原位修复的修复剂传输波及效率的测定装置及测定方法
【专利摘要】本发明提供一种原位修复的修复剂传输波及效率的测定装置，包括泵吸单元、二维箱体结构、图像采集单元及注入单元；二维箱体结构设置有透明材料制成的盖板，盖板下为盛装基质样品的长方形槽；图像采集单元的摄像头位于二维箱体结构的盖板的上方；所述长方形槽的一面侧壁上开有修复剂进口，修复剂进口与注入单元连接；开有修复剂进口的侧壁所相对的侧壁处设置有出液管，所述出液管与泵吸单元连接。本发明提出的方法，实现了精确计算不同孔隙体积(PV)条件下修复液传输的波及效率；本发明提出的测定装置具有自动化程度高、结构紧凑、运行方便、操作简单的特点，装置价格也比较便宜，为地下水及土壤原位修复研究提供了科学的模拟设备及计算方法。
【专利说明】
原位修复的修复剂传输波及效率的测定装置及测定方法
技术领域
[0001] 本发明属于土壤再生领域，具体涉及一种原位修复的修复效果测定方法及采用的 装置。
【背景技术】
[0002] 根据对污染土壤的修复手段的不同，修复技术可以分为异位修复和原位修复。由 于原位修复较异位修复更直接、快速、经济而且效果好，因此正发展成为一种很有应用前景 的修复技术。如果将修复液直接注入受污染的场地，由于场地通常具有非均质性，因此使得 修复液在注入过程中会出现分布不均的情况，即修复液会优先进入大孔隙渗透率高的区域 形成固定通道，进而对小孔隙低渗透率区域形成绕流，导致修复液无法进入小孔隙低渗透 率区域，而低渗透率区域污染物浓度往往又较高，修复液无法进入该区域与污染物接触会 严重影响污染物的去除率，并最终影响污染场地工程修复的效果。因此，如何使修复液更均 匀的分布于所修复区域，尤其是低渗透率区域，成为了制约原位修复技术发展的重要因素。
[0003] 聚合物相对来说是一种高粘度、低密度的非牛顿流体，具有剪切变稀的特性（即在 低剪切速率下具有较高的粘度，在高剪切速率下粘度明显降低），它的引入能够显著提高修 复液在非均匀介质中传输的波及效率，尤其是能够促使修复液进入小孔隙低渗透率区域。 聚合物添加剂增加修复剂传输波及效率的微观机理是聚合物的加入能够增加粘度，改善流 度比，从而增加修复液分布的均匀程度。
[0004] 现有技术中，修复剂被用于油田开采中的驱油体系，以提高石油的采收率，很少用 于污染物的去除及污染场地的修复。已发明的专利中只是简略提及波及效率（例如专利 CN201280048149.6地下油回收优化的系统和方法），没有给出具体的测定装置及计算方法， 而在土壤原位修复技术中尚没有波及效率的评估手段。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的不足之处，本发明给出了一种系统的、简单的、有效的、准确 的计算波及效率的装置及方法。本发明的目的之一是提出一种原位修复的修复剂传输波及 效率的测定装置。
[0006] 本发明的另一目的是提出一种原位修复的修复剂传输波及效率的测定方法。
[0007] 实现本发明上述目的的技术方案为：
[0008] -种原位修复的修复剂传输波及效率的测定装置，其特征在于，包括栗吸单元、二 维箱体结构、图像采集单元及注入单元；
[0009] 所述二维箱体结构设置有透明材料制成的盖板，盖板下为盛装基质样品的长方形 槽;所述图像采集单元包括摄像头和与摄像头连接的数据处理模块，所述摄像头位于二维 箱体结构的盖板的上方;所述长方形槽的一面侧壁上开有修复剂进口，所述修复剂进口与 注入单元连接;开有修复剂进口的侧壁所相对的侧壁处设置有出液管，所述出液管与栗吸 单元连接。
[0010] 其中，所述栗吸单元包括蠕动栗和软管，所述软管的内径与二维箱体结构的长方 形槽的槽深的比值为1:4~8,栗吸单元的软管连接有流出单元;所述注入单元包括蠕动栗 和软管，所述软管的内径与二维箱体结构的长方形槽的槽深的比值为1:4~8。
[0011] 其中，所述修复剂进口连接有进液管，进液管中心线与开有修复剂进口的侧壁平 行；所述进液管上分布有多个进液孔，相邻进液孔间距为20~30mm，进液孔的孔径为3~ 8mm 〇
