胶体在潜流带中输运的水槽实验方法
【专利摘要】本发明公开了一种胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，采用自制取沙器分层采集河床泥沙、利用超声波分离截留在泥沙中的胶体、使用分光光度计测量胶体溶液浓度等方法，来监测胶体在沙床中的迁移过程。本发明将复杂的胶体浓度测量简化成方便操作且成本较低的方法，能够捕捉胶体分层截留情况、利用超声波分离胶体及使用紫外分光光度计测量胶体浓度。揭示胶体在潜流带中的迁移过程，能够监测河床截留量，定量分析胶体在潜流带中的迁移和截留过程，揭示胶体在上覆水与孔隙水间的交换和在河床中的沉积分布。由于迁移到河床会破坏潜流带的水环境，影响水生生物栖息，干扰潜流带水生态系统的功能和结构，研究胶体在河流潜流带中的迁移具有非常重要的意义。
【专利说明】胶体在潜流带中输运的水槽实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种胶体等细颗粒物质在潜流带中运输的水槽实验方法，属于水利工程、环境工程及海洋工程领域。
【背景技术】
[0002]越来越多的研究表明，广泛存在于河流中的胶体，自身对河流生态系统而言是污染物，同时也可能是吸附剂，吸附其他污染物，影响吸附性污染物在河流中的迁移和归宿。针对目前胶体在河流中的潜流交换研究方面存在的主要问题，研究主要集中在地表水-地下水界面的通量上，同时实验方法较为繁琐，测量成本高，同时由于胶体在多孔介质测量困难，缺乏胶体在潜流带中的迁移过程研究。
【发明内容】
[0003]发明目的:本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种可以切实有效的取样和测量来研究胶体迁移规律的胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，为胶体影响下污染物在潜流带中的研究提供理论依据和技术支持，为河流颗粒和污染物输运规律及其二次污染的深入研究奠定基础。
[0004]技术方案:本发明所述的胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，包括如下步骤:
[0005](I)制备胶体并进行预处理:将高岭土加入到充分溶解的NaCl溶液中，边加边搅拌，将混合溶液在恒温调速振荡仪上振荡，然后经多次漂洗并同步抽样测其电导率，当电导率降低到一定值且维持不变时预处理完成；
[0006](2)运行水槽并加入胶体:清洁水槽，并向其中加入去离子水；加入洗净的沙，制成沙波；调整水槽坡度及溢流槽高度，持续循环运行，使上覆水与河床间交换达到平衡；将步骤(I)处理好的胶体加入水槽，并使其在水槽中充分循环；
[0007](3)循环过程中胶体的定时监测:按预定的时间从水槽中抽取上覆水和孔隙水，充分摇晃，用粒度分析仪测量粒径分布，用紫外分光光度计测量胶体浓度；
[0008](4)实验结束后沙样的分层取样:将沙波分层分块，用取沙器在每块中取出一定体积沙样；
[0009](5)取样后分离泥沙中含有的胶体:用超声波振荡仪振荡，通过超声波可以分离截留和吸附在泥沙表面的胶体；
[0010](6)测量胶体浓度:振荡后含有胶体的溶液，采用紫外分光光度计测量其吸光度，再通过标定的吸光度与浓度关系线将吸光度转化为胶体浓度。
[0011]作为优选，步骤(2)中，将预处理过的胶体在一个水槽循环周期内加入水槽中。
[0012]步骤(4 )中，将沙波分层分块，沙波迎水一侧水平方向平均等分若干块，例如分8块，背水一侧水平方向也等分若干块,例如分成3块；取沙样时，每次取沙样的体积均为IOml,从沙波最顶端向两侧取样,每块从上向下取1cm。
[0013]步骤(5)中，用超声波分离截留在泥沙表面上的胶体，超声波振荡仪振荡25min。[0014]步骤(6)中，吸光度与浓度间为线性关系，标定在统一温度20°C下进行；测量吸光度时，对浓度高(大于200mg/L)的胶体用波长400nm单光波测量，浓度低(小于200mg/L)或胶体粒径大(大于0.1 μ m)的胶体用400nm、420nm、440nm三光波测量。
