CN207440053U - 一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统 - Google Patents

Abstract

一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，它包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置；该纳米材料配制装置包括材料配制箱；该注入装置包括气动隔膜泵、空压机及注入井；该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱；该监测装置包括监测井、水质监测探头及水质监测仪。通过所述纳米材料配制装置制得所需种类及浓度的纳米材料悬浮液，在运移模拟装置中装填含水层介质，埋入注入井及监测井，利用气动隔膜泵作为输送机械，将该纳米材料悬浮液通过注入井输送至该长方体箱内模拟的含水层介质中；通过对埋入的监测井取样，并通过监测井中的探头对水质进行在线监测，实现对纳米材料运移及水化学组分变化的监测。

Description

一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统

技术领域

本实用新型属于地下水污染修复技术领域，特别涉及一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统。

背景技术

地下水是我国重要的饮用水源，近些年来，随着人口增长和社会经济的高速发展，我国地下水的污染问题日益突出，地下水受到污染后缺乏高效的水体修复技术是地下水安全性面临的主要问题之一。为加快落实生态文明建设，积极应对日益严峻的地下水污染问题，国家相继出台了《全国地下水污染防治规划(2011-2020年)》和《水污染防治行动计划》等一系列地下水污染防治的纲领性文件，明确提出要研发、集成应用和综合示范一批地下水污染修复关键技术、材料与成套装备，为地下水污染防治提供科技支撑。

目前，针对地下水污染修复的技术很多，涉及物理、化学和生物等修复方法，并发展了如抽出-处理、渗透反应墙、地下水曝气、化学氧化/还原等修复技术。纳米材料原位含水层注入是目前国际上新发展的修复技术，由于纳米材料的天然优势(比表面积大，表面能高、活性强)，它几乎可以实现绝大多数无机、有机及重金属污染物的去除，对于去除多种难降解的氯代烃、还原和固定重金属污染物具有非常好的效果，其去除污染物的反应时间短、速率更快且更彻底，已经成为当前重污染地下水修复的主要技术之一。

但是，实际环境中，地下水具有复杂的化学组分和缓慢的流动过程，以及纳米材料自身运移的复杂性，都会对纳米材料在含水层中的有效运移和扩散造成影响。由于纳米材料在含水层介质中的运移和它对污染物的去除机理均比较复杂，尚有许多问题有待解决，这也是限制该技术在污染场地实际应用的原因之一。目前大多学者主要通过室内批实验和一维柱实验研究纳米材料对某些重金属、无机离子或有机卤化物等的去除效果，并取得了一定成果。但是相关研究设计的实验条件较为单一，且多为静态实验，缺乏较大尺度的二维或三维的纳米材料原位含水层注入实验研究。因此，设计合理的纳米材料原位含水层注入装置，并开展纳米材料在含水层中的运移以及其在含水层中对污染物的去除实验研究，可为纳米材料注入修复技术提供理论支撑。

由于缺乏相应的实验模拟装置和模拟方法，导致这类修复技术的实施还存在极大困难。现有技术公开的中国专利未见到相应的纳米材料原位含水层注入的实验平台及模拟试验方法。已有的地下水动态或修复模拟装置均无法完整地实现从纳米材料制备到含水层注入、再到原位监测的全过程，导致模拟装置缺乏整体性；其次，所需注入的纳米材料制备过程和地下水的动态模拟均需要对实验条件精细控制，野外实验的条件和数据采集往往难以实现。

实用新型内容

鉴于上述问题，本实用新型的目的是提供一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，可以针对实际不同地下水环境条件开展重复模拟实验研究，且时间短、效果好、经济性好、不会产生二次污染的风险，为实际污染场地开展原位注入修复提供科学依据。

为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案：

一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，它包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置；

该纳米材料配制装置包括材料配制箱，该材料配制箱上部设有可掀起或扣合的第一密封盖，该第一密封盖布设有第一进气管、加液管、搅拌器、加热棒和加药口；该第一进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该材料配制箱下部设有带控制阀的第一出水口；

该注入装置包括气动隔膜泵、空压机及注入井；该气动隔膜泵的进液口与该第一出水口相连，出液口通过带控制阀和流量计的管路与该注入井连接；该气动隔膜泵的进气口通过空气管与该空压机的输气口连接；该注入井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；该注入井上端与该气动隔膜泵连接的管路上设有逆止阀；

该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱；该供水机构包括储水箱，该储水箱上部设有可掀起或扣合的第二密封盖，该第二密封盖布设有进水管、第二进气管、第一水质监测探头；该第二进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该运移模拟机构包括长方体箱，填充有含水层介质；该长方体箱一侧上方设有进水口，该进水口与该储水箱底部的第二出水口通过带有控制阀和蠕动泵的管路连接；该长方体箱另一侧设有第三出水口，与该废液回收箱通过带控制阀的管路连接；该注入井插设于该长方体箱的顶面，并靠近该进水口，底端与该长方体箱底面接触；

