在土壤中均匀扩散的试验装置的制造方法
在土壤中均匀扩散的试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验装置。
【背景技术】
[0002] 全球气候变暖已成为国际热点问题，c〇2因具有温室效应被认为是导致全球气候 变暖的重要原因之一。C〇2捕集、利用与封存技术（CCU巧是一项具有大规模减排c〇2的新兴 技术，近几年受到国内外的广泛关注。中国政府在"十二五"规划中也进一步明确了能源战 略和减排的基本思路，制定和实施了一系列节能减排方案，W应对日益严峻的能源和环境 问题。
[000引在ecus很多研究中，c02泄漏及其对生态环境的影响是普遍关屯、的重要问题，目前 大多采用田间实验结合数值模拟来分析其对农作物、±壤、地下水和生态的影响，但缺少有 效的物理模拟手段。2012年，ManalA^Tr油oulsi提出了田间试验中C02泄露导致气体浓 度呈现出中间高，周围逐步降低的同屯、圆扩散分布规律，且C02泄露的不稳定性会导致同屯、 圆带状区域的扩大或缩小，从而使得±壤性状不稳定，且同一浓度可采样区域少，可重复性 差，代表性不明确。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是模拟一种工艺简单，成本低廉，气体均一化程度高，实用性强 的模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验装置。
[0005] 本实用新型是通过W下技术方案实现的；一种模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验 装置，包括箱体、进气装置和输气系统，进气装置与输气系统连接；还包括由下至上设于箱 体内的粗砂碱层、细砂碱层、多孔陶瓷板和半透膜，试验±壤放置在半透膜上；所述多孔陶 瓷板与箱体固连，半透膜贴合固定在多孔陶瓷板顶面；所述进气装置的出气口设在粗砂碱 层中，且位于箱体的中屯、。
[0006] 所述进气装置由连接管与输气系统连接，连接管上设置气动转换接头。
[0007] 所述箱体的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。
[000引所述粗砂碱层和细砂碱层厚度相等；粗砂碱的细度模数为3. 7~3. 1，平均粒径为 0. 5mmW上，细砂碱的细度模数为2. 2~1. 6,平均粒径为0. 35~0. 25mm。
[0009] 所述多孔陶瓷板的孔径为1mm，用玻璃胶与箱体固定。多孔陶瓷板抗压能力强，其 中纵向抗压强度〉35Mpa,横向抗压强度〉12Mpa。
[0010] 所述半透膜用玻璃胶固定于多孔陶瓷板上。它是一种只允许离子和小分子比如 水、氧气、二氧化碳等自由通过，而生物大分子不能自由通过的膜结构。
[0011] 所述进气装置设有环形套管，环形套管设于粗砂碱层，其顶面周向均布气孔，环形 套管由连接管与外部输气系统连接。
[0012] 所述环形套管的内侧面或外侧面均布气孔。
[0013] 所述环形套管通过支架与箱体连接。
[0014] 所述环形套管的半径不小于箱体底面内径的四分之一且不大于箱体底面内径的 ;分之一。
[0015] 所述环形套管为不诱钢管，其中管道外径为25mm，内径为20mm，所述气孔的直径 0. 5mm。
[0016] 一种模拟0)2在±壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
[0017] 步骤1)安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体主体，另截取一块 与有机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体底板，并在底板上钻孔，进气装置的管体穿过 钻孔与底板固定；将多孔陶瓷板用玻璃胶与箱体内壁固定，并用玻璃胶将半透膜贴覆在多 孔陶瓷板的顶面；将箱体主体倒立，依次装入细砂碱和粗砂碱，使进气装置的出气口埋设于 粗砂碱层中，将底板与箱体主体粘结固定；将箱体正立，用连接管将进气装置与输气系统连 接起来；最后向箱体中装入试验±壤；
[0018] 步骤2)打开输气系统W及气动转换接头，向±壤内通入C〇2气体，气体通过进气 装置的出气口排出；
[0019] 步骤3) C〇2先经过粗砂碱层，再经过细砂碱层，扩散至多孔陶瓷板，由于砂碱层通 水透气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩散，使 C〇2气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板进一步地将CO2气体均化；
[0020] 步骤4)气流继续经过半透膜2,逸散于上方±壤中，半透膜的设置一方面有利于 下方C〇2气流向上扩散，一方面防止±壤堵塞多孔陶瓷板的小孔；
[0021] 步骤5)经过砂碱层、多孔陶瓷板W及半透膜的层层均匀化，使得C〇2气流均匀扩 散于覆于半透膜之上的±体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。
[0022] 在步骤1中，设置环形套管，并通过支架将环形套管固定在底板的中屯、，环形套管 设于粗砂碱层中，通过连接管与输气系统连接。打开输气系统W及气动转换接头，向上壤内 通入C〇2气体，气体通过环形套管的气孔排出，提前对气体进行均匀化处理，然后再经过砂 碱层、多孔陶瓷板W及半透膜的层层均匀化，使C〇2气流扩散的更均匀，进一步提高了C〇2气 体的均匀化效果。
[0023] 本实用新型的有益效果是；1)可W有效地获得一个稳定、均匀分布，又受控制的 C〇2流量，弥补先前研究的田间模拟实验中0)2在±壤中扩散均呈现同屯、圆状况，而该个同 屯、圆又受C02泄漏的不稳定导致同屯、圆带状区域的扩大或缩小反复影响±壤性状而造成 实验结果误差；2)避免了先前研究中同屯、圆带状面积过小导致采样量太小，可重复性差，代 表性不明确甚至后来无植物样品可采的情况发生；3)大大节省了实验费用和时间，减少了 实验误差。
【附图说明】
[0024] 图1是一种模拟CO进±壤中均匀扩散的试验装置的结构示意图。
[0025] 图2是带环形套管的模拟0)2在±壤中均匀扩散的试验装置的结构示意图。
[0026] 图3是图2的俯视图。
[0027] 图4是对照组C02含量等值线分布图。
[002引 图5是实验组C02含量等值线分布图。
【具体实施方式】
[0029] 在附图中，一种模拟0)2在±壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体1、进气装置6和 输气系统9,进气装置6与输气系统9连接；还包括由下至上设于箱体内的粗砂碱层5、细砂 碱层4、多孔陶瓷板3和半透膜2,试验±壤12放置在半透膜2上；所述多孔陶瓷板5与箱 体1固连，半透膜2贴合固定在多孔陶瓷板3顶面；所述进气装置6的出气口设在粗砂碱层 5中，且位于箱体1的中屯、。
[0030] 所述进气装置6由连接管7与输气系统9连接，连接管7上设置气动转换接头8。
[0031] 所述箱体1的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。
[0032]所述粗砂碱层5和细砂碱层4厚度相等；粗砂碱的细度模数为3. 7~3. 1，平均粒径 为0. 5mmW上，细砂碱的细度模数为2. 2~1. 6,平均粒径为0. 35~0. 25mm。
[0033] 所述多孔陶瓷板3的孔径为1mm，用玻璃胶与箱体1固定。多孔陶瓷板3抗压能力 强，其中纵向抗压强度〉35Mpa，横向抗压强度〉12Mpa。
[0034] 所述半透膜2用玻璃胶固定于多孔陶瓷板5上。它是一种只允许离子和小分子比 如水、氧气、二氧化碳等自由通过，而生物大分子不能自由通过的膜结构。
[0035] 所述进气装置6设有环形套管10,环形套管10设于粗砂碱层5中，其顶面周