CN213714994U

CN213714994U - 一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置

Info

Publication number: CN213714994U
Application number: CN202021501166.9U
Authority: CN
Inventors: 王昱; 张昕雨; 李金平; 刘蔚; 李宝龙; 孔德星; 左一峰; 卢晗; 汪双
Original assignee: Lanzhou University of Technology
Current assignee: Lanzhou University of Technology
Priority date: 2020-07-27
Filing date: 2020-07-27
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2030-07-27

Abstract

本实用新型涉及一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置，包括环形水槽、水动力条件模拟装置以及水温调控装置；水动力条件模拟装置包括升降旋转组件、与升降旋转组件连接的搅拌装置以及放置在环形水槽内的流速仪；水温调控装置包括升温构件、降温构件和温度传感器。与现有技术相比，本实用新型可模拟不同水温、流速和水质等耦合环境下河流底泥重金属的迁移释放规律，探究河流水体在水环境耦合变化下底泥重金属的迁移释放规律，并建立底泥重金属随水动力水环境耦合改变下的释放动力学模型，为量化分析水环境耦合变化对底泥重金属释放研究提供了可靠的实验仪器。

Description

一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置

技术领域

本实用新型涉及水环境研究技术领域，特别是涉及一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置。

背景技术

河湖中的底泥作为二次污染源，其内源释放影响河道水环境，同时更是水体内富营养化治理的难点，而水动力因素对于水体和沉积物之间的物质交换和输送的规律有显著影响。相关研究表明水体流速、温度、水质等水环境因素对于水体和沉积物之间的物质交换和输送规律有显著影响。现有技术中的环形水槽可以把直槽的纵向长度尺度转换为时间尺度，即通过延长实验时间达到稳定沉降的目的，因此，环形水槽是研究稳定水环境与污染物传播规律的较理想设备。但是，传统的环形水槽实验装置只是关注泥沙起动和沉降中泥沙本身的特性和水流之间的相互作用，而不考虑水环境的影响，而且现在测控仪器飞速发展，计算机监控水体流速、温度、水质等水环境因素的可靠性、精度和测量范围逐步提高，因此十分有必要利用最新的测控设备来重新设计出一个全自动、高精度的环形水槽试验装置系统，为研究不同水环境下河流沉积物中重金属迁移释放的规律提供实验设施帮助。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置，以解决现有技术中的实验装置精度低且没有考虑到水环境对重金属迁移释放规律的影响等问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置，包括环形水槽、水动力条件模拟装置以及水温调控装置；

所述环形水槽固定于环形槽底座上，所述环形槽底座与安装座连接；

所述水动力条件模拟装置包括升降旋转组件、与升降旋转组件连接的搅拌装置以及放置在所述环形水槽内的流速仪；所述升降旋转组件与所述环形槽底座连接，所述升降旋转组件用于分别带动所述环形水槽旋转以及所述搅拌装置搅拌，所述搅拌装置设置于所述环形水槽内，所述搅拌装置以旋转运动的方式对所述环形水槽内的流体进行搅拌；所述流速仪用于检测所述流体的流速；

所述水温调控装置包括升温构件、降温构件和温度传感器，所述升温构件和降温构件分别用于对所述环形水槽内的流体进行升温和降温，所述温度传感器设置于所述环形水槽内，所述温度传感器用户测量所述环形水槽内的流体温度。

优选为，所述升降旋转组件包括升降杆、变速箱、第一电机以及第二电机，所述升降杆与所述安装座连接，所述升降杆与所述环形水槽同轴心设置；所述第一电机和所述第二电机均与所述变速箱连接，所述变速箱固定在所述安装座上，所述变速箱包含第一轴承和第二轴承，所述第一轴承与所述升降杆连接，所述第二轴承与所述环形槽底座连接。