该监测装置包括监测井、第二水质监测探头及水质监测仪；该监测井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；多个该监测井插设于该长方体箱的顶面，底端与该长方体箱底面接触；各监测井中布设有能在线监测水质参数的第二水质监测探头，该第一水质监测探头和各第二水质监测探头均连接至该水质监测仪。

进一步的，所述长方体箱的进水口和第三出水口内侧均设有配水板，该配水板布设有通孔，该配水板与该长方体箱侧壁之间填充有石英砂。

进一步的，所述监测装置还包括地下水取样器，预先设于监测井内，用于不同时段采集地下水样。

进一步的，所述注入井和监测井的管径为50mm，长度为550mm，所述注入井和监测井下部开设的小孔孔径为2mm，每列小孔中心间距为10mm。

进一步的，所述监测井布设于所述注入井上下游，为6排共计18个，各排与所述长方体箱设有进水口的侧壁之间的间距依次为150mm、350mm、450mm、550mm、750mm、950mm，且每排设有3个间距为200mm的监测井。

进一步的，所述第二水质监测探头为集成探头，包括pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、水温及水位监测探头中的一种或多种。

进一步的，所述材料配制箱为不锈钢的箱体，尺寸为：长200mm，宽200mm，高200mm；所述储水箱为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长400mm，宽400mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管；所述长方体箱为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长1100mm，宽600mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管。

进一步的，所述进水口和第三出水口均位于所述长方体箱的中轴线上，且该第三出水口的数目为3个，位于不同高度，并设有可控制流量的阀门。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一套完整的可用于多种纳米材料制备、含水层注入及在线监测的联合实验系统，提高了模拟实验的真实性和精确度，为纳米材料原位注入修复地下水污染提供了可靠的实验基础。

附图说明

图1是本实用新型用于纳米材料原位含水层注入的实验系统的结构示意图。

图2是本实用新型用于纳米材料原位含水层注入的实验系统的长方体箱的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

如图1、图2所示，本实用新型提供一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，它包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置。

该纳米材料配制装置包括材料配制箱1，该材料配制箱1上部设有可掀起或扣合的第一密封盖2，该第一密封盖2布设有第一进气管3、加液管4、搅拌器5、加热棒6和加药口7。该第一进气管3分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶8和氧气瓶9。该材料配制箱1下部设有带控制阀的第一出水口10。通过加液管4向材料配制箱1中加入所需悬浮液，通过加药口7向材料配制箱1中加入所需纳米材料，通过加热棒6保证反应体系温度，通过第一进气管3通入氮气驱氧或通入氧气增氧，实现配制纳米材料所需液相的氧化或还原环境，并通过搅拌器5实现纳米材料和悬浮液的混合均匀，从而制备纳米材料悬浮液以待开展注入实验。

该注入装置包括气动隔膜泵11、空压机12及注入井13。该气动隔膜泵11的进液口与该第一出水口10相连，出液口通过带控制阀和流量计14的管路与该注入井13连接。该气动隔膜泵11的进气口通过空气管15与该空压机12的输气口连接，空压机12为气动隔膜泵11运转提供空气动力。该注入井13为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹。该注入井13上端与该气动隔膜泵11连接的管路上设有逆止阀16。

该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱。该供水机构包括储水箱17，该储水箱17上部设有可掀起或扣合的第二密封盖18，该第二密封盖18布设有进水管19、第二进气管20、第一水质监测探头21。该第二进气管20分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶8和氧气瓶9。通过进水管19向储水箱17中加入自来水，通过第二进气管20向水体通入氮气驱氧或氧气增氧，实现对不同氧化还原环境地下水体的模拟，通过第一水质监测探头21获取所供水体基本理化参数，通过蠕动泵25实现精确将储水箱中溶液定流量输入到后续模拟箱体(长方体箱22)。该运移模拟机构包括长方体箱22，填充有含水层介质。该长方体箱22一侧上方设有进水口23，该进水口23与该储水箱17底部的第二出水口24通过带有控制阀和蠕动泵25的管路连接。该长方体箱22另一侧设有第三出水口26，与该废液回收箱27通过带控制阀的管路连接。该进水口23和第三出水口26均位于该长方体箱22的中轴线上，且该第三出水口26的数目为3个，位于不同高度。该注入井13插设于该长方体箱22的顶面，并靠近该进水口23，底端与该长方体箱22底面接触，具体位置位于距长方体箱22进水端侧壁250mm、距离长方体箱22两侧300mm的位置。注入井13上端连接逆止阀16及流量计14能够实现对注入纳米材料悬浮液流量的监控。

