一种分时自动取样及测定胶体粒径和浓度的装置

本发明属于岩土工程中的粘土冲刷侵蚀试验领域，涉及一种分时自动取样及测定胶体粒径和浓度的装置，尤其是涉及一种可以自动定时取样并测定冲刷液中粘土胶体颗粒粒径及浓度的装置。

背景技术：

核能作为一种高效清洁的能源近年来被世界各国所使用，但核电站同时产生了大量具有放射性的废料。目前主要通过建立深层地质处置库的方式处理核废料。膨润土以其吸水膨胀性、低渗透性等特点被选用作处置库的缓冲/回填材料。但膨润土垫层与围岩直接接触，会受到围岩裂隙水冲刷造成侵蚀，膨润土以凝胶形式剥离膨润土缓冲/回填层表面。危及核废料处置库的安全。

膨润土因溶蚀导致的质量流失会引起缓冲/回填层的密实度降低，表现为膨胀压力衰减，影响膨润土缓冲/回填层对放射性核素的屏蔽效果。膨润土的膨胀力是衡量缓冲/回填层屏蔽效果的重要指标，当膨润土的膨胀力小于1.0mpa，缓冲/回填层将丧失屏蔽能力。

技术实现要素：

基于膨润土侵蚀的严重性，本发明利用模拟地下水对膨润土缓冲层侵蚀的试验系统，通过控制侵蚀腔内的盐溶液种类及浓度、流速、压力及温度，分析不同条件下被侵蚀的膨润土凝胶的尺寸及质量。试验中，需要研究侵蚀开始后不同时间段膨润土凝胶的尺寸及试验结束后膨润土凝胶的总质量，因此需要设计一个从侵蚀腔流出液体的分时收集及分析的装置。对研究粘土冲刷侵蚀试验中不同流速、不同冲刷液下，溶蚀完成时及不同冲刷时刻下冲出粘土胶质体浓度和粒径分布，对粘土溶蚀控制具有重要的意义。

针对核废料处置库中垫层材料被围岩裂隙水冲刷造成质量侵蚀的问题，本发明提供一种可以自动定时取冲刷样，并测定冲刷液中粘土胶体颗粒粒径及浓度的分时自动取样及测定胶体粒径和浓度的装置，可以研究不同流速、不同冲刷液下，胶体生成及质量损失的情况。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种分时自动取样及测定胶体粒径和浓度的装置，包括：

水平旋转平台，具有绕其旋转轴设置的环形取样槽，所述的环形取样槽的底部呈沿周向方向周期性高低起伏状，并分别在高处和低处形成槽峰和槽谷，

采样容器，设置于环形取样槽下方，由管口与各槽峰相连通的取样管a以及管口与各槽谷处相连通的取样管b组成，

动态光散射仪，可旋转地设置于环形取样槽下方的旋转轴处。

优选地，所述的环形取样槽的底部呈沿周向方向的折线型周期性高低起伏状。

优选地，相邻的槽峰和槽谷之间的水平距离相等。

优选地，所述的槽峰和槽谷处设有取样口，取样管a和取样管b的管口通过取样口与槽峰和槽谷相连通。

优选地，所述的取样管a和取样管b均为透明玻璃圆柱管，竖直设置且管口位于顶端。

优选地，所述的取样管b的底部连接有储样罐。

优选地，所述的储样罐的底部设有搅拌转子。

优选地，所述的取样管a底部设有搅拌转子。

优选地，所述的动态光散射仪包括固态激光器。

优选地，粘土冲刷侵蚀试验过程中，冲刷液导出管位于环形取样槽正上方。

本发明的装置整体由收集单元(水平旋转平台和采样容器)与测试单元(动态光散射仪)两部分组成。收集单元的采样容器，沿周向分布在可旋转的水平旋转平台的环形取样槽下方。进一步可以在每个采样容器底部均放置搅拌转子，不断搅拌胶体避免沉淀造成的浓度不均匀。取样管a位于环形取样槽的槽峰处，随着水平旋转平台的匀速旋转，可以将流体冲刷出的胶体定时收集，沿环形取样槽布置的取样管a实现了分时自动取样；两个定时取样的取样管a之间的取样管b位于槽谷处，在两次分时取样之间流体冲刷出的胶体会随着倾斜的槽底全部自动流入取样管b中，并进入储样罐被收集起来。水平旋转平台的转动轴处放置可360°旋转的动态光散射仪(优选包含15mw的固态激光器)，用于测定不同时刻(分时)收集的侵蚀液的浓度和胶体粒子粒径分布情况。

