CN212340927U - 一种小柱模拟土壤中铀迁移测定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于实验装置技术领域，公开了一种小柱模拟土壤中铀迁移测定装置，所述小柱模拟土壤中铀迁移测定装置设置有一个模拟土壤气加热单元、一个气体循环泵以及一个或多个模拟土壤介质单元；模拟土壤气加热单元设置有PVC管，PVC管的内部安装有扰动风扇，上端扣合安装有上管盖，下端扣合安装有下管盖，下管盖的内部安装有电热丝；模拟土壤介质单元设置有PVC管，PVC管的内部填装有均匀的岩土介质，岩土介质底端填装有含铀基材，上端扣合安装有上管盖，下端扣合安装有下管盖。本实用新型在使用时，铀元素能够穿透模型中的岩土介质从而在岩土介质上端PVC管内的采样气体中形成可观测的铀含量，大大缩短了原有的观测时间。

Description

一种小柱模拟土壤中铀迁移测定装置

技术领域

本实用新型属于实验装置技术领域，尤其涉及一种小柱模拟土壤中铀迁移测定装置。

背景技术

铀是一种天然的放射性元素，也是目前最主要的核原料。在核能与核技术的应用过程中，其有可能弥散到环境中，经过迁移、沉积会对土壤造成污染，继而危害人类的健康。由于实际土壤中介质环境及流体环境都是复杂的，对铀在土壤中的迁移规律研究存在一定的困难，也无法准确地了解铀核素迁移的影响条件有哪些。与此同时，铀元素在土壤中的迁移是一个长期、缓慢的过程，短时间内较难在大范围内的土壤介质中观测到铀元素的分布变化。

目前，铀元素迁移方面的研究大多数以数值模拟的方法进行，仅有少数研究学者将铀矿石放置在广口玻璃瓶的空气中或将含铀介质放置在河砂中来研究铀在空气中或者在孔隙中迁移行为。

综上所述，现有技术存在的问题是：

土壤中的铀元素迁移是一个缓慢、复杂的过程，对迁移过程所受环境影响的研究存在一定的困难，目前领域内学者提出的研究方法或装置不能满足土壤铀元素迁移可控性、短时性实验要求。

实用新型内容

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种小柱模拟土壤中铀迁移测定装置。

本实用新型是这样实现的，该小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤气加热单元设置有PVC管，所述模拟土壤气加热单元PVC管的内部卡装有扰动风扇，所述扰动风扇下端的PVC管内安装有温度传感器，所述扰动风扇通过导线与外部DC+12V电源连接，所述温度传感器通过信号线与外部温控器连接，所述模拟土壤气加热单元PVC管的上端扣合安装有上管盖，所述模拟土壤气加热单元PVC管的下端扣合安装有下管盖，所述下管盖的内部安装有电热丝，所述电热丝通过导线与外部温控器连接；

所述小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤介质单元设置有PVC管，所述模拟土壤介质单元PVC管的内部填装有均匀的岩土介质，所述岩土介质底端填装有含铀基材，所述岩土介质及含铀基材放置在模拟土壤介质单元PVC管内的多孔承载板上，所述多孔承载板通过螺栓水平固定在模拟土壤介质单元PVC管内；

进一步，所述模拟土壤介质单元PVC管的上端安装有两个宝塔接头，所述模拟土壤介质单元PVC管的下端安装有两个宝塔接头；

进一步，所述模拟土壤介质单元PVC管上端、下端的两组宝塔接头分别安装在同一水平直线上；

进一步，在进行实验时将小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤气加热单元的宝塔接头和所述小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤介质单元底部的宝塔接头通过硅胶软管进行首尾连接，形成一个闭合回路。

本实用新型的优点及积极效果为：通过该小柱模拟土壤中铀迁移测定装置可以证明，实验观测过程中能够对装置内循环的模拟土壤气温度进行稳定控制；

铀元素能够随模拟土壤气流在岩土介质中迁移，岩土介质孔隙度对岩土介质中铀元素的迁移有重要影响，岩土介质孔隙度越大则越有利于铀元素迁移；

根据实验结果，经过约18天时间后，铀元素能够穿透模型中的岩土介质从而在岩土介质上端PVC管内的采样气体中形成可观测的铀含量，大大缩短了原有的观测时间。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤气加热单元的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤介质单元的结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤气加热单元及模拟土壤介质单元的外观结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置的铀元素迁移模拟实验管路连接示意图；

图5是本实用新型实施例提供的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置的含铀气体采样管路连接示意图；

图6是本实用新型实施例提供的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置采样气体铀含量测量所用的铀标准曲线；

图7是本实用新型实施例提供的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置的各模型单元上部腔室样品气体中铀含量检测结果图；