该监测装置包括监测井28及水质监测仪29。该监测井28为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹。多个该监测井28插设于该长方体箱22的顶面，底端与该长方体箱22底面接触。各监测井28中布设有能在线监测水质参数的第二水质监测探头30，该第二水质监测探头30包括pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、水温及水位监测探头中的一种或多种。该第一水质监测探头21和各第二水质监测探头30均连接至该水质监测仪29。

优选的，该长方体箱22内部两侧进水端和出水端设置缓冲区，具体为在距离该长方体箱22的前板和后板的内侧50mm处设有凹型卡槽，卡槽中分别插接与长方体箱内径和高度一致的配水板31，厚度3mm，配水板31面上均匀布设有2mm孔径的通孔，以供水体流过，缓冲区中装填一定粒径的石英砂32。

该监测装置还包括地下水取样器，设于多个监测井28内，用于采集不同时段地下水样品。

本实用新型的注入井13和监测井28的管径为50mm，长度为550mm，该注入井13和监测井28下部开设的小孔孔径为2mm，每列小孔中心间距为10mm。该监测井28为6排共计18个，布设于注入井13上下游，各排与该长方体箱22设有进水口的侧壁之间的间距依次为150mm、350mm、450mm、550mm、750mm、950mm，且每排设有3个间距为200mm的监测井28。

本实用新型的材料配制箱1为不锈钢的箱体，尺寸为：长200mm，宽200mm，高200mm。该储水箱17为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长400mm，宽400mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管。该长方体箱22为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长1100mm，宽600mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管。

本实用新型还提供一种利用上述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统的方法，它包括下列步骤：

a、通过该纳米材料配制装置制得所需种类及浓度的纳米材料悬浮液，并密封保存；具体来说，将固相纳米铁或纳米锌或纳米碳粉通过加药口7装入材料配制箱1，通过配有控制阀的加液管4向该材料配制箱1中加入悬浮液，通过加热棒6保证反应体系温度，通过第一进气管3通入氮气驱氧或通入氧气增氧，实现配制纳米材料所需液相的氧化或还原环境，并通过搅拌器5实现纳米材料和悬浮液的混合均匀，密封保存；

b、在运移模拟装置的长方体箱22中装填所需模拟的含水层介质，同时埋入注入井13及监测井28，通过进水口23及不同高度的第三出水口26实现地下水流场控制，通过蠕动泵25持续供水实现地下水流动系统的模拟；其中，地下水体的配制方法如下：b1、首先通过进水管19向储水箱17中加入自来水，通过第二进气管20向水体通入氮气驱氧或氧气增氧实现对所需氧化还原环境地下水体的模拟，通过第一水质监测探头21获取所供水体基本理化参数；b2、地下水流动系统的运行：在所述运移模拟装置长方体箱22的前后壁板装入多孔配水板31，在两端及中部分别填入缓冲介质及所需模拟的含水层介质，预先埋入设计好的注入井13及监测井28，打开进水口23及不同高度的第三出水口26，其中，进水口23与蠕动泵25相连接，第三出水口26与废液回收箱27相连接，打开蠕动泵25，调节流速，将b1步骤中配制好的地下水体输入至长方体箱22中，并通过与第三出水口26相连的废液回收箱27储存废液。

c、通过空压机12采用压缩空气为动力源，利用气动隔膜泵11作为输送机械，将该纳米材料悬浮液通过注入井13输送至该长方体箱22内模拟的含水层介质中；

d、通过对埋入监测井28中的地下水取样器取样，并通过监测井28中的第二水质监测探头30对水质进行在线监测，实现对纳米材料运移及水化学组分变化的监测。

基于本实用新型的纳米材料原位含水层注入的实验系统，以纳米零价铁悬浮液注入实验为例说明具体模拟实验，方法如下：

纳米零价铁悬浮液的配制：扣合材料配制箱1的第一密封盖2，通过控制阀控制，利用氮气瓶8通过第一进气管3向材料配制箱1内持续通入氮气，保证体系为厌氧还原环境。然后通过加液管4将配制好的质量分数为1.5％的可溶性淀粉溶液加入材料配制箱1中，再通过加药口7将纯度达99％的真空密封纳米零价铁加入材料配制箱1中，同时打开搅拌器5和加热棒6，并设定相应转速和加热温度，使纳米零价铁在可溶性淀粉中充分混匀和悬浮。

