自动往复式淋滤实验装置开发与应用＊

张卫国，石媛，穆睿



自动往复式淋滤实验装置开发与应用＊

张卫国1，石媛2，穆睿1

（1.西安科技大学 地质与环境学院，陕西 西安 710054；2.山西省分析科学研究院，山西 太原 030000）

淋滤实验是研究物质迁入或迁出过程的重要手段之一，涉及学科广泛。针对现有淋滤实验装置功能单一、自动化程度低等问题，开发了一套多功能自动往复式淋滤实验装置，详细介绍了该套装置的总体结构、各部件连接关系、功能实现过程及原理。自动往复式淋滤实验装置可以完成3种不同类型的淋滤实验，通过目标物总量的加和计算，可以有效地验证实验的准确性。该套装置的开发与应用对于固液间物质交换的精细化、定量化研究具有一定的借鉴作用。

淋滤实验；总体结构；装置开发；自动化程度

淋滤也称“淋溶”，通常指大气降水渗入地下时，渗流水把地表附近细小的破碎物质和围岩中易溶成分溶解带走的过程。环境科学中经常进行的淋滤实验是模拟污水的渗入过程，研究污染物在饱气带中的吸附、转化、自净机制，确定饱气带的防护能力，为评价污水渗漏对地下水水质的污染影响提供参考依据[1-2]。除此之外，淋滤还是煤等地质体中有害元素迁移出的主要途径之一[3-6]。地质体中有害元素经常通过地下水作用于邻近岩层，雨水也会对地质体中有害元素进行淋溶，通过地表径流渗入土壤中，对人类健康和生态环境产生危害。因此，淋滤实验是研究物质迁入或迁出能力的重要手段之一。

常用淋滤实验方法（思路）有静态浸泡和动态淋滤两种。静态浸泡是将淋滤液浸没被淋滤介质一段时间后取出液体，测试液体中目标物的含量变化情况。动态淋滤又分为两种，一种是目标物在淋滤液中，测试淋滤液进入被淋滤介质后目标物的损耗量，即目标物被淋滤介质的吸附/转化的情况；一种是目标物在被淋滤介质中，测试淋滤液进入被淋滤介质后目标物的增加量，即目标物被淋滤液从介质中携带出的情况[7]。由于淋滤实验涉及学科比较多，研究者对淋滤机理关注比较多，淋滤实验装置的开发相对滞后[8]。目前，淋滤实验装置尚存一些问题。比如现有淋滤实验装置比较单一，淋滤时间、淋滤液流量、驱动力等参数控制和采集不够精确；淋滤柱中多数仅放置单种被淋滤介质，无法实现模拟多层介质叠加作用下的复杂地质体情况；连续动态淋滤情况下，淋滤液单程进入被淋滤介质，造成淋滤液消耗大，且淋滤液中目标物浓度低，实验结果精度低，重现性差；实验装置自动化程度低，耗时费力，实验中容易出错[9-12]。

针对上述问题，设计了一套结构简单、操作方便、数据精确，并且能够模拟多层介质叠加作用下的复杂地质体情况的自动往复式淋滤装置。

1 实验装置开发

基于传统土柱淋滤实验框架，参考美国环保局提出的淋滤环境评价体系（LEAF），遵循自动化、模块化、多功能原则进行装置研发。

1.1 装置总体结构

自动往复式淋滤实验装置主要包括淋滤柱、升降机、滤液箱、翻转机、空压机和控制器等，如图1所示。升降机、空压机和控制器固定安装在载台上；翻转机通过支撑架固定安装在载台上；淋滤柱通过卡位钉与翻转电机相连；两个滤液箱分别放置在升降机的升降台上，滤液箱液路口通过液路管分别与淋滤柱液路孔相连；滤液箱气路口通过气路管与空压机相连；气液路端口设置有电磁阀、气压表和流量计，由控制器微机控制开闭和数据采集。

