自動往復式淋濾實驗裝置開發與應用＊

張衛國，石媛，穆睿

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自動往復式淋濾實驗裝置開發與應用＊

張衛國1，石媛2，穆睿1

（1.西安科技大學 地質與環境學院，陜西 西安 710054；2.山西省分析科學研究院，山西 太原 030000）

淋濾實驗是研究物質遷入或遷出過程的重要手段之一，涉及學科廣泛。針對現有淋濾實驗裝置功能單一、自動化程度低等問題，開發了一套多功能自動往復式淋濾實驗裝置，詳細介紹了該套裝置的總體結構、各部件連接關系、功能實現過程及原理。自動往復式淋濾實驗裝置可以完成3種不同類型的淋濾實驗，通過目標物總量的加和計算，可以有效地驗證實驗的準確性。該套裝置的開發與應用對于固液間物質交換的精細化、定量化研究具有一定的借鑒作用。

淋濾實驗；總體結構；裝置開發；自動化程度

淋濾也稱“淋溶”，通常指大氣降水滲入地下時，滲流水把地表附近細小的破碎物質和圍巖中易溶成分溶解帶走的過程。環境科學中經常進行的淋濾實驗是模擬污水的滲入過程，研究污染物在飽氣帶中的吸附、轉化、自凈機制，確定飽氣帶的防護能力，為評價污水滲漏對地下水水質的污染影響提供參考依據[1-2]。除此之外，淋濾還是煤等地質體中有害元素遷移出的主要途徑之一[3-6]。地質體中有害元素經常通過地下水作用于鄰近巖層，雨水也會對地質體中有害元素進行淋溶，通過地表徑流滲入土壤中，對人類健康和生態環境產生危害。因此，淋濾實驗是研究物質遷入或遷出能力的重要手段之一。

常用淋濾實驗方法（思路）有靜態浸泡和動態淋濾兩種。靜態浸泡是將淋濾液浸沒被淋濾介質一段時間后取出液體，測試液體中目標物的含量變化情況。動態淋濾又分為兩種，一種是目標物在淋濾液中，測試淋濾液進入被淋濾介質后目標物的損耗量，即目標物被淋濾介質的吸附/轉化的情況；一種是目標物在被淋濾介質中，測試淋濾液進入被淋濾介質后目標物的增加量，即目標物被淋濾液從介質中攜帶出的情況[7]。由于淋濾實驗涉及學科比較多，研究者對淋濾機理關注比較多，淋濾實驗裝置的開發相對滯后[8]。目前，淋濾實驗裝置尚存一些問題。比如現有淋濾實驗裝置比較單一，淋濾時間、淋濾液流量、驅動力等參數控制和采集不夠精確；淋濾柱中多數僅放置單種被淋濾介質，無法實現模擬多層介質疊加作用下的復雜地質體情況；連續動態淋濾情況下，淋濾液單程進入被淋濾介質，造成淋濾液消耗大，且淋濾液中目標物濃度低，實驗結果精度低，重現性差；實驗裝置自動化程度低，耗時費力，實驗中容易出錯[9-12]。

針對上述問題，設計了一套結構簡單、操作方便、數據精確，并且能夠模擬多層介質疊加作用下的復雜地質體情況的自動往復式淋濾裝置。

1 實驗裝置開發

基于傳統土柱淋濾實驗框架，參考美國環保局提出的淋濾環境評價體系（LEAF），遵循自動化、模塊化、多功能原則進行裝置研發。

1.1 裝置總體結構

自動往復式淋濾實驗裝置主要包括淋濾柱、升降機、濾液箱、翻轉機、空壓機和控制器等，如圖1所示。升降機、空壓機和控制器固定安裝在載臺上；翻轉機通過支撐架固定安裝在載臺上；淋濾柱通過卡位釘與翻轉電機相連；兩個濾液箱分別放置在升降機的升降臺上，濾液箱液路口通過液路管分別與淋濾柱液路孔相連；濾液箱氣路口通過氣路管與空壓機相連；氣液路端口設置有電磁閥、氣壓表和流量計，由控制器微機控制開閉和數據采集。

1.2 淋濾柱

淋濾柱由多節單模塊、上下封蓋、一組夾持蓋、4根拉桿、8個螺絲組成；單模塊、上下封蓋、夾持蓋材質為有機玻璃，拉桿、螺絲材質為合金鋼；淋濾柱單模塊設置有墊圈和篩孔，各單模塊上下疊套，通過墊圈密封；上封蓋設置有密封圈和液路口，與最上端單模塊上下疊套，通過密封圈密封；下封蓋設置有墊圈和液路口，與最下端單模塊上下疊套，通過墊圈密封；夾持蓋設置有4個拉桿孔、墊片和液路孔，分別與上下封蓋疊套，通過墊片緩沖；拉桿設置有螺絲和卡位釘；拉桿孔與夾持蓋相連，通過螺絲固定夾緊；淋濾柱上下液路孔分別與氣路管相連，氣路管與液路管為耐壓抗腐軟管，各接口處由密封卡扣固定。

