一种土样清洗系统及洗盐方法

本发明涉及盐渍土洗盐领域，具体而言，涉及一种土样清洗系统及洗盐方法。

背景技术：

盐渍土是在各种自然环境因素以及人类活动共同影响下形成不同水平的盐化、碱化土壤以及各种盐土和碱土的总称。在公路建设行业，通常把地表下lm深度内易溶盐平均含量大于0.3％的土规定为盐渍土。虽然盐渍土同常规土一样，均由固、液、气三相组成，但由于盐分(盐结晶、盐溶液)的存在使得盐渍土的性质发生了较大变化，不同的盐分类型及其浓度对土壤各种性质的影响不尽相同。

盐渍土在世界各地均有分布，根据联合国粮农组织和联合国教科文组织(fao/unesco)不完全统计，覆盖面积近10亿公顷，主要分布在大洋洲，北亚中亚地区及南美地区等。我国盐渍土的分布面积约占全国面积的2％，覆盖面积约为0.36亿公顷，主要分布在西北、华北、东北及滨海地区。我国盐渍土分为盐土和碱土两类，其中盐土包括以下六个亚类，分别为滨海盐土、草甸盐土、沼泽盐土、积盐盐土、残余盐土和碱化盐土；碱土又分为三个亚类，分别是草甸碱土、草原碱土和龟裂碱土。而冻融引起的土壤中水盐运移是导致中低纬度地区土壤盐碱化多发的主要原因之一，盐分的存在使土地逐渐退化为盐碱地，农作物无法种植；同时导致建筑物钢筋混凝土的腐蚀、盐胀等问题。随着人类工程活动的发展，寒旱区的地表盐渍化、盐胀势必会影响到该地区的工程建设，如公路、铁路及房屋建筑物等，还会导致多种工程病害，如地面塌陷、道路翻浆、建筑物基础腐蚀等工程问题。

目前，在工程领域中大量学者对盐渍化土壤的工程特性开展了大量研究。不同的盐分类型及其浓度对土壤的冻结温度、未冻水含量、介电特性、物理力学性能等都有较大的影响，科研人员需要对盐胀机理、水盐迁移机理以及盐渍化冻融土的物理力学性质等进行研究。在研究中，需要制作大量不同类型盐分、不同含盐量的样品进行分析。为了制作具备目标含盐量的土壤样品，首先需要对具有代表性的原状盐渍土进行洗盐，然后根据试验目的再在洗盐后的土样中添加不同含量，不同类型的盐分，进行盐渍土在不同条件下的物理力学测试，从而研究盐渍土的特性。

现有的盐渍土易溶盐清洗过程为：将适量代表性盐渍土置于干净的容器内，加蒸馏水，手工搅拌均匀后过滤，或搅拌均匀静置几小时后手工抽掉上清的废液，如此反复多次，全程手工操作，耗时长，同时需要一位或多位人员配合才能完成，且抽取上部较清澈废液时容易将小颗粒土一起抽掉，多次重复后土壤颗粒分布及组成容易发生改变，造成土壤的性质发生改变。

在检查易溶盐清洗结果时，分别在2个试管中盛入5ml左右的试样滤下溶液或上清液，然后向其中一个试管中加入数滴浓度100ml/l硝酸和50ml/l硝酸银溶液,向另一个试管中加入数滴浓度100ml/l盐酸和50ml/l氯化钡溶液，观察两试管中是否有白色沉淀，如有则继续洗盐；重复检验直至不再出现白色沉淀为止，此方法存在试验过程繁琐、耗时久的问题。

鉴于此，特提出本发明。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种土样清洗系统及洗盐方法以解决上述技术问题。

本发明是这样实现的：

本发明提供了一种土样清洗系统，其包括洗样装置、收集装置、和控制单元，洗样装置包括洗样容器以及在洗样容器侧壁设置的液位控制开关，在洗样容器的底部设置有土样截留层，收集装置设置于洗样容器的下方以接收洗样介质，土样截留层的出液端与收集装置的顶部连接；液位控制开关包括分设于洗样容器侧壁的上液位控制开关和下液位控制开关，洗样装置还开设有进水口，进水口设置有控制阀1，收集装置开设有出水口，出水口包括上下设置的上出水口与下出水口，其中下出水口设置有控制阀2，上液位控制开关、下液位控制开关、控制阀1和控制阀2与控制单元电连接以实现自动进液和排液，收集装置内置有盐度探测器，且设置盐度探测器的高度低于收集装置中的上出水口的高度。