运移模拟装置运行：将运移模拟的长方体箱22的进出水管路相连接，进水口23与蠕动泵25相连接控制进水，第三出水口26通过管路与废液回收箱27连接。通过进水管19向储水箱17中加入自来水，通过第二进气管20向水体通入氮气驱氧或氧气增氧实现对不同氧化还原环境地下水体的模拟，通过第一水质监测探头21获取所供水体基本理化参数，通过蠕动泵25实现精确将储水箱中溶液定流量输入到后续模拟箱体(长方体箱22)，调节长方体箱22不同位置的第三出水口26的控制阀，通过控制进水口23和第三出水口26的水位差，实现地下水在含水层中运移的模拟。

注入装置运行：检查连接气动隔膜泵11的进气管路及进液口和出液口的管路连接完好后，开启空压机12与进液口的控制阀，并通过观测流量计14来调节逆止阀16，将材料配制箱1中已制备好的纳米零价铁-可溶性淀粉悬浮液通过气动隔膜泵11注入到注入井13中。注入过程中根据所模拟含水层特征及污染情况，调节注入流量，并观测记录气动隔膜泵11压力值、注入量及注入时间。注入完成后依次关闭空压机12、气动隔膜泵11进气阀、进液口及出液口阀门。

监测装置运行：注入装置运行后，通过水质监测仪29在线观测记录地下水水质参数变化，同时也可利用监测井28内地下水取样器(贝勒管)进行取样测试分析，获取地下水体中所注入纳米零价铁及其它组分的浓度变化，分析其迁移转化规律，并计算纳米零价铁的运移距离。

本实用新型通过材料配制系统可控制反应条件实现多种纳米材料的配制，如纳米铁、纳米碳粉及纳米锌等悬浮液，然后通过注入系统控制纳米材料向含水层的注入过程，实现纳米材料进入运移模拟系统内的含水层介质中及在地下水中的运移，并通过监测系统对地下水水化学参数在线监测和取样分析，实现对纳米材料在含水层中的迁移转化及对其污染物去除过程的有效模拟，提高了模拟实验的真实性和精确度，为纳米材料原位注入修复地下水污染提供了可靠的实验基础。

上述实施例仅示例性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。本实用新型还有许多方面可以在不违背总体思想的前提下进行改进，任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于，它包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置；

该纳米材料配制装置包括材料配制箱，该材料配制箱上部设有可掀起或扣合的第一密封盖，该第一密封盖布设有第一进气管、加液管、搅拌器、加热棒和加药口；该第一进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该材料配制箱下部设有带控制阀的第一出水口；

该注入装置包括气动隔膜泵、空压机及注入井；该气动隔膜泵的进液口与该第一出水口相连，出液口通过带控制阀和流量计的管路与该注入井连接；该气动隔膜泵的进气口通过空气管与该空压机的输气口连接；该注入井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；该注入井上端与该气动隔膜泵连接的管路上设有逆止阀；

该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱；该供水机构包括储水箱，该储水箱上部设有可掀起或扣合的第二密封盖，该第二密封盖布设有进水管、第二进气管、第一水质监测探头；该第二进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该运移模拟机构包括长方体箱，填充有含水层介质；该长方体箱一侧上方设有进水口，该进水口与该储水箱底部的第二出水口通过带有控制阀和蠕动泵的管路连接；该长方体箱另一侧设有第三出水口，与该废液回收箱通过带控制阀的管路连接；该注入井插设于该长方体箱的顶面，并靠近该进水口，底端与该长方体箱底面接触；

该监测装置包括监测井、第二水质监测探头及水质监测仪；该监测井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；多个该监测井插设于该长方体箱的顶面，底端与该长方体箱底面接触；各监测井中布设有能在线监测水质参数的第二水质监测探头，该第一水质监测探头和各第二水质监测探头均连接至该水质监测仪。

2.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述长方体箱的进水口和第三出水口内侧均设有配水板，该配水板布设有通孔，该配水板与该长方体箱侧壁之间填充有石英砂。

3.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述监测装置还包括地下水取样器，设于所述监测井内。

4.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述注入井和监测井的管径为50mm，长度为550mm，所述注入井的下部开设的小孔的孔径为2mm，每列小孔中心间距为10mm。

5.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述监测井布设于注入井上下游，为6排共计18个，各排与所述长方体箱设有进水口的侧壁之间的间距依次为150mm、350mm、450mm、550mm、750mm、950mm，且每排设有3个间距为200mm的监测井。

6.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述第二水质监测探头包括pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、水温及水位监测探头中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述材料配制箱为不锈钢的箱体，尺寸为：长200mm，宽200mm，高200mm；所述储水箱为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长400mm，宽400mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管；所述长方体箱为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长1100mm，宽600mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管。

8.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述进水口和第三出水口均位于所述长方体箱的中轴线上，且该第三出水口的数目为3个，位于不同高度，并设有可控制流量的阀门。