[0012] 进一步地，开有修复剂进口的侧壁所相对的侧壁处设置有出液管，出液管中心线 与开有修复剂进口的侧壁平行;所述出液管上分布有多个吸孔，相邻吸孔间距为20~30mm， 吸孔的孔径为3~8mm，所述出液管与栗吸单元的软管连接。
[0013]优选地，所述二维箱体结构的长方形槽的槽深为20~40mm。
[0014] 所述的测定装置可采用以下尺寸：所述二维箱体结构的长方形槽的长为200~ 500mm，宽为100~400mm。其中，长方形槽和盖板之间设置有密封垫。
[0015] -种原位修复的修复剂传输波及效率的测定方法，采用本发明所述的装置，包括 步骤：
[0016] 1)在所述二维箱体结构的长方形槽内盛装已知孔隙体积的基质样品；盖上盖板， 保持盖板与所述长方形槽密封；
[0017] 2)通过注入单元向二维箱体结构注入修复剂，同时用栗吸单元抽真空；
[0018] 3)用摄像头记录修复剂在基质内传输的浸润前缘图像，计算修复剂传输的波及面 积，按照公式（1)计筧波及效率
[0019]
( 1 )
[0020] 式（1)中：SE--波及效率，％ ;SA--浸润峰波及的面积，cm2;TA--当注入IPV 时浸润峰波及的总面积，cm2 JlPV是基质样品孔隙体积的1倍）
[0021] 本发明方法所测定的基质样品，所述基质可以是石英砂、土壤、栽植基质、肥料、废 渣中的一种或多种。
[0022]其中，所述步骤2)注入修复剂的操作进行1~10次，在注入修复剂2~10次的操作 中，待前一次修复剂注完后开始下一次的注入;每次注入修复剂的体积为土样孔隙体积的 0.1~1倍。
[0023] 其中，所述步骤2)中，注入修复剂的速度为0.1%~5%倍的长方形槽的体积。
[0024] 进一步地，本发明所述的测定方法中，所述修复剂为溶液，修复剂中含有聚合物， 配置聚合物含量不同的修复剂溶液后测定修复剂的粘度，比较不同聚合物含量的修复剂的 波及效率，及比较表观波及效率（通过肉眼观察到浸润峰波及整个二维箱体求得）达到 100%时所用聚合物溶液的孔隙体积(PV)。
[0025]根据摄制的浸润前缘图像计算波及面积可采用已有的图形处理软件，例如 ImageJ,AutoCAD,Photoshop，MatIab等。
[0026] 本发明的有益效果在于：
[0027] 本发明提供了测定聚合物提高修复剂传输波及效率的装置及方法，通过人工构造 非均匀介质的二维土箱开展聚合物输送液注入研究，通过拍照记录对比不同时刻添加聚合 物以及不添加聚合物情况下输送液在二维土箱内传输波及效率差异。
[0028]本发明提出的方法，实现了精确计算不同孔隙体积(PV)条件下修复液传输的波及 效率;本发明提出的测定装置和现有装置相比，具有自动化程度高、结构紧凑、运行方便、操 作简单的特点，装置的价格也比较便宜，为地下水及土壤原位修复研究提供了科学的模拟 设备及计算方法。
【附图说明】
[0029]图1为原位修复的修复剂传输波及效率的测定装置的结构图。
[0030]图2为二维箱体结构的俯视图。
[0031]图3为二维箱体结构的正视图。
[0032]图4为二维箱体结构的左视图（图3和图4均是相对于图2的方位）
[0033]图5为浸润前缘图像。
[0034]图中各标记如下：
[0035] A:注入单元，B:栗吸单元，C:二维箱体结构，D:图像采集单元，E:流出单元；
[0036] 1-2#蠕动栗、2-6mm*4mm硬管、3-25#的软管、4-1#蠕动栗、5-蠕动栗操作显示板、6_ YZ1515x栗头、7-螺纹孔、8-出液口、9-出液管、10-底槽、11 -进液口、12-进液管、13-盖板、 14-密封橡胶垫、15-底板。
【具体实施方式】
[0037]以下以具体实施例来进一步说明本发明技术方案。本领域技术人员应当知晓，实 施例仅用于说明本发明，不用于限制本发明的范围。
[0038]实施例中，如无特别说明，所用技术手段为本领域常规的技术手段。
[0039] 实施例1:
[0040] 如图1，一种原位修复的修复剂传输波及效率的测定装置，包括栗吸单元B、二维箱 体结构C、图像采集单元D、注入单元A及流出单元E;