所述搅拌装置包括连接杆和剪切环，所述连接杆包括横杆和两根竖杆，所述横杆与所述升降杆垂直设置，所述横杆两端各与一根所述竖杆垂直连接，两根所述竖杆各自向下延伸到所述环形水槽内的一端连接所述剪切环。

所述升温构件包括升温水箱和升温水盘管，所述降温构件包括降温水箱和降温水盘管，所述升温水盘管与所述环形水槽连接，所述升温水箱与所述升温水盘管连接，所述升温水箱与所述升温水盘管之间连接有第一水管，所述第一水管上设置有第一循环水泵和第一流量开关；所述降温水盘管与所述环形水槽连接，所述降温水箱与所述降温水盘管连接，所述降温水箱和所述降温水盘管之间连接有第二水管，所述第二水管上连接有第二循环水泵和第二流量开关。

优选为，所述升温水箱与所述降温水箱之间通过冷媒管、压缩机以及节制阀连接。

优选为，所述环形水槽包括环形内壁、环形外壁和底壁，所述环形内壁、所述环形外壁和所述底壁均为有机玻璃材料，所述环形槽底座为钢制材料。

优选为，所述升温水盘管盘绕于所述环形内壁内侧或所述环形外壁内侧，所述降温水盘管盘绕于所述环形内壁内侧或所述环形外壁内侧。

优选为，所述剪切环与所述升温水盘管和所述降温水盘管均不接触。

优选为，所述实验装置还包括水质监测装置和若干个取样孔，若干个所述取样孔设于所述环形外壁不同高度，所述取样孔与所述水质监测装置连接，所述水质监测装置为多功能水质分析仪。

优选为，所述流速仪、所述温度传感器、所述压缩机、所述节制阀、所述第一循环水泵、所述第二循环水泵、所述第一流量开关与所述第二流量开关均与计算机相连。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

1、本实用新型设置的包含环形水槽、水动力条件模拟装置、水温调控装置以及水质监测装置的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，可以模拟河床底泥在不同水温、流速和水质等单因素条件下以及上述因子不同组合的耦合条件下底泥重金属的释放过程，并能以此为基础建立河流沉积物中重金属的释放通量与水体流速、温度和水质的关系，探究河流水环境变化条件下沉积物重金属的迁移释放规律，为量化分析河床底泥在不同环境变化条件下重金属迁移释放规律提供了可靠的实验仪器。

2、本实用新型通过利用计算机监控水体流速、温度、水质等水环境因素，提高了对水环境因素监控的可靠性、精度和测量范围准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置的主视图。

图2为本实用新型实施例提供的一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置的俯视图。

符号说明：1：环形水槽，2：水动力条件模拟装置，3：水温调控装置，4：安装座，11：环形内壁，12环形外壁，13：环形槽底座，21：流速仪，22：升降杆，23：横杆，24：竖杆，25：剪切环，26：变速箱，27：第一电机，28：第二电机，31：温度传感器，32：升温水箱，33：降温水箱，34：升温水盘管，35：降温水盘管，321：第一水管，322：第一循环水泵，323：第一流量开关，331：第二水管，332：第二循环水泵，333：第二流量开关，36：冷媒管，37：压缩机，38：节制阀，5：取样孔，6：水质监测装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置，通过模拟不同水温和水动力条件下水体和沉积物之间的物质交换和输送的规律，为河流中富营养化数学模型提供参数支持。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1-2所示，本实施例提供的一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置，包括环形水槽1、水动力条件模拟装置2以及水温调控装置3。

其中，所述环形水槽1固定于环形槽底座13上，所述环形槽底座13与安装座4连接，所述环形水槽1包括环形内壁11、环形外壁12和底壁，所述环形内壁11、所述环形外壁12和所述底壁均为有机玻璃材料，所述环形槽底座13为钢制材料。