[0015]本发明与现有技术相比，其有益效果是:(1)本发明采用NaCl预处理高岭土胶体，有效弥补了粘土胶体中高岭土胶体容易聚沉的缺陷。由双电层理论，在各类粘土胶体中，高岭土胶体的稳定性较差。从微观角度，借助完善的预处理措施使得带负电的高岭土胶体颗粒周围吸附更多的Na+，而Na+凝聚力明显低于H+，从而使得高岭土胶体不易絮凝，进而造成沉降；(2)本发明中胶体分层采样，对取样沙波进行了分层分块，确保了取样的有序并使沙样具有代表性，做到了科学测量；取出沙样后，本发明设计采用体积法控制了每次取样体积的相同；(3)由于对所采沙样人工摇荡只能分离少部分胶体，为达到胶体浓度的准确测量需采用超声波振荡仪振荡，经实践发现，振荡的最佳时间为25min，超过25min振荡值基本不变，表明沙粒表面的胶体已基本脱离。(4)本发明采用了紫外分光光度计测量胶体的吸光度，测量时经过不断实践，总结出了紫外分光光度计具体的设置参数，针对不同浓度的胶体采取不同光段。测量胶体浓度其关键处在于处理好吸光度与胶体浓度的关系，本发明通过标定得到了适用的关系曲线，通过该曲线可以很容易的将测得的吸光度换算为浓度。这种测量方式相比利用胶体中的元素来测量弄得，测量方法更加简单，测量费用显著降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为白沙沙波截留分块示意图，在分层取样时使用取样器从最高处即NS、N9断面开始逐层取样，由取样器决定了每层分块高度为Icm ；
[0017]图2为上覆水中污染物示踪物(NaCl)与胶体浓度随时间的变化关系图，可以看出高岭土胶体由于沉降和过滤的作用，其浓度逐渐降低，甚至趋近零，即全部沉积在河床中。由此可见，本发明方法能够很好的反映胶体在河流上覆水与空隙间的交换过程；
[0018]图3为各断面胶体最终截留值，从图中我们可以直接的得出:随着深度增加，胶体截留量在逐渐减小，同时表层的截留量相对于下面的要大很多。由此可以发现本发明很好得模拟了胶体的输运，截留规律与理论分析及数值模拟规律相一致。
【具体实施方式】
[0019]下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
[0020]实施例1:胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，其特征在于包括如下步骤:
[0021](I)制备胶体并进行预处理:将一定量的高岭土加入到充分溶解的NaCl溶液中，边加边搅拌，将混合溶液在恒温调速振荡仪上振荡，然后经多次漂洗并同步抽样测其电导率，当电导率降低到一定值且维持不变时预处理完成；
[0022](2)运行水槽并加入胶体:检查水槽是否漏水以及水槽系统其它部件是否正常运行，如果水槽没有什么问题的情况下，再用去离子水冲洗水槽2遍，并用抹布擦干净水槽的壁面以及底部。向水槽水库中加入所需的去离子水，开动水泵，调节溢流槽使水槽中的水到一定的高度，先关水阀，后关泵，这是为了防止先关泵时，水从水槽进水口排出。然后把清洗过的沙子转到水槽中，人工翻转沙床两遍，这样才能完全排除沙床中的气体，使沙床处于完全饱和的状态。
[0023]整平水槽中的沙床，在水槽的两侧画出实验所需沙波的形状(三角形)，用有机玻璃板做成的沙波板按照水槽两侧的形状造所需的沙波，沙波板开了很多小孔并在一侧贴有400目的尼龙网，能够排掉在制造沙波过程中产生的壅水，也可以减小制备过程中产生的水面紊动动对已做好沙波的破坏。这也就要求制备过程要谨慎，切莫用力过大，造成已做好沙波的破坏。而对于河流自然沙波用20?30cm/s水流运行20?30分钟可形成，由于本文鉴于理论的研究，具有规则的波形便于数值模拟，所以采用三角形沙波。
[0024]当沙波制备完备后，先开水泵，后缓慢开阀(要非常的轻微的开启)，调到需要的流量，同时调整水槽坡度以及溢流槽高度，使水槽的水位达到所需的高度和水槽各部位的水深相同。这时先开泵后开阀的主要目的是:防止先开阀时水槽中的水从进水口倒流，破坏沙波形状；后开阀则更容易调节所需要的流量。
[0025]在实验运行后，开启恒温加热棒，使水温温差缩小，基本处于同一温度附近。开启MPtroll,开始记录pH值、电导、水温及盐度。
[0026]加入胶体进入水槽之前,要先加入NaCl溶液,用来判断河流上覆水和河床之间交换是否达到平衡，这主要是通过测量上覆水和空隙水中NaCl溶液的浓度是否一致来确定，当浓度达到稳定后，表示交换已经达到平衡，这个过程一般用12-15小时。当河流上覆水和河床之间交换达到平衡时可以加入步骤(I)处理好的胶体，首先让用NaCl处理过的胶体在去离子水中充分的搅拌，使其均匀，然后要在循环水一个周期内加入到水箱中，实验条件按pH值在7左右。
[0027](3)循环过程中胶体的定时监测:按预定的时间抽取上覆水。前30分钟内从水槽前、中、后三个不同的位置同时抽取上覆水，这时因为实验开始时胶体在上覆水的混合不均匀，单一位置不具有代表性；30分钟后当上覆水的浓度，在水槽的垂向、侧向以及横向的各个位置基本一样，这就可以仅从水槽的尾部抽取，这样抽样对于上覆水的稳定破坏较小。由于实验过程要持续较长，不可避免的会有蒸发等损失，为了保证水槽系统中水体的总量不变,这需要每四个小时向水箱中加入400-450ml的去离子水。
