-MS或HPLC-MS进行分析。

实施例1重点用于研究污染物在土壤多介质中的垂直迁移、转化及归趋，在试验过程中可获得污染物动态迁移过程，并结合采集的不同深度土层的土壤理化性质数据，进一步探索污染物在土壤中的迁移转化机制，实施例2的土壤-植物体系，可重点用于研究污染物在该体系中跨介质迁移以及植物对污染物的吸收及传输特征。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，其特征在于，所述试验装置包括微宇宙室(1)、降水装置(2)、渗滤液采集装置(3)、气体导气及捕集装置(4)和环境参数监测装置(5)，其中，

所述微宇宙室(1)由玻璃罩(11)、顶板(12)、两个半圆形柱体(13)、底板(14)组成，且所述顶板(12)、半圆形柱体(13)和底板(14)均为不锈钢材质构成，两个所述半圆形柱体(13)通过螺丝(15)和密封件进行组合固定，玻璃罩(11)的顶部中央位置处设置有喷头(23)，所述玻璃罩(11)的外壁面一侧设置有连接进气泵(41)，所述玻璃罩(11)的外壁面另一侧设置有所述气体导气及捕集装置(4)的接头，所述半圆形柱体(13)的侧壁上按一定距离和角度设置有两种孔径大小不同的第一预留孔和第二预留孔，其中所述第一预留孔的孔洞直径大于第二预留孔的孔洞直径，所述第二预留孔的内部安装有土壤渗漏液采集管(32)，所述第二预留孔的内部固定安装有多功能传感器(51)；

所述降水装置(2)是由供水箱(21)、蠕动泵(22)、阀门(23)和喷头(24)组成的降雨模拟系统，合成雨水存放在供水箱(21)中，所述供水箱(21)的一侧安装有蠕动泵(22)，通过所述蠕动泵(22)控制流速，且所述蠕动泵(22)的输出端与设置在玻璃罩中的喷头(24)固定连通；

所述渗滤液采集装置(3)包括设置在底板(14)底部的滤液储液瓶(31)和半圆形柱体(13)侧壁安装的渗漏液采集管(32)，且所述滤液储液瓶(31)置于漏斗形底板(14)中央出水口的正下方，所述渗漏液采集管(32)分布于半圆形柱体(13)侧壁的外围，用于安装所述渗漏液采集管(32)的第二预留孔在上层分布较密集，中层次之，下层较疏散；

所述气体导气及捕集装置(4)由进气泵(41)、气路导管(42)、出气端气体捕集阱(43)和多组安全瓶(44)组成，气体导气及捕集装置(4)能够吸收捕集气相中的目标污染物；

所述环境参数监测采集装置(5)由半圆形柱体(13)上不同位置布置的多功能传感器(51)及数据存储模块(52)组成，环境参数监测采集装置(5)能够实时监测不同深度土壤的pH值、电导率、温湿度等性质。

2.根据权利要求1所述的用于模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，其特征在于：所述半圆形柱体(13)为直径大于50cm的大直径土柱。

3.根据权利要求1所述的用于模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，其特征在于：两个所述半圆形柱体(13)由若干螺丝(15)扣合形成一个中空的圆柱形土柱，且所述半圆形柱体(13)可拆卸，所述半圆形柱体(13)的底端套在底板(14)上通过密封件与其固定连接。

4.根据权利要求1所述的用于模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，其特征在于：所述降水装置(2)还包括开关阀门(23)，且所述喷头(24)通过开关阀门(23)进行控制。

5.根据权利要求1所述的用于模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，其特征在于：每个所述渗漏液采集管(32)之间的安装位点间隔10-50°，所述渗漏液采集管(32)的垂直间距根据半圆形柱体(13)的高度而定。

6.根据权利要求1所述的用于模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，其特征在于：所述气体导气及捕集装置(4)的进气泵(41)可控制向玻璃罩中导入大气的气体流速，出气端气体捕集阱(44)可捕集气相中的目标污染物。

7.根据权利要求1所述的用于模拟污染物在多介质中迁移转化的微宇宙试验装置，其特征在于：所述多功能传感器(51)均设在半圆形柱体(13)侧壁240°的位置，所述半圆形柱体(13)侧壁上、中、下层都至少各安装一个多功能传感器(51)。

8.一种模拟污染物在多项介质中迁移转化的试验方法，其特征在于，利用如权利要求1-7任一项所述的微宇宙试验装置，其特征在于：所述试验方法共包括土壤采集、装置安装、土柱填装、外源污染物引入、环境模拟、样品采集、多介质样品分析七个过程。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：该试验方法既可只在不锈钢空心柱体中填装土壤，以用于模拟场地特征污染物在土壤中的迁移转化及归趋的研究，又能根据实验所需增添环境介质种类，研究污染物在植物-土壤-大气体系的跨介质迁移和植物吸收转运。

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