一种水-沉积物界面原位采样固定的方法与装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种水-沉积物界面原位采样固定的方法与装置，它依托自重力沉积柱采样支架，包含沉积柱采样管和液氮冷冻系统。沉积柱采样管由内部样品采集管和外部液氮冷冻腔组成，液氮冷冻腔与液氮输入管、单向氮气排出阀、自增压式液氮罐共同组成液氮冷冻系统。将沉积柱采样管装入自重力采样支架并连接液氮冷冻系统后放入水中采样，当水-沉积物界面进入样品采集管的冷冻腔范围后开启自增压式液氮罐固定沉积柱，待沉积柱固定后将采样器取出水面，向冷冻腔内加入湖水，固态沉积柱从样品采集管中滑出，将沉积柱冷冻保存运输。该方法避免了常规采样方法的采样、运输过程中对沉积物结构的扰动，并方便二次取样分析。
【专利说明】一种水-沉积物界面原位采样固定的方法与装置
【技术领域】
[0001]本发明属于水环境研究领域，涉及一种沉积物采样方法，特别涉及原位采集水-沉积物界面并固定的采样方法与装置。
【背景技术】
[0002]河流、湖泊水-沉积物界面孔隙作为沉积物与上覆水体进行物质交换的通道，其孔隙大小、连通度、曲折度等结构特性极大地影响着水-沉积物界面的物质扩散通量，对污染物的生物地球化学循环有重要意义。水-沉积物界面在采样和运输过程中非常容易受到扰动。自重力柱状采样管方法是目前已有的沉积物采样方法中可以较少扰动沉积物的方法，采集后的沉积柱运到实验室进行后续处理。这种采样方法以下问题:采集沉积柱的深度不确定，运输过程中界面结构会收到影响，采集到的样品难以在不扰动的情况下进行二次取样，无法通过后续的X射线计算机断层、电镜扫描分析技术获得原状沉积物界面结构。
【发明内容】
[0003]为了克服采样和运输对过程对沉积物结构扰动的问题，方便样品二次取样分析，本发明提供了一套水-沉积物界面原位采样固定的方法和装置，可以实现在尽量少扰动沉积物的情况下，定位采集水-沉积物界面并进行固定，减少累积扰动并方便二次取样。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:依托自重力沉积柱采样支架，设计沉积柱采样管(包含内部样品采集管和外部冷冻腔)和液氮冷冻系统(自增压式液氮罐、冷冻腔、液氮输入管、单向氮气排出阀)。具体操作是将采样管放入采样支架并连接液氮冷冻系统，将采样管放入水下，当水-沉积物界面进入样品采集管的冷冻腔范围后，开启自增压式液氮罐固定沉积柱，待沉积柱固定后将采样器取出水面，实现水-沉积物界面的原位采样和固定。核心技术方案为沉积柱采样管和液氮冷冻系统。
[0005]采样管设计包括内部样品采集管和外部冷冻腔两部分。内部样品采集管是直径小、壁薄的铁质管，关键指标是直径和壁厚。管壁较薄保证管壁占沉积柱样品直径比例较小，减少管壁对沉积物的挤压影响，保证采样过程中不破坏沉积物结构；铁管直径较小保证外部冷冻腔通过铁管导热对沉积柱样品冷冻固定的效率，减少冷冻过程中晶格的产生，保证样品固定过程中不影响沉积物结构。外部冷冻腔是环绕在内部样品采集管上部外壁的隔热塑料管(有真空夹层)，有液氮进口和出口，关键指标是冷冻腔的位置和容积、液氮进出口的位置。冷冻腔以样品采集管(采样管上部2/3范围)为内壁，通过冷冻腔的液氮透过铁管与沉积柱进行快速热量交换固定沉积柱；除内壁外，冷冻腔的材料均为隔热塑料管，保证液氮进入腔体后仅通过铁管与采样管内的沉积柱进行热交换，对采样管外的水和沉积物没有热交换，提高液氮利用率；冷冻腔厚度较厚，一方面保证较大的容积进而提高冷冻效率，另一方面靠内部样品采集管下部1/3位置处开始存在的冷冻腔厚度来增加阻力，保证水-沉积物界面位置处于内部沉积柱采集管与液氮腔接触的范围。液氮进口在冷冻腔下部，出口在冷冻腔上部。
[0006]原位液氮冷冻系统设计包括自增压式液氮罐、液氮输入管路、采样管外部冷冻腔和弹簧式止回阀。自增压式液氮罐置于船上，将液氮泵入冷冻系统；液氮输入管路为抗压隔热材质，保证在一定的水压下也能通畅输送液氮，并在输送过程中减少热损耗；采样管外部冷冻腔主要用于冷冻采样管内部的沉积柱；弹簧式止回阀位于采样管外部冷冻腔的液氮出口，保证热交换产生的氮气能及时排出，同时避免水进入冷冻系统。这些组件共同组成的液氮冷冻系统，在水-沉积物界面进入采样管后开启固定采样管内沉积柱。