本发明可以实现对不同流速、不同冲刷液下，溶蚀完成时及不同冲刷时刻下冲出粘土胶质体浓度和粒径分布的分析，对粘土溶蚀控制具有重要的意义。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)将侵蚀胶体分时段有效地收集起来，不仅能够进一步研究侵蚀过程中侵蚀量的变化情况，更可以探究不同冲刷液与侵蚀量的关系。

2)利用分时分辨动态光散射技术可以测得不同时刻收集的侵蚀液的浓度和溶液内颗粒的粒径，可以用于研究侵蚀时间对侵蚀量及不同时刻下侵蚀过程中形成的胶体粒径的影响。

3)通过收集采样容器收集的物质，测量总的冲刷流出水量和侵蚀质量，可以用以验证侵蚀质量与流出水量间的理论计算公式是否合理。

附图说明

图1为本发明的装置的结构示意图。

图中，1环形取样槽，101为旋转轴，102为支撑架，11为槽峰，12为槽谷，21为取样管a，22为取样管b，23为储样罐，3为动态光散射仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种分时自动取样及测定胶体粒径和浓度的装置，如图1所示，包括水平旋转平台、采样容器和动态光散射仪3，其中：水平旋转平台具有绕其旋转轴101设置的环形取样槽1，环形取样槽1的底部呈沿周向方向周期性高低起伏状，并分别在高处和低处形成槽峰11和槽谷12；采样容器设置于环形取样槽1下方，由管口与各槽峰11相连通的取样管a21以及管口与各槽谷12处相连通的取样管b22组成；动态光散射仪3可旋转地设置于环形取样槽1下方的旋转轴101处。

本实施例中，如图1所示，优选环形取样槽1通过呈辐射状分布的支撑架102与旋转轴101连接，也可以采用圆形板将环形取样槽1与旋转轴101连接。旋转轴101通过电机等驱动进行旋转，可以利用转速控制由流体冲刷出的胶体定时收集的频率。本实施例中，优选动态光散射仪3包括固态激光器，动态光散射仪3可以通过旋转直接对合取样管a21中收集的样品进行检测。

如图1所示，本实施例中，优选环形取样槽1的底部呈沿周向方向的折线型周期性高低起伏状。槽峰11和槽谷12是均匀分布的，相邻的槽峰11和槽谷12之间的水平距离相等。这样在旋转轴101匀速转动过程中，分时收集的间隔相等。

本实施例中，优选槽峰11和槽谷12处设有取样口，取样管a21和取样管b22的管口通过取样口与槽峰11和槽谷12相连通。取样管a21和取样管b22优选以可拆卸的方式与取样口连接，例如可以是螺纹连接或者其他连接方式。本实施例中优选取样管a21和取样管b22均为透明玻璃圆柱管，竖直设置且管口位于顶端。进一步地，优选在取样管b22的底部连接储样罐23，由于相邻两次分时取样之间的一段时间内流出的样品都顺着两个槽峰11与二者之间的槽谷12之间的斜坡被收集起来，通过设置储样罐23，增加了容器的容积，能够满足对于收集容积的要求。优选储样罐23的底部设有搅拌转子，取样管a21底部设有搅拌转子，不断搅拌胶体避免沉淀造成的浓度不均匀。

粘土冲刷侵蚀试验过程中，冲刷液导出管设置于环形取样槽1正上方的某处，冲刷液刚好落到环形取样槽1内。冲刷液自动流入承接试样的容器内，通过水平旋转平台的转动控制采样间隔和持续时间。

样品收集结束后，开启动态光散射仪，测量不同侵蚀时间下收集到的侵蚀液的浓度和胶体粒径分布情况，在本研究中，试验采用的散射角为90°。测试前，先用直径为100nm的标准乳胶粒子对仪器进行校准：对于一个球状颗粒，其平均水力直径dh可通过stokes–einstein公式计算得到：

其中，kb是玻尔兹曼常数，d为粒子的强度加权平均平动扩散系数，t是绝对值温度(k)，η是介质的粘度(pa·s)。通过测得粒子的强度加权平均平动扩散系数即可得到胶体粒径。在测量浊液浓度前，须用已知浓度的膨润土悬浮液对计数率—浓度曲线进行确定。计数率(单位：千次/秒)是由在散射体中分布的粒子的数量决定的，最少要求有100个粒子，对应的计数率为10千次/秒以上。膨润土悬浮液的总浓度可通过重力法测得。利用标定曲线可以用测得的计数率确定浊液的浓度。

将所有收集的浊液(包括采样管a21、采样管b22和储样罐23)，烘干测出含水量和干重量，得到总的流出水量和侵蚀质量的关系。

上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。