专利名称：污染水体冻融过程中冰内污染物行为物理模拟装置及方法
技术领域：
本发明属于环境工程、水利工程和海洋工程技术领域，特别涉及到结冰地区化学污染物泄露或排放到河流、湖泊、水库、海洋时，水体冻结和融化过程中污染物在冰内行为和归宿的物理模拟实验装置及方法。
背景技术：
目前，国内外利用实验室开展水体内污染物行为和归宿研究比较系统，虽然绝大多数利用小体积玻璃和不锈钢容器进行，但也有少数相对大体积的水槽物理模拟。水槽物理模拟更能真实模拟自然环境条件，但它操作相对复杂、实验花费时间长，所以相对小体积容器实验而言，缺少成熟的实验装备和实验方法。如果静止和运动的污染水体冻结成冰，则在水体冻结和融化过程中污染物的行为和归宿研究既需要现场原型观测，也需要实验室物理模拟。在冰内化学污染物物理模拟研究方面，现在更缺少具有共性的物理模拟装备和方法。虽然有使用小容器进行容器内污染水体全部或部分冻结实验，但冰生长不属于一维热力学过程，冰的晶体也不同于天然冰，导致冰分子结构中“污染物包裹体”占据空间的方式不同于天然冰。
发明内容
本发明的目的是，提供一种在低温实验室内物理模拟静态和动态化学污染水体在结冰和融冰过程中，冰内化学污染物行为和归宿的物理模拟装置及方法；该装置利用不锈钢和玻璃材料制作，回避实验过程中化学污染物被实验水槽材料的吸收，化学反应；实验同时解决冰生长和融化过程中对冰温度、冰厚度变化的跟踪监测；解决湖、河、海冰生长和融化过程中，冰内化学污染物迁移、分布和总百分含量的科学问题。该方法在于水槽内处于流动或者静止状态的水体由表面自上而下冻结；实验期间随时采集冰样和水样并监测冰生长和融化过程中的冰温度、冰厚度变化。
本发明的技术方案是，用不锈钢材料制作水槽，水槽分上下两层，配以不锈钢水泵，实现水体在不锈钢水槽流动。为保证水体在水槽内均匀运动，水槽隔水板下层的水泵进水管全长开窄口，水槽下层水泵出水管全长等间距开圆孔，进水管同出水管之间隔开。此外水槽内出水口固定有导流栅，以减少水体的紊动。实验水槽沿长度两侧面均设玻璃观测窗，以便对实验过程中运动水体和冰底面进行观测。为了防止玻璃观测窗密封胶吸附和同污染物发生化学反应，将厚玻璃板研磨成楔形，由外侧挤压和打胶，实现密封。水槽外部连接水泵的不锈钢管道外壁加保温层并在管道外壁与保温层之间包裹电热丝带，可以根据实验温度，对管道进行加温。排水管用于实验结束后排出水槽内的实验用水。水槽上方敞口，其余五个面覆盖保温层，为了防止实验期间有机保温泡沫材料落入水槽，对保温层外面加贴保护膜。水槽制作完成后，对水槽进行清洗。另外，取样器、样品存储器皿、测试传感器也均为不锈钢或玻璃材料。实验时污染水体处于静止和流动状态，利用低温实验室为冷源，水槽上方敞口接受冷源，保证水体自上而下冻结。
本发明的效果和益处是，水体能够处于流动和静止两种状态；水体能够自上而下一维生长和融化；水体和冰体内化学污染物不能被吸附、不发生化学反应；冰下水体和冰底状况能够通过玻璃窗观测；冰生消过程厚度变化和温度变化能够跟踪监测；冰样和水样能够随时采集；样品能够在低温环境储存并等待化学分析。
图1是水槽下层平面布置示意图。
图中1水槽下层，2玻璃观测窗，3射灯，4出水管出水孔，5进水管开槽，6保温层，7排水口，8进水通道，9进水管，10出水管，11保温塞，12电热丝带，13不锈钢水泵，14调压箱，15出水通道。
图2是图1中的A-A剖面图。
图中1水槽下层，2玻璃观测窗，6保温层，14调压箱，16水槽上层，17水平隔板，18阀门，19排水管，20槽钢支架，21导流栅。
具体实施例方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的最佳实施例。
如模拟硝基苯污染水体在流动状态下冻结和融化过程中的冻结速率、融化速率和冰内硝基苯含量，制作的实验装置和采用的实验方法因为实验过程要避免硝基苯被有机物吸附，所以实验过程中凡接触含硝基苯水体或冰体的装置、设备和工具都用不锈钢、玻璃、陶瓷材料制作。特别制作的实验水槽结构见图1和图2。该水槽用3毫米不锈钢板焊制1米宽，2.8米长的上方敞口长方体水槽，水槽内距槽底30厘米处固定有一块1米宽，2.5米长的不锈钢水平隔板17，该水平隔板17与水槽1米宽直立面之间留有出水通道15和进水通道8。水槽下层1和水平隔板17之间的水体经不锈钢水泵13推动，由出水通道15进入水槽上层16流动并经进水通道8回流到隔板下层。隔板下层的水泵进水管9全长开1厘米宽窄槽5，而水槽隔水板下层水泵出水管10均匀分布9个1厘米直径圆孔4，以便水体在整个水平面内出水；进水管9同出水管10之间隔开，由此实现水体循环。出水通道15上方固定导流栅21，水体通过侧边筛孔流出，以减少水体的紊动。