[0007]本发明的优点及效果:能够定位采集水-沉积物界面，使界面位于液氮冷冻区域，减少因界面位置不确定带来的低效率冷冻；能够在原位采集并固定水-沉积物界面，避免了取样和运输过程中对沉积物界面结构的扰动；冷冻后的沉积柱在二次取样时不易改变结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是沉积柱采样管的正视图、俯视图和剖面图。
[0009]图2是自重力沉积柱采样支架图。
[0010]图3是水-沉积物界面采样原位固定示意图。
[0011]图中:1-沉积柱采样管，2-液氮输入孔，3-氮气排出孔，4-隔热塑料管(含真空夹层)，5-外部冷冻腔，6-铁管，7-样品采集管，8-采样管锁定杆，9-采样管锁定架，10-硅胶环，11-采样管支架，12-重力环，13-单向封锁盖，14-水-沉积物界面，15-液氮。
【具体实施方式】
[0012]设计沉积柱采样管的:铁管(6)与隔热塑料管(4)相嵌套，保证冷冻腔气密性，在隔热塑料管(4)下端设置液氮输入孔(2)，上端设置氮气排出孔(3)，保证在液氮冷冻系统的管路气密性。
[0013]组装采样装置:打开采样管锁定杆(8)，将沉积柱采样管(I)插入自重力沉积柱采样支架，关闭采样管锁定杆(8)，通过锁定架(9)挤压硅胶环(10)，固定沉积柱采样管(I)。将自增压式液氮罐的液氮输入管接到沉积柱采样管(I)的液氮输入孔(2)，将弹簧式止回阀接到沉积柱采样管(I)的氮气排出孔(3)。
[0014]沉积柱采样:将组装好的自重力沉积柱采样器放入水中，在重力环(12)的作用下样品采集管(7)垂直插入沉积物中，水-沉积物界面(14)进入铁管(6)到达冷冻腔(5)下端后，隔热塑料管(4)下端和重力环(12)下端开始起阻力作用，使水-沉积物界面(14)在采样管(I)内位置不会过深。
[0015]沉积柱固定:采样器停止下降后，开启自增压式液氮罐，液氮开始通过液氮输入孔
(2)进入冷冻腔(5)，冷冻腔内液氮(15)由于与铁管(6)内沉积物(14)热交换变成氮气，当达到一定压力后，通过氮气排出孔(3)排出氮气，弹簧式止回阀保证水不会倒灌进入冷冻腔。
[0016]沉积柱取样:5分钟后关闭液氮阀，将采样器提出水面，卸下弹簧式止回阀，从自重力沉积柱采样支架上拿下采样管。平放采样管(1)，从氮气排出孔(3)注入冷冻腔1/3体积的湖水，堵上液氮输入孔(2)，迅速滚动采样管(I) 2周，融化铁管(6)和样品(14)接触部位。将采样管(I)竖立，冷冻的水-沉积物柱(14)在重力作用下滑落，将水-沉积物柱(14)放入冷冻箱保存运输，直接用于分析或进行二次切割取。
【权利要求】
1.一种水-沉积物界面原位采样固定的方法与装置，其特征在于用沉积柱采样管(包含冷冻腔和样品采集管)和液氮冷冻系统(冷冻腔与液氮输入管、单向氮气排出阀)在自重力沉积柱采样支架上，进行原位采集水-沉积物界面并固定。
2.根据权利要求1所述，沉积柱采样管特征是样品采集管长度大于冷冻腔，冷冻腔位于样品采集管上部的外面，冷冻腔起始位置不高于采样管支架重力环位置，液氮输入孔位于冷冻腔下端，氮气排出孔位于冷冻腔上端。
3.根据权利要求1所述，其特征是样品采集管直径小于3cm，冷冻腔外径等于采样管支架的锁定架内径。
4.根据权利要求1所述，冷冻腔外壁为隔热管，样品采集管外壁为导热性好的材料。
5.根据权利要求1所述，水-沉积物界面进入样品采集管的冷冻腔范围后开启液氮冷冻系统固定沉积柱，待沉积柱固定后将采样器取出水面，向冷冻腔内加入水取出固态沉积柱。
【文档编号】G01N1/10GK104048849SQ201310080310
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2013年3月13日
【发明者】单保庆, 温胜芳, 孔学红, 张洪, 唐文忠 申请人:中国科学院生态环境研究中心