[0041] 参见图2、图3、图4,所述二维箱体结构设置有PMM材质的盖板13,盖板下为盛装基 质样品的长方形的底槽10;图像采集单元D包括摄像头和与摄像头连接的数据处理模块，所 述摄像头位于二维箱体结构的盖板13的上方;底槽10的一面侧壁上开有修复剂进口，所述 修复剂进口与注入单元A连接;开有修复剂进口的侧壁所相对的侧壁处设置有出液管，所述 出液管9与栗吸单元B连接。
[0042] 栗吸单元包括2#蠕动栗1(型号BT100N)，配置YZ1515X栗头，栗头上安装25#软管 (内径6.4mm)，软管连接于流出单元E，流出单元E用于收集流出的液体。
[0043] 注入单元的1#蠕动栗4和软管型号与栗吸单元的相同，配置YZ1515X栗头6和蠕动 栗操作显示板5。1#蠕动栗4所连的三根25#的软管3连接三根硬管2，该硬管连接进 液管12的进液口 11，进液管12上有均布的<P 4mm小孔7个。进液管中心线与开有修复剂进 口的侧壁平行。出液管9的中心线与开有修复剂进口的侧壁平行，出液管9上有均布的 cp4mm吸孔7个，出液管伸出二维箱体结构的一端为出液口 8。
[0044] 二维箱体结构的底槽10的内部尺寸303*203*30mm;盖板13的外形尺寸为367*267* 9.6mm;底槽和盖板之间设置有橡胶密封垫14和底板15，螺纹孔7用于底槽和盖板、底板15的 紧固。底板15为一整块透明的PMM板。
[0045] 实施例2
[0046] 采用实施例1的装置，在二维箱体结构的底槽10内分别填充不同粒径的石英砂:分 别为粗砂（10~20目）、中砂（20~40目）和细砂(40~70目）三种不同粒径的石英砂。实验之 前，石英砂要经过一定的预处理，即挑选经严格筛分的一定粒径段的石英砂酸泡、水洗、烘 干备用。
[0047] 每填一层砂子后刮平压实，直至装满底槽10,盖上密封橡胶垫14和盖板13,拧紧固 定螺丝，按照图1所示的顺序连接好实验装置。
[0048]打开注入模块A和栗吸装置模块B，将1#蠕动栗调节为IOrpm的转速，可将聚合物溶 液吸入二维箱体结构模块C，测定模型中每等间隔加入0.1孔隙体积(PV)时的波及效率，波 及(浸润）的过程示意图如图5所示。
[0049] 通过排水法求得箱体模型中不同粒径石英砂的孔隙度，具体参数如表1中所示。
[0050] 表1不同石英砂参数测定结果
[0052] 药品选择及其粘度测定
[0053] (1)实验用聚合物：实验选取的聚合物，为不同浓度梯度的黄原胶溶液（Gum xanthan，USP grade，分子式C35H49O29，阿拉丁，中国上海）。采用DV-II+PRO VISCOMETER粘度 计(BR00KFILELD)对上述两类聚合物进行粘度测试(测试温度为25°C)，具体参数如表2中所 不。
[0054]表2黄原胶粘度测定结果(T = 25°C)
[0056] (2)实验用修复剂:选用的是2g/L的高锰酸钾(KMnO4)溶液，高锰酸钾配完静置两 小时后用于上述实验。
[0057] 方法及检测结果见表3和表4。
[0058] (1)使用实施例的测定聚合物提高修复剂传输波及效率的装置，底槽内放置粗砂， 量取I .OPV的聚合物溶液分十次倒入锥形瓶，每次倒入0.1PV，注完后倒下一次，1#蠕动栗以 IOrpm的转速进液(每分钟进液20mL);
[0059] (2)同时2#蠕动栗将二维箱体全速抽真空；
[0060] (3)用高清摄像机记录溶液浸润前缘的变化情况（即浸润前缘在箱体中的位置）； 每次倒入的O. IPV注完后拍照；
[0061] (4)用ImageJ图形处理软件(减去背景值选项设定为10.0%，该值由色度与孔隙体 积的对应关系确定，由实验校核获得)计算液体浸润的面积，按照公式（1)计算聚合物溶液 的波及效率，如表3所示；
[0062]表3黄原胶波及效率测定
[0064]表4显示的是当表观波及效率达到100%时，所消耗的聚合物溶液的孔隙体积 (PV)。表中数据越接近1PV，说明聚合物溶液越能将石英砂中的孔隙填满(特别是小孔隙）， 故而波及效率也就越高。从表中可以看出，随着聚合物浓度的升高，波及效率也随之提高。 由表4实测孔隙体积(PV)与色度对应值可确定背景值的阈值。当色度背景值设置为10.0% 时，表4中消耗聚合物溶液的孔隙体积(PV)值与表3中1.0 PV时通过图像处理计算所测定的 波及效率是吻合的。