1.2 淋滤柱

淋滤柱由多节单模块、上下封盖、一组夹持盖、4根拉杆、8个螺丝组成；单模块、上下封盖、夹持盖材质为有机玻璃，拉杆、螺丝材质为合金钢；淋滤柱单模块设置有垫圈和筛孔，各单模块上下叠套，通过垫圈密封；上封盖设置有密封圈和液路口，与最上端单模块上下叠套，通过密封圈密封；下封盖设置有垫圈和液路口，与最下端单模块上下叠套，通过垫圈密封；夹持盖设置有4个拉杆孔、垫片和液路孔，分别与上下封盖叠套，通过垫片缓冲；拉杆设置有螺丝和卡位钉；拉杆孔与夹持盖相连，通过螺丝固定夹紧；淋滤柱上下液路孔分别与气路管相连，气路管与液路管为耐压抗腐软管，各接口处由密封卡扣固定。

1—升降机；2—气路；3—滤液箱；4—翻转机；5—淋滤柱； 6—液路；7—空压机；8—控制器；9—载台。

1.3 升降结构

实验载台两端设置有升降机，升降机由升降电机、轨道和升降台组成。升降电机通过线路与控制器相连，受控制器支配，升降电机通过轨道驱动升降台；升降台上放置滤液箱，升降台带动滤液箱上下移动。滤液箱由出液口、进液口、气路口和液路口组成；滤液箱材质耐压、抗腐、透明，箱体标有刻度线；出液口设置有手动阀门，用于采集箱内液体；进液口为漏斗状，方便向箱内倒入液体，进液口设置有电磁阀；气路口设置有电磁阀和气压表，通过气路管与空压机相连；液路口设置有电磁阀和流量计，通过液路管与淋滤柱相连。

1.4 翻转结构

翻转结构主要涉及翻转机，翻转机由翻转器和翻转电机组成，通过支撑架固定安装在载台上，翻转器通过卡位钉与淋滤柱连接，翻转电机通过线路与控制器相连，受控制器支配，实现180°回程往复翻转动作。

1.5 控制系统

控制系统由控制器上的时间显示、翻转计次显示、电源开关、升降机开关、翻转机开关、空压机开关和微机组成，固定安装在载台上；通过线路与升降机、翻转机、空压机、各电磁阀和流量计相连，通过控制升降机、翻转机和各电磁阀实现淋滤柱往复式淋滤实验，通过采集流量计和翻转器的信号实现淋滤液流量记录、淋滤时间记录、翻转次数记录。

2 实验装置应用

自动往复式淋滤实验装置可以实现3种不同类型的淋滤实验：①单一介质往复淋滤实验；②多介质往复淋滤实验；③液压差往复淋滤实验。以上3种淋滤实验，均可装配不同类型的淋滤液如超纯水、标液、自然水体（雨水、河水、矿井水）等，以供不同类型淋滤液条件下淋滤效果对比分析使用。淋滤柱可进行多样多节组合，以供模拟复杂地质体和新材料研究使用。通过目标物总量的加和计算，可以有效地验证实验的准确性；可以测定从淋滤实验开始到某一时间点，淋滤液中增加的目标物的绝对量占实验前被淋滤介质中目标物的绝对量的百分比，即淋出率；可以测定从淋滤实验开始到某一时间点，被淋滤介质中增加的目标物的绝对量占实验前淋滤液中目标物的绝对量的百分比，即介质吸附率。根据不同时间淋出率和介质吸附率绘制曲线，淋出率曲线可以直观地看出目标物在介质中被淋滤出的起始时间和速率，介质吸附率曲线可以直观地看出目标物被介质吸附的起始时间和速率。

3 结束语

淋滤实验涉及学科广泛，对于科学研究具有重要作用。针对现有淋滤实验装置功能单一、自动化程度低等问题，开发了一套自动往复式淋滤实验装置。该套装置结构紧凑、功能全面、节省人力、占地面积小、应用范围广、使用寿命长、自动化程度高，有效减少了实验中的人为误差。自动往复式淋滤实验装置可以实现3种不同类型的淋滤实验，通过目标物总量的加和计算，可以有效地验证实验的准确性。

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张卫国（1985—），男，河北雄县人，硕士，工程师，主要从事煤地球化学实验研究。

国家自然科学基金（编号：41802187）；陕西省教育厅科学研究计划专项项目（编号：18JK0521）

2095－6835（2018）24－0095－02

TQ534

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.24.095

〔编辑：严丽琴〕