发明人提供了一种土样清洗系统，该土样清洗系统具有全自动土样易溶盐清洗功能，具体通过洗样装置实现待洗土样的盐分清洗，洗样介质(例如纯水)从洗样装置的底部进入收集装置，通过控制阀门实现废盐水的排出。这样设置避免了抽取上清液时对土样本身的小颗粒冲走，保留了土样固有的土壤性质和粒度分布，土壤被土样截留层截留住，反复清洗几次后，通过盐度探测器确认洗样介质的盐度水平，并对土样留存的盐分水平进行评价，判断土样易溶盐是否达到要求，最后完成清洗。

另外，本发明提供的上述清洗系统具有控制单元，通过控制单元控制上液位控制开关、下液位控制开关及控制阀1，实现自动注水及加满后自动停止注水的操作，实现一键启动即可自动完成清洗工作。

具体地，当液位低于下液位控制开关时，下液位开关反馈控制信号控制控制阀1得电工作，开始注水，同时下液位控制开关反馈控制信号控制控制阀2得电工作，排净收集装置中的废液；当注水液位高于上液位控制开关时，上液位控制开关反馈控制信号控制控制阀1断电，停止注水，搅拌，待搅拌结束控制阀2失电断开，收集装置内置有盐度探测器，设置盐度探测器低于收集装置的上出水口，由于这时控制阀2处于断开状态，下出水口通路受阻，收集装置只能从上出水口排除废液，且保证盐度探测器浸入收集装置的废液中，可以测得废液的电导率反馈值。

盐度探测器可以是盐度计或电导率探头，只要能满足盐度的探测均可行。优选采用电导率探头反馈数据，使电导率探头浸入废液中从而检测土壤溶液的电导率从而反映溶液中含盐的多少，当两次测得(反馈)数据相同，则视为洗干净了。设置盐度探测器避免了人为观察沉淀等因素对结果产生的误判，有效提升了结果的可靠性。相较传统取废液滴入试剂的判别沉淀产生的方法，更加准确可靠，且更加环保经济。

本发明中提供的技术方案针对实验室土样洗盐问题，可以实现自动注水及排水，并能够自动判别土样中易溶盐是否达到目标值，该方面的彻底打破了土样洗盐只能用技术人员简单手工操作的局限性，使得土样洗盐工作不再繁琐复杂，只需一键启动即可自动完成绝大部分工作，大大减少了科研及技术人员的工作量，提高了工作效率，智能程度高。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述土样截留层包括上下依次设置的过滤层和支撑层；采用支撑层和过滤层配套过滤排出废液的方法，具有周期短，过滤时间短的优势，确保了土样原有的粒度组成。需要说明的是，过滤层由具有微小孔隙的透水材料组成；过滤层只要具备透水不透土的功能均可行，并不限于土工布；支撑层只要具有支撑过滤层平整度的功能均可行，并不限于支撑架或支撑板。

优选地，过滤层为土工布或透水石。

优选地，支撑层为开孔支撑板或支撑网架。开孔的孔径可以根据实际过滤的土样多少进行自适应调节，只要能保证土工布的平整即可。开孔可以是圆孔、方孔、菱形孔、三角孔等。

优选地，支撑网架为不锈钢格栅。不锈钢具有耐腐蚀性，在其他实施方式中，也可根据需要选择其他耐腐蚀材料作为支撑网架。在本发明应用较佳的实施方式中，上述土样清洗系统还包括壳体，壳体具有凹陷部，洗样装置和收集装置安装于凹陷部，控制单元设置于壳体内。

上述凹陷部只要能满足安装洗样装置和收集装置即可。在其他实施方式中也可在凹陷部外设置透明折叠推拉玻璃以便于观察和拆卸。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述壳体还安装有搅拌装置，搅拌装置包括电机、搅拌轴和搅拌叶轮，电机的动力输出端与搅拌轴的一端转动连接，搅拌轴的另一端与搅拌叶轮固定连接，洗样容器具有用于容纳土样的容纳腔，搅拌叶轮延伸至洗样容器的容纳腔。在洗样容器顶部设置步进电机，且通过电机连接搅拌叶轮，实现自动搅拌土样，可自由设置搅拌时间及速率。这样设置根本上解放了科研人员的双手，使得科研人员有更多的精力投入其他科研工作中。

优选地，搅拌叶轮至少有两个叶片，且叶片相对于搅拌轴具有倾斜角，倾斜角为1°-80°。设置具有一定倾斜角的叶片有利于减少搅拌阻力以免对步进电机及其搅拌轴造成的损伤。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述壳体还安装有时间继电器，时间继电器、电机以及控制单元电连接。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述壳体外安装有触摸屏工控机、电源指示灯、整机供电按钮和急停按钮。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述洗样装置的进水口通过进水管路延伸至壳体外，进水管路可选择外接纯水机或储水罐。而收集装置的排水口外接排液槽或排液罐。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述洗样容器侧壁设置有导轨，上液位控制开关和下液位控制开关安装于导轨上；