1—升降機；2—氣路；3—濾液箱；4—翻轉機；5—淋濾柱； 6—液路；7—空壓機；8—控制器；9—載臺。

1.3 升降結構

實驗載臺兩端設置有升降機，升降機由升降電機、軌道和升降臺組成。升降電機通過線路與控制器相連，受控制器支配，升降電機通過軌道驅動升降臺；升降臺上放置濾液箱，升降臺帶動濾液箱上下移動。濾液箱由出液口、進液口、氣路口和液路口組成；濾液箱材質耐壓、抗腐、透明，箱體標有刻度線；出液口設置有手動閥門，用于采集箱內液體；進液口為漏斗狀，方便向箱內倒入液體，進液口設置有電磁閥；氣路口設置有電磁閥和氣壓表，通過氣路管與空壓機相連；液路口設置有電磁閥和流量計，通過液路管與淋濾柱相連。

1.4 翻轉結構

翻轉結構主要涉及翻轉機，翻轉機由翻轉器和翻轉電機組成，通過支撐架固定安裝在載臺上，翻轉器通過卡位釘與淋濾柱連接，翻轉電機通過線路與控制器相連，受控制器支配，實現180°回程往復翻轉動作。

1.5 控制系統

控制系統由控制器上的時間顯示、翻轉計次顯示、電源開關、升降機開關、翻轉機開關、空壓機開關和微機組成，固定安裝在載臺上；通過線路與升降機、翻轉機、空壓機、各電磁閥和流量計相連，通過控制升降機、翻轉機和各電磁閥實現淋濾柱往復式淋濾實驗，通過采集流量計和翻轉器的信號實現淋濾液流量記錄、淋濾時間記錄、翻轉次數記錄。

2 實驗裝置應用

自動往復式淋濾實驗裝置可以實現3種不同類型的淋濾實驗：①單一介質往復淋濾實驗；②多介質往復淋濾實驗；③液壓差往復淋濾實驗。以上3種淋濾實驗，均可裝配不同類型的淋濾液如超純水、標液、自然水體（雨水、河水、礦井水）等，以供不同類型淋濾液條件下淋濾效果對比分析使用。淋濾柱可進行多樣多節組合，以供模擬復雜地質體和新材料研究使用。通過目標物總量的加和計算，可以有效地驗證實驗的準確性；可以測定從淋濾實驗開始到某一時間點，淋濾液中增加的目標物的絕對量占實驗前被淋濾介質中目標物的絕對量的百分比，即淋出率；可以測定從淋濾實驗開始到某一時間點，被淋濾介質中增加的目標物的絕對量占實驗前淋濾液中目標物的絕對量的百分比，即介質吸附率。根據不同時間淋出率和介質吸附率繪制曲線，淋出率曲線可以直觀地看出目標物在介質中被淋濾出的起始時間和速率，介質吸附率曲線可以直觀地看出目標物被介質吸附的起始時間和速率。

3 結束語

淋濾實驗涉及學科廣泛，對于科學研究具有重要作用。針對現有淋濾實驗裝置功能單一、自動化程度低等問題，開發了一套自動往復式淋濾實驗裝置。該套裝置結構緊湊、功能全面、節省人力、占地面積小、應用范圍廣、使用壽命長、自動化程度高，有效減少了實驗中的人為誤差。自動往復式淋濾實驗裝置可以實現3種不同類型的淋濾實驗，通過目標物總量的加和計算，可以有效地驗證實驗的準確性。

［1］劉少文，焦如珍，董玉紅，等.土壤重金屬污染的生物修復研究進展［J］.林業科學，2017，53（5）：146-155.

［2］于揚，李德先，王登紅，等.溶解態稀土元素在離子吸附型稀土礦區周邊地表水中的分布特征及影響因素［J］.地學前緣，2017，24（5）：172-181.

［3］王運泉，任德貽，尹金雙，等.煤及其燃燒產物中微量元素的淋濾試驗研究［J］.環境科學，1996，17（1）：16-19.

［4］宋黨育，秦勇，張軍營，等.煤及其燃燒產物中有害痕量元素的淋濾特性研究［J］.環境科學學報，2005（9）：1195-1201.

［5］劉欽甫，鄭麗華，張金山，等.煤矸石中氮溶出的動態淋濾實驗［J］.煤炭學報，2010，35（6）：1009-1014.

［6］劉桂建，袁自嬌，周春財，等.采礦區土壤環境污染及其修復研究［J］.中國煤炭地質，2017，29（9）：37-40.

［7］曹云全，張雙圣，劉漢湖，等.煤矸石中重金屬動態淋濾和靜態浸泡溶出特征研究［J］.河北工程大學學報（自然科學版），2010，27（1）：76-80.

［8］李光宇，王少坡，邱春生，等.淋濾技術去除剩余污泥重金屬研究進展［J］.環境工程，2017，35（2）：133-137.

［9］程艷坤，趙文霞，李麗，等.粉煤灰中有害元素淋濾實驗研究［J］.河北化工，2008，3（3）：23-24.

［10］周普雄，嚴勰，余震，等.生物淋濾聯合類Fenton反應去除污染土壤中重金屬的效果［J］.環境科學，2016，37（9）：23-24.

［11］王念秦，賀磊.非飽和煤矸石淋濾儀的研制與應用［J］.煤炭技術，2016，35（11）：263-265.

［12］楊永昌，莘星，紀冬平，等.燃煤產物中微量元素的淋濾實驗方案和淋濾特征［J］.中國資源綜合利用，2017，35（8）：11-13.

張衛國（1985—），男，河北雄縣人，碩士，工程師，主要從事煤地球化學實驗研究。

國家自然科學基金（編號：41802187）；陜西省教育廳科學研究計劃專項項目（編號：18JK0521）

2095－6835（2018）24－0095－02

TQ534

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.095

〔編輯：嚴麗琴〕