图中：1、模拟土壤气加热单元上管盖；2、模拟土壤气加热单元PVC管；3、扰动风扇；4、模拟土壤气加热单元下管盖；5、电热丝；6、进气口宝塔接头；7、出气口宝塔接头；8、温度传感器；9、模拟土壤介质单元上管盖；10、模拟土壤介质单元PVC管。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

下面结合附图对本实用新型的结构作详细的描述。

由图1至图7所示，

该小柱模拟土壤中铀迁移测定装置包含一个模拟土壤气加热单元和一个或多个模拟土壤介质单元；

所述模拟土壤气加热单元设置有模拟土壤气加热单元PVC管2，模拟土壤气加热单元PVC管2的内部卡装有扰动风扇3，扰动风扇3下端的模拟土壤气加热单元PVC管2内安装有温度传感器8，扰动风扇3通过导线与外部DC+12V电源连接，温度传感器8通过信号线与外部温控器连接；

所述模拟土壤气加热单元PVC管2的上端扣合安装有模拟土壤气加热单元上管盖1，所述模拟土壤气加热单元PVC管2的下端安装有模拟土壤气加热单元下管盖4，所述模拟土壤气加热单元下管盖4的内部安装有电热丝5，所述电热丝5通过导线与外部温控器连接；

所述模拟土壤气加热单元PVC管2的下端管壁上安装有进气口宝塔接头6和出气口宝塔7；

所述模拟土壤介质单元设置有模拟土壤介质单元PVC管10，所述模拟土壤介质单元PVC管10内部填装有均匀的岩土介质，所述岩土介质底端填装有含铀基材，所述岩土介质及含铀基材放置在模拟土壤介质单元PVC管10内的多孔承载板上，所述多孔承载板通过螺栓水平固定在模拟土壤介质单元PVC管10内。

作为本实用新型的优选实施例，所述模拟土壤气加热单元PVC管2下端管壁上的进气口宝塔接头6和出气口宝塔7应当安装在离模拟土壤气加热单元下管盖4底部约3.5cm高的同一水平直线上；所述模拟土壤介质单元PVC管10上端管壁上的出气口宝塔和出气口宝塔应当安装在离模拟土壤介质单元上管盖9底部约3.5cm高的同一水平直线上，下端管壁上的进气口宝塔接头和进气口宝塔接头应当安装在离模拟土壤气加热单元下管盖4底部约3.5cm高的同一水平直线上；

在模拟土壤气加热单元PVC管2外应当包裹一定的保温材料，电热丝5用于加热模拟土壤气加热单元PVC管2内的空气，受热后的空气被空气循环泵输送至模拟土壤介质单元PVC管10内岩土介质的下端腔室内形成模拟土壤气；温度传感器8及电热丝5通过导线与外部的温控器连接用以精确控制模拟土壤气加热单元PVC管2内的气体温度；

所述模拟土壤介质单元PVC管10内岩土介质与所述模拟土壤介质单元PVC管10内壁之间做好充分的密封处理；

在进行实验时将小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤气加热单元的进气口宝塔接头6、出气口宝塔接头7和一个或多个所述小柱模拟土壤中铀迁移测定装置模拟土壤介质单元底部的进气口宝塔接头、出气口宝塔接头通过硅胶软管进行首尾连接，形成一个闭合回路。

本实用新型的工作原理是：

1、制备含铀基材及岩土介质

1)利用精密电子天平称取60目的干燥泥粉150g放于容器中，注入20g的蒸馏水，将泥粉与水搅拌均匀；

2)将搅拌均匀后的黄泥放入模具，将模具放置在液压机中；

3)通过液压机向模具施加压力，当液压机施压达到目标压力后保持5分钟；

4)释放液压机压力并取下模具，将模具与岩土介质一同放入恒温箱烘烤直至岩土介质与模具脱离；

5)取下岩土介质并将其继续烘烤至干重；

在岩土介质制备过程中通过液压机控制压制压力来达到制成不同岩土介质孔隙度大小的目的；

含铀基材与岩土介质的制备过程相同，不同的是，在将搅拌均匀的黄泥放入模具时在黄泥中央预留一个直径4cm的圆形槽，在圆形槽中放入200目的铀矿粉50g。

2、组合模型单元

将含铀基材和岩土介质放置在模拟土壤介质单元PVC管内的多孔承载板上，岩土介质与PVC管内壁之间用硅脂进行密封，同时将上下底盖通过胶水分别粘接在PVC管上端和下端进行密封；

将模拟土壤气加热单元按照图示结构安装好各个部件，通过导线将温度传感器、电热丝以及外部温控器连接好，模拟土壤气加热单元PVC管壁上的线孔做好密封处理，模拟土壤气加热单元PVC管外壁采用保温棉等材料进行包裹；