所述水动力条件模拟装置2包括升降旋转组件、与所述升降旋转组件连接的搅拌装置以及放置在所述环形水槽1内的流速仪21；所述升降旋转组件与所述环形槽底座13连接，升降旋转组件用于分别带动所述环形水槽1旋转以及所述搅拌装置搅拌，所述搅拌装置设置于所述环形水槽1内，搅拌装置以旋转运动的方式对所述环形水槽1内的流体进行搅拌，所述流速仪21用于检测流体的流速。

作为一种可选的实施方式，所述升降旋转组件包括升降杆22、变速箱26、第一电机27以及第二电机28。

其中，所述升降杆22与所述安装座4连接，所述升降杆22与所述环形水槽1同轴心设置，以使所述升降杆22和所述环形水槽1能够同轴心转动。

所述第一电机27和所述第二电机28均与所述变速箱26连接，所述变速箱26固定在所述安装座4上，所述变速箱26包含第一轴承和第二轴承，第一轴承与所述升降杆22连接，第二轴承与所述环形槽底座13连接。

具体的，所述第一电机27通过控制所述第一轴承转动带动所述升降杆22转动，进而通过所述升降杆22带动所述搅拌装置进行旋转搅拌；所述第二电机28通过控制所述第二轴承转动带动所述环形槽底座13转动，进而通过所述环形槽底座13带动所述环形水槽1转动。

作为一种可选的实施方式，所述搅拌装置包括连接杆和剪切环25，所述连接杆包括横杆23和两根竖杆24，所述横杆23与所述升降杆22垂直设置，所述横杆23两端各与一根所述竖杆24垂直连接，两根所述竖杆24各自向下延伸到所述环形水槽1内的一端连接所述剪切环25。

具体的，在采用所述搅拌装置进行搅拌之间，先根据需要在环形水槽1内设置的剪切环25的搅拌位置，将所述横杆23调节到所述升降杆22上合适的位置，在搅拌过程中，所述搅拌装置通过所述横杆23和所述竖杆24带动所述剪切环25在所述环形水槽1内旋转搅拌。

由于所述剪切环25与所述环形水槽1均在电机作用下旋转，两者产生相向作用，可使离心力相互抵消，副流基本消失，槽内流场基本均匀。

所述水温调控装置3包括升温构件、降温构件和温度传感器31，所述升温构件和所述降温构件均与所述环形水槽1连接，所述升温构件和所述降温构件分别用于对所述环形水槽1内的流体进行升温和降温，所述温度传感器31设置于所述环形水槽1内，用于测量环形水槽1内流体的温度。

作为一种可选的实施方式，所述升温构件包括升温水箱32和升温水盘管34，所述降温构件包括降温水箱33和降温水盘管35。

其中，所述升温水盘管34盘绕于所述环形内壁11内侧或所述环形外壁12内侧，所述环形内壁11内侧和所述环形外壁12内侧均指所述环形水槽1内，所述升温水箱32与所述升温水盘管34连接，所述升温水箱32与所述升温水盘管34之间连接有第一水管321，所述第一水管321上设置有第一循环水泵322和第一流量开关323。所述降温水盘管35盘绕于所述环形内壁11内侧或所述环形外壁12内侧，所述降温水箱33与所述降温水盘管35连接，所述降温水箱33和所述降温水盘管35之间连接有第二水管331，所述第二水管331上连接有第二循环水泵332和第二流量开关333。

为使所述升温水盘管34和所述降温水盘管35均盘绕于所述环形内壁11内侧或所述环形外壁12内侧后，所述剪切环25能够在所述环形水槽1内旋转搅拌，因此，设置所述剪切环25与所述升温水盘管34和所述降温水盘管35均不接触。

作为一种可选的实施方式，所述温度传感器31、所述第一流量开关323、所述第二流量开关333、所述第一循环水泵322、所述第二循环水泵332和所述流速仪21均与计算机连接。

当温度传感器31监测到环形水槽1内的温度低于实验设定要求温度时，利用计算机自动计算水温差并通过第一流量开关323控制升温水箱32中的水的流量来调节环形水槽1内试验温度。