[0028]每个实验大约持续2?4天，直到上覆水胶体的浓度达到基本稳定时停止实验。同时为了能准确的反应实验数据，每次测量抽取的上覆水和孔隙水样本均要在12小时之内测量。
[0029](4)实验结束后沙样的分层取样:将沙波分层分块，用取沙器在每块中取出一定体积沙样。沙波的迎水一侧水平方向平均分层8块，每块的宽度为2.7cm,背水一侧水平方向平均分层3块，每块的宽度为2.67cm。每次取沙洋的体积为10ml，分层取样示意图为图1所示。为了方便取样，不让抽取的沙洋松散和坍塌，影响下一层的取样，取样时从沙波的最顶端分别向两侧取样，每一块从上向下的厚度为1cm。为了保证所取沙洋厚度一致，特制了高1cm，宽4cm的取沙器，这样就能保证每层每次取样在IOml左右。当然为了满足所取沙洋为10ml，采用体积法确定，也就是先在大小形状一致的离心管中加入IOml的去离子水，垂直放置并标出其位置，然后加入15ml的去离子水在离心管中，并加入实验的沙粒至刚才标过的位置。把这支试样离心管作为标准，以后每次的取样先在离心管加入15ml的去离子水，加沙至水面一致水平，这样就能保证每次采样为相同体积。
[0030]上面的取样结果，首先进行人工摇荡，使其沙粒空隙间吸附不强的胶体脱离沙粒进入溶液中，然后再利用超声波振荡仪进行振荡，振荡时间根据实验测量得出的最佳时间为25分钟。在整个试验中主要是通过胶体的浓度来确定胶体在多孔介质中的迁移和沉积情况，由于不能直接测量胶体的浓度，只能通过使用紫外分光光度计来测量胶体的吸光度，再把胶体的吸光度换算成浓度。所以需要标定高岭土浓度与吸光度之间的关系。表1是实验测量的胶体浓度与吸光度的实验值。实验条件是在同一温度20°C下测量的。
[0031]表1胶体浓度与吸光度的实验值
[0032]
【权利要求】
1.胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，其特征在于包括如下步骤: (1)制备胶体并进行预处理:将高岭土加入到充分溶解的NaCl溶液中，边加边搅拌，将混合溶液在恒温调速振荡仪上振荡，然后经多次漂洗并同步抽样测其电导率，当电导率降低到一定值且维持不变时预处理完成； (2)运行水槽并加入胶体:清洁水槽,并向其中加入去离子水；加入洗净的沙,制成沙波；调整水槽坡度及溢流槽高度，持续循环运行，使上覆水与河床间交换达到平衡；将步骤(I)处理好的胶体加入水槽,并使其在水槽中充分循环； (3)循环过程中胶体的定时监测:按预定的时间从水槽中抽取上覆水和孔隙水，充分摇晃，用粒度分析仪测量粒径分布，用紫外分光光度计测量胶体浓度； (4)实验结束后沙样的分层取样:将沙波分层分块，用取沙器在每块中取出一定体积沙样； (5)取样后分离泥沙中含有的胶体:用超声波振荡仪振荡，通过超声波可以分离截留和吸附在泥沙表面的胶体； (6)测量胶体浓度:振荡后含有胶体的溶液，采用紫外分光光度计测量其吸光度，再通过标定的吸光度与浓度关系线将吸光度转化为胶体浓度。
2.根据权利要求1所述的胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，其特征在于:步骤(2)中，将预处理过的胶体在一个水槽循环周期内加入水槽中。
3.根据权利要求1所述的胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，其特征在于:步骤(4)中，将沙波分层分块，沙波迎水一侧水平方向平均等分若干块，背水一侧水平方向也等分若干块；取沙样时，每次取沙样的体积均为10ml，从沙波最顶端向两侧取样，每块从上向下取Icm0
4.根据权利要求1所述的胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，其特征在于:步骤(5)中，用超声波分离截留在泥沙表面上的胶体，超声波振荡仪振荡25min。
5.根据权利要求1所述的胶体在潜流带中输运的水槽实验方法，其特征在于:步骤(6)中，吸光度与浓度间为线性关系，标定在统一温度20°C下进行；测量吸光度时，对浓度大于200mg/L的胶体用波长400nm单光波测量,浓度小于200mg/L或胶体粒径大于0.1 μ m的胶体用400nm、420nm、440nm三光波测量。
【文档编号】G01N21/33GK103940769SQ201410153812
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月16日 优先权日:2014年4月16日
【发明者】金光球, 徐慧宇, 唐洪武, 杨小全, 张沛, 李凌 申请人:河海大学