将模拟土壤气加热单元进气口宝塔接头、出气口宝塔接头和一个或多个模拟土壤介质单元底部的进气口宝塔接头、出气口宝塔接头以及一个空气循环泵的进气口、出气口通过硅胶软管进行首尾连接，形成一个闭合回路。

在每个模拟土壤介质单元岩土介质以上的管壁上安装一个气压表和一个调压阀，用以实验时调节每个模拟土壤介质单元上下腔室中的压力差；

连接好后的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置如图4所示。

3、实验测量步骤

1)打开温控器，将模拟土壤气加热单元中的气体加热至目标恒定温度；

2)开启空气循环泵，让模拟土壤气加热单元中的受热气体在每个模拟土壤介质单元底部腔室内循环一段时间；

3)记录空气循环泵开始循环时间作为实验起始时间；

4)每隔一段时间采用硝酸溶液、气泵对模拟土壤介质单元上部腔室进行气体样品采集(如图5)，硝酸溶液采用超纯水和市售优级纯硝酸配制而成，溶液硝酸浓度为2.0mol/L，每次硝酸溶液用量为5ml，抽气时气泵流量设置为1L/min，抽气时间为15min，气泵和采样瓶之间连接一个缓冲瓶，防止硝酸吸入气泵；

5)绘制分光光度法铀含量分析标准曲线；

6)分析每个硝酸溶液采集样品中的铀含量，每个样品测量两次求均值，两次含量差值超过首次测量值的±15％时进行第三次测量；

7)记录数据并作图。

4、实验分析结果

本次实验设置了四个模拟土壤介质单元，#1单元、#2单元、#3单元用于对比试验，其中各个单元岩土介质孔隙度大小从小到大依次为#1号＜#2号＜#3号；#4单元采用RTM1688-2测氡仪进行长期氡浓度测量。此次采用的分光光度法铀含量分析标准曲线如图6所示，标准曲线拟合优度R²为0.997，表明铀浓度在0～4μg/ml范围内所测相对吸光度值之间存在较好的线性关系。

利用图6中的铀标准曲线对#1、#2、#3号模拟土壤介质单元上部腔室中空气采集硝酸溶液样品进行铀含量分析，各个单元上部腔室中空气采集硝酸溶液样品铀含量变化结果如图7所示。

由图7可知，三个模拟土壤介质单元中上部腔室中所采集样品铀含量呈现一致的变化关系，当经过一段时间扩散后，铀元素在上部采样腔室空气中的含量逐渐开始增加。由于最后一次采样操作破坏了上部腔室的密闭性，因此2号模型和3号模型采样腔室中的铀元素含量有所降低。相对于#1模型，同时刻#2、#3单元所检测到的样品铀含量值要比#1单元的大，其原因在于，盖层孔隙度越大越利于铀元素在岩土介质空隙中的迁移。

各个单元上部腔室中所采集样品铀元素随时间变化结果证明了铀元素在微弱地气流的作用下可以被携带穿透多孔覆盖层介质，同时地气流的扩散行为则受到覆盖层介质孔隙度的重要影响。进一步地，由于本次实验中，流体介质只存在气相，不存在可能溶解铀及相关元素的液相载体，因此实验结果还可以证明铀及其他金属元素的迁移形式是纳米颗粒或者其他团簇颗粒。

以上所述仅是对本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种小柱模拟土壤中铀迁移测定装置，其特征在于，所述小柱模拟土壤中铀迁移测定装置设置有一个模拟土壤气加热单元、一个气体循环泵以及一个或多个模拟土壤介质单元；

模拟土壤气加热单元设置有PVC管，PVC管的内部安装有扰动风扇，上端扣合安装有上管盖，下端扣合安装有下管盖，下管盖的内部安装有电热丝；

模拟土壤介质单元设置有PVC管，PVC管的内部填装有均匀的岩土介质，岩土介质底端填装有含铀基材，上端扣合安装有上管盖，下端扣合安装有下管盖。

2.如权利要求1所述的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置，其特征在于，模拟土壤介质单元扰动风扇下端的PVC管内安装有温度传感器，风扇和温度传感器分别通过导线与外部电源及温控器连接。

3.如权利要求1所述的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置，其特征在于，岩土介质及含铀基材放置在模拟土壤介质单元PVC管内的多孔承载板上，多孔承载板通过螺栓水平固定在PVC管内。

4.如权利要求1所述的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置，其特征在于，模拟土壤气加热单元PVC管下端的管壁上安装有一组宝塔接头。

5.如权利要求1所述的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置，其特征在于，模拟土壤介质单元PVC管上下端的管壁上各安装有一组宝塔接头。

6.如权利要求5所述的小柱模拟土壤中铀迁移测定装置，其特征在于，模拟土壤介质单元PVC管上端、下端的两组宝塔接头分别安装在同一水平直线上。

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