优选地，导轨具有滑槽以使上液位控制开关和下液位控制开关位移。滑槽与液位控制开关具有配合部，例如液位控制开关具有卡接部以使得液位控制开关的一端卡接在滑槽内。

本发明还提供了一种使用土样清洗系统进行土样洗盐的方法，其包括如下步骤：将待洗土样装入洗样容器，通过控制单元开启控制阀1、控制阀2，开始注水，并排尽废液，进水至液位上限后，控制上液位控制开关关闭控制阀1，搅拌洗盐后，控制单元关闭控制阀2，洗样介质经土样截留层从收集装置的上出水口排出，使用盐度探测器采集洗样介质的盐度，若盐度高于目标值，待洗样容器中的液位低于液位下限时，下液位开关反馈控制信号，控制单元控制控制阀1开启，开始注水，并打开控制阀2排尽废液，重复清洗步骤，直至盐度探测器采集的洗样介质盐度低于目标值。

在本发明应用较佳的实施方式中，上述方法还包括待进水至液位上限后开启搅拌装置，并设置搅拌时间，通过触摸屏工控机调节电机转动速率，待搅拌时间止，控制单元关闭控制阀2，洗样介质经土样截留层从收集装置的上出水口排出，同时盐度探测器采集洗样介质的盐度，若盐度高于目标值，下液位控制开关控制控制阀1、控制阀2开启，进水并排尽废液，重复清洗步骤，直至盐度探测器采集的洗样介质盐度低于目标值。

本发明采用盐度探测器反馈数据，由仪器自动判断含盐量是否达到目标值。当两次反馈数据都低于设定目标值时，清洗过程自动停止。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的提供的技术方案针对实验室土样洗盐问题，可以实现自动注水及排水，并能够自动判别土样中易溶盐是否达到目标值，该方面的彻底突破打破了土样洗盐只能由技术人员简单手工操作的局限性，使得土样洗盐工作不再繁琐复杂，只需一键启动即可自动完成绝大部分工作，大大减少了科研及技术人员的工作量，提高了工作效率，智能程度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1提供的土样清洗系统的外观结构示意图；

图2为图1的前视图；

图3为图2内部结构b-b剖面图；

图4为搅拌叶轮结构示意图；

图5为洗样桶结构示意图；

图6为导轨及液位传感器示意图；

图7为不锈钢格栅示意图；

图8为土样洗盐的具体流程示意图。

图标：1-触摸屏工控机；2-洗样桶；3-废液桶；4-不锈钢格栅；5-上液位开关；6-步进电机；7-进水口；8-1号电磁阀；9-控制电路板；10-废液口；11-箱体外壳；12-下液位开关；13-电导率探头；14-搅拌叶轮；15-时间继电器；16-纯水机出水口；17-电源指示灯；18-整机供电按钮；19-急停按钮；20-土工布；21-导轨；22-2号电磁阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

请参阅图1，本实施例提供了一种土样清洗系统。土样清洗系统具有壳体(即箱体外壳11)，箱体外壳11具有凹陷部，凹陷部安装有洗样装置(本实施例为洗样桶2)，箱体外壳11的侧壁安装有触摸屏工控机1，触摸屏工控机1用来控制和显示洗盐状态，触摸屏工控机1下方设有一个电源指示灯17及两个按钮，分别为整机供电按钮18和急停按钮19(结合图2所示)。

在箱体外壳11的后方有纯水机出水口16与外界的纯水机相连接。箱体外壳11内安装有进水管路，进水管路的一端与进水口7连通，从而对土样清洗系统的洗样桶2供水。

参照图2所示，在洗样桶2的下方设置有废液桶3(即为收集装置)，废液桶3与洗样桶2直径相同。洗样桶2如图5所示，其底部设有比其内径略小一点的开口，以方便放置不锈钢格栅4及土工布20。

图2为本发明装置的前视图，在洗样桶2正中心位置上方设置有搅拌装置。搅拌装置包括步进电机6、搅拌轴和搅拌叶轮14，步进电机6的动力输出端与搅拌轴的一端转动连接，搅拌轴的另一端与搅拌叶轮14固定连接。步进电机6安装于箱体外壳11上。步进电机6的转速可由触摸屏工控机1来调节。图3所示，在箱体外壳11内设置有控制电路板9(即为控制单元)及时间继电器15，时间继电器15用来控制搅拌叶轮14的搅拌时间，可根据需要自由设置搅拌时间以充分搅动所有土样。控制电路板9配合触摸屏工控机1完成整个土样洗盐过程的控制。