水槽的2.8米长度的两侧面安装玻璃观测窗2，以便对实验过程中运动水体和冰底面进行观测。为了防止玻璃观测窗2的有机玻璃胶吸附硝基苯，将18毫米厚度的玻璃板研磨成楔形，由外侧挤压和打胶，实现密封。水槽除顶面外，其他五个面加10厘米厚度的泡沫保温层6，为了防止实验期间保温泡沫材料落入水槽，保温层外面加贴单面胶膜。另外防止水槽上层16注水后引起冰下水承压，在水槽下层1的侧边焊接一不锈钢连通管，作为调压箱14。水槽制作完成后，开动不锈钢泵13，对整体装置用含洗洁剂水清洗三次，用清水清洗三次。当实验结束后，由排水口7通过排水管19和阀门18排出水槽内的实验用水。另外，采样器使用不锈钢材料、样品存储器皿使用玻璃瓶和不锈钢容器、温度传感器为不锈钢护套、厚度测量使用自行加工的镍铬丝。
为了保障水泵和水管在低温下正常运行以及融化实验时对槽内水体加温，在管道周围安装耐腐蚀、防潮性能好、绝缘强度高和使用寿命长的硅橡胶电热丝带12并由Pt100铂电阻温度传感器和数字显示调节器及空气开关控制电热丝带12的工作。电热丝带12缠绕在进水管9、出水管10和不锈钢水泵13的底座上，温度传感器分别固定在水泵底座和管道壁上，此外在两个排水管19处也缠绕了电热丝带12。
实验水槽的下方由80毫米×40毫米的槽钢焊制支架20，支承水槽，支架内全部填满保温材料6。考虑到实验水体，水槽及支架20的总重量接近3吨并为了防止实验过程发生漏水、漫水现象，所以低温实验室地面全部安装木龙骨；地面铺设隔水橡胶。
实验方法是将水温接近零度的自来水泵入水槽，水体开始低速流动；根据模拟的目的，决定在水体冻结前或冻结到一定厚度添加硝基苯；添加硝基苯溶液时在水槽出水口通道一侧安排三个添加点，用玻璃移液管缓慢注入硝基苯溶液；水体流动5分钟后取第一次水样，作为水体含硝基苯的本底浓度值；然后再令冰生长约1厘米厚度，取2升水样、12升冰样，用于测量水体和冰体中硝基苯浓度；继续冻结，当冰厚度再增加1.5厘米、1厘米、0.4厘米时，分别取2升水样和12升冰样；到达实验预定冰厚度后，电热丝带开始通电加热，使水槽内水体温度保持在1.5±0.2摄氏度，同时将低温实验室温度升高到0±1摄氏度，令冰层融化；当冰的厚度减少1.5厘米和再减少0.5厘米时，分别取2升水样和12升冰样；为了检验实验室冻结冰与天然冰晶体上的一致性，在-18摄氏度下冻结水体36小时，停止降温，取冰晶体分析样品一个、再次取2升水样和12升冰样；所有水样、冰样均在称重量后，在低温实验室的0摄氏度房间保存，等待测试它们的硝基苯浓度；整个实验过程中每隔半小时，测量空气、冰层、水体温度和水槽内七处固定点的冰厚度计算平均的冰厚度。在试验进行过程中，当需要观测水体运动和冰底面状态时，将水槽两侧玻璃观测窗2的保温塞11拿掉，打开射灯3，从对面玻璃观测窗2进行观测，观测完毕，关掉射灯3，将保温塞11安放好。
权利要求
1.一种污染水体冻融过程中冰内污染物行为物理模拟装置及方法，其装置特征在于用不锈钢材料制作上方敞口水槽，水槽分上下两层，配以不锈钢水泵(13)；水槽上层(16)出水通道(15)固定有导流栅(21)；实验水槽沿长度两侧面均设玻璃观测窗(2)，观测窗玻璃板研磨成楔形，由外侧挤压和打胶密封；不锈钢管道(9、10)外壁与保温层(6)之间包裹电热丝带(12)；水槽除上方敞口外，其余五个面覆盖保温层(6)，保温层(6)外面加贴保护膜；取样器、样品存储器皿、测试传感器均为不锈钢和玻璃材料制品；其方法特征在于水槽内处于流动或者静止状态的水体由表面自上而下冻结；实验期间随时采集冰样和水样并监测冰生长和融化过程中的冰温度、冰厚度变化。
全文摘要
本发明属于环境工程、水利工程和海洋工程技术领域。其特征是，提供一种在低温实验室内物理模拟静态和动态化学污染水体在结冰和融冰过程中，冰内化学污染物行为和归宿的物理模拟装置及方法，解决湖、河、海冰生长和融化过程中，冰内化学污染物迁移、分布和总百分含量；该装置用不锈钢和玻璃材料制作；水槽上方敞口接受低温实验室冷源；能够监测试验过程中的冰温度、厚度变化，能够随时采集冰样和水样。本发明的效果和益处是，水体能够处于流动和静止两种状态；水体能够自上而下一维生长和融化；水体和冰体内化学污染物不能被吸附、不发生化学反应；冰下水体和冰底状况能够通过玻璃窗观测；样品能够在低温环境储存并等待化学分析。
文档编号G09B25/00GK101021978SQ20071001078
公开日2007年8月22日 申请日期2007年3月26日 优先权日2007年3月26日
发明者李志军, 李广伟, 李青山, 许士国, 徐向舟, 白焱, 王昕 申请人:大连理工大学, 松辽水环境科学研究所