[0065]表4聚合物溶液孔隙体积(PV)
[0067]以上的实施例仅仅是对本发明的【具体实施方式】进行描述，并非对本发明的范围进 行限定，本领域技术人员在现有技术的基础上还可做多种修改和变化，在不脱离本发明设 计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变型和改进， 均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【主权项】
1. 一种原位修复的修复剂传输波及效率的测定装置，其特征在于，包括累吸单元、二维 箱体结构、图像采集单元及注入单元； 所述二维箱体结构设置有透明材料制成的盖板，盖板下为盛装基质样品的长方形槽； 所述图像采集单元包括摄像头和与摄像头连接的数据处理模块，所述摄像头位于二维箱体 结构的盖板的上方;所述长方形槽的一面侧壁上开有修复剂进口，所述修复剂进口与注入 单元连接;开有修复剂进口的侧壁所相对的侧壁处设置有出液管，所述出液管与累吸单元 连接。2. 根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述累吸单元包括蠕动累和软管，所 述软管的内径与二维箱体结构的长方形槽的槽深的比值为1:4~8,累吸单元的软管连接有 流出单元;所述注入单元包括蠕动累和软管，所述软管的内径与二维箱体结构的长方形槽 的槽深的比值为1:4~8。3. 根据权利要求1所述的测定装置，其特征在于，所述修复剂进口连接有进液管，进液 管中屯、线与开有修复剂进口的侧壁平行;所述进液管上分布有多个进液孔，相邻进液孔间 距为20~30mm，进液孔的孔径为3~8mm。4. 根据权利要求2所述的测定装置，其特征在于，开有修复剂进口的侧壁所相对的侧壁 处设置有出液管，出液管中屯、线与开有修复剂进口的侧壁平行;所述出液管上分布有多个 吸孔，相邻吸孔间距为20~30mm，吸孔的孔径为3~8mm，所述出液管与累吸单元的软管连 接。5. 根据权利要求1~4任一所述的测定装置，其特征在于，所述二维箱体结构的长方形 槽的槽深为20~40mm。6. 根据权利要求1~4任一所述的测定装置，其特征在于，所述二维箱体结构的长方形 槽的长为200~500mm，宽为100~400mm;长方形槽和盖板之间设置有密封垫。7. -种原位修复的修复剂传输波及效率的测定方法，采用权利要求1~6任一所述的装 置，其特征在于，包括步骤： 1) 在所述二维箱体结构的长方形槽内盛装已知孔隙体积的基质样品；盖上盖板，保持 盖板与所述长方形槽密封； 2) 通过注入单元向二维箱体结构注入修复剂，同时用累吸单元抽真空； 3) 用摄像头记录修复剂在基质内传输的浸润前缘图像，计算修复剂传输的波及面积， 按照公式(1)计算波及效率(1) 式（1)中：SE--波及效率，％ ; SA-一浸润峰波及的面积，cm2; TA--当注入1PV时浸润 峰波及的总面积，cm2"(lPV是基质样品孔隙体积的1倍）8. 根据权利要求7所述的测定方法，其特征在于，所述步骤2)注入修复剂的操作进行1 ~10次，在注入修复剂2~10次的操作中，待前一次修复剂注完后开始下一次的注入;每次 注入修复剂的体积为基质孔隙体积的0.1~1倍。9. 根据权利要求7或8所述的测定方法，其特征在于，所述步骤2)中，注入修复剂的速度 为0.1 %~5 %倍的长方形槽的体积。10. 根据权利要求7或8所述的测定方法，其特征在于，所述修复剂为溶液，修复剂中含 有聚合物，配置聚合物含量不同的修复剂溶液后测定修复剂的粘度，比较不同聚合物含量 的修复剂的波及效率。
【文档编号】G01N13/00GK105842122SQ201610268237
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】陈家军, 刘云松
【申请人】北京师范大学