搅拌叶轮14的示意图如图4所示，为减少搅拌阻力以免对步进电机6及其轴造成损伤，叶片相对于搅拌轴具有倾斜角，倾斜角为15°，共设置有三个叶片。

图3为b-b剖面图。本实施例中，控制阀为电磁阀。如图所示，在洗样桶2上方靠近内壁处设置有进水口7，进水口7通过上方1号电磁阀8的控制来实现往洗样桶2注入纯水的目的。

洗样桶2的内壁设置有垂直于桶底的导轨21，导轨21上安装有上液位开关5(即为上液位控制开关)及下液位开关12(即为下液位控制开关)，如图6所示，液位开关在导轨上的位置可根据所洗土样的多少及土样性质自由调节。上液位开关5用来控制注入纯水的量，即液位上限，当液位超过上限时，停止注水；下液位开关12用来控制液位下限，当液体量低于液位下限时开始注入纯水，开始实验前，下液位开关12的位置应设置在高于所装土样的位置。

不锈钢格栅4放置于洗样桶2的底部，不锈钢格栅4结构如图7所示。在不锈钢格栅4上方铺有土工布20用来过滤土样，并可以让废液渗出至下方废液桶3中。基于土工布透水性好，且可以完全阻断土壤颗粒通过的特点，采用不锈钢格栅配合土工布过滤废液，既能保证过滤面的平整度，且能较快的过滤掉废液，保证土样粒度组成不发生改变。

在其他实施方式中，不锈钢格栅4只要具有支撑土工布平整度的功能均可行，并不限于支撑架或支撑板。优选地，支撑层为开孔支撑板或支撑网架。开孔的孔径可以根据实际过滤的土样的颗粒尺寸进行自适应调节，只要能避免土样损失的孔径均可行。开孔可以是圆孔、方孔、菱形孔、三角孔等。

图3所示，废液桶3下部有废液口10(即为出水口)用来排出洗盐后的废液，废液口10包括上下设置的上出水口与下出水口，其中下出水口设置有2号电磁阀22用于盐度检测时阻断废液从下出水口流出，废液桶3下部用快速接头安装有电导率探头13。电导率探头13浸入废液中从而检测土壤溶液的电导率从而反映溶液中含盐的多少。在其他实施方式中，电导率探头可以是盐度计，只要能满足盐度的探测均可行。优选采用电导率探头反馈数据，使电导率探头浸入废液中从而检测土壤溶液的电导率从而反映溶液中含盐的多少。设置盐度探测器避免了人为观察沉淀等因素对结果产生的误判，有效提升了结果的可靠性。相较传统取废液滴入试剂的判别沉淀产生的方法，更加准确可靠，且更加环保经济。

实施例2

本实施例提供了使用土样清洗系统进行土样洗盐的方法：

1.系统调试。首先通过技术人员对整个系统进行安装调试和检查，确保各个元件以及传感器能够正常开展工作；

2.开始洗盐工作。调试完成后，可以开始进行土样的洗盐工作，将需要清洗的土样倒入洗样桶中，按下启动按钮，系统开始工作，检测结果低于设定目标值，自动停止，具体流程如图8。具体地：

开始洗盐时，按下整机供电按钮18，系统启动。1号电磁阀8连接纯水机出水口16，一开始液位低于液位下限，下液位开关12反馈控制信号控制1号电磁阀8得电工作，1号电磁阀8得电打开，开始注水，通过进水口7开始持续注入纯水至液位上线，上液位开关5反馈控制信号控制1号电磁阀8断电，停止注水，并控制步进电机6开始带动搅拌叶轮14开始搅拌，与此同时时间继电器15开始计时。

考虑到需要充分搅拌均匀，时间继电器15默认定时时间为10分钟，定时时间即为搅拌叶轮14搅拌的时间，可根据需要通过触摸屏工控机自由调节；也可通过触摸屏工控机1自由调节步进电机转动速率从而调节搅拌叶轮14的搅拌速率。

时间继电器15定时时间到，其开关动作，步进电机6停止工作，同时触摸屏工控机1通过电导率探头13开始采集电导率数据。洗样桶2中溶解有盐分的废液通过土工布20及不锈钢格栅4渗入废液桶3，并通过废液口10上口排掉，土壤颗粒则留在了洗样桶2中。

当废液渗流至液位下限时，下液位开关12动作，1号电磁阀8、2号电磁阀22得电工作，通过进水口7开始注入纯水，同时通过废液口10下口排尽废液如此循环重复上述动作，直至电导率探头13两次反馈的数据都低于设定目标值，洗盐结束。

3.设备维护。每次洗盐结束后需要对洗样桶2、搅拌叶轮14及不锈钢格栅4、土工布20进行清洗，定期更换土工布，需要定期对整个设备进行维护和保养，确保各个部件能够始终处于正常工作状态。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。