当温度传感器31监测到环形水槽1内的温度高于实验设定要求温度时，利用计算机自动计算水温差并通过第二流量开关333控制降温水箱33中的水的流量来调节环形水槽1内试验温度。

作为一种可选的实施方式，所述升温水箱32与所述降温水箱33之间通过冷媒管36、压缩机37以及节制阀38连接。所述压缩机37和所述节制阀38均与计算机相连，通过计算机控制压缩机37和节制阀38的开关。

其中，所述升温水箱32、降温水箱33、冷媒管36、压缩机37和节制阀38分别组成加热升温水箱32和制冷降温水箱33，具体利用压缩机37和节制阀38将降温水箱33中的热量传递到升温水箱32中，以使升温水箱32中的水温升高，以及使降温水箱33中的水温降低。

作为一种可选的实施方式，所述实验装置还包括水质监测仪和若干个取样孔5，若干个所述取样孔5设于所述环形外壁12不同高度，用于采集不同水深下的水样，所述取样孔5与所述水质监测装置6连接，所述水质监测装置6为多功能水质分析仪，所述多功能水质分析仪能够测定水体中的pH值、氧化还原电位(Eh值)和营养盐含量。

具体的，在实验之前，将前期准备时采集回来的沉积物均匀铺于环形水槽1底部，轻压使底泥处于相对平整状态，并控制底泥厚度为5-10cm，再以虹吸法轻注入采集的新鲜水样，水深为15-25cm，然后静置24h。

在实验过程中，水流在剪切环25与环形水槽1的相向作用下，使离心力相互抵消，副流基本消失，利用三维声学多普勒流速仪21(ADV)监测其流速，并通过控制电机转速保持槽内水体流速不变，确保槽内流场基本均匀。然后，利用温度传感器31检测水槽内温度，并与实验要求的设定水温进行比对，当检测到水槽内部的水温过低时，开启压缩机37和节制阀38，将降温水箱33中的热量输送至升温水箱32中加热升温水箱32水体，同时开启第一循环水泵322以及第一流量开关323，利用高温循环回路对环形水槽1内的试验水体进行加热升温，至环形水槽1内温度为设定温度±2度时关闭第一流量开关323，并等待5min后继续测定水槽水温，若温度仍然没有达到实验要求温度时，继续执行此操作，直至达到试验要求温度；当环形水槽1中试验温度高于试验要求时，开启压缩机37和节制阀38，将降温水箱33中的热量输送至升温水箱32中，从而在降温水箱33中形成低温水，同时启动第二循环水泵332和第二流量开关333，并与降温水盘管35形成制冷循环回路对试验水体进行低温制冷降温，直至环形水槽1内温度为设定温度±2度时关闭第二流量开关333，并等待5min后继续测定水槽水温，若温度仍然没有达到实验要求温度时，继续执行此操作，直至达到试验要求温度。

当温度达到实验要求时，水槽每运行10min对实验水样进行分层取样并分析，直至水样中重金属含量稳定，根据实验结果带入底泥释放率计算公式，之后进入下一水温，如此直到试验研究的最高水温，得到恒定流速、水质条件下水温对沉积物重金属的迁移释放规律。

之后进入下一流速，如此直到试验研究的最高流速。根据实验结果带入底泥释放率计算公式，得到河流富营养化数学模型。

底泥释放率计算公式：

式中，r为释放率(mg/(m²·d))，

为环形水槽1中水样体积(L)，C_n为第n次采样时水中营养物浓度(mg/L)；C_o为初始营养物浓度(mg/L)；V_t为每次采样量(L)；C_j-1为第j-1次采样时水中营养物浓度(mg/L)；C_a为添加原水后水体营养物浓度(mg/L)；A为与水接触的沉积物表面积(m²)。

此外，本实用新型还可以测量恒定温度、水质条件下流速对沉积物重金属的迁移释放规律，具体为，控制环形水槽1内的水温以及水质不变，通过控制电机转速不同，来改变环形水槽1内流体的流速，并通过流速仪21检测环形水槽1内流体的流速是否为设定的流速，如果不是则相应调整电机转速，直到流速仪21检测到的流速为设定的流速时，进入下一流速，如此直到试验研究的最高流速。根据实验结果带入底泥释放率计算公式，得到河流富营养化数学模型。

本实用新型所提供的模拟重金属迁移释放规律的实验装置能够形成温度和流速可控的试验水槽系统，用于模拟不同温度、流速条件下，河流水体在水质，泥沙粒径变化条件下的底泥污染物的迁移释放研究，并利用多功能水质分析仪测定水体中的pH值、氧化还原电位(Eh值)和营养盐含量，以此为基础建立底泥中重金属的释放通量与水体流速、温度和水质之间的关系，定量分析水环境变化对河流底泥中重金属的迁移释放规律。

与现有技术相比，本实用新型利用环形试验水槽精准模拟河流泥沙在受流速、温度、水质和泥沙粒径等影响下的释放规律研究，探究营养盐的释放通量与水体温度和流速大小之间的关系，将底泥释放率参数化，可为河流中富营养化数学模型提供参数支持。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，包括环形水槽、水动力条件模拟装置以及水温调控装置；

2.根据权利要求1所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述升降旋转组件包括升降杆、变速箱、第一电机以及第二电机，所述升降杆与所述安装座连接，所述升降杆与所述环形水槽同轴心设置；所述第一电机和所述第二电机均与所述变速箱连接，所述变速箱固定在所述安装座上，所述变速箱包含第一轴承和第二轴承，所述第一轴承与所述升降杆连接，所述第二轴承与所述环形槽底座连接。

3.根据权利要求2所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述搅拌装置包括连接杆和剪切环，所述连接杆包括横杆和两根竖杆，所述横杆与所述升降杆垂直设置，所述横杆两端各与一根所述竖杆垂直连接，两根所述竖杆各自向下延伸到所述环形水槽内的一端连接所述剪切环。

4.根据权利要求3所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述升温构件包括升温水箱和升温水盘管，所述降温构件包括降温水箱和降温水盘管，所述升温水盘管与所述环形水槽连接，所述升温水箱与所述升温水盘管连接，所述升温水箱与所述升温水盘管之间连接有第一水管，所述第一水管上设置有第一循环水泵和第一流量开关；所述降温水盘管与所述环形水槽连接，所述降温水箱与所述降温水盘管连接，所述降温水箱和所述降温水盘管之间连接有第二水管，所述第二水管上连接有第二循环水泵和第二流量开关。

5.根据权利要求4所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述升温水箱与所述降温水箱之间通过冷媒管、压缩机以及节制阀连接。

6.根据权利要求4所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述环形水槽包括环形内壁、环形外壁和底壁，所述环形内壁、所述环形外壁和所述底壁均为有机玻璃材料，所述环形槽底座为钢制材料。

7.根据权利要求6所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述升温水盘管盘绕于所述环形内壁内侧或所述环形外壁内侧，所述降温水盘管盘绕于所述环形内壁内侧或所述环形外壁内侧。

8.根据权利要求4所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述剪切环与所述升温水盘管和所述降温水盘管均不接触。

9.根据权利要求6所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括水质监测装置和若干个取样孔，若干个所述取样孔设于所述环形外壁不同高度，所述取样孔与所述水质监测装置连接，所述水质监测装置为多功能水质分析仪。

10.根据权利要求5所述的模拟重金属迁移释放规律的实验装置，其特征在于，所述流速仪、所述温度传感器、所述压缩机、所述节制阀、所述第一循环水泵、所述第二循环水泵、所述第一流量开关与所述第二流量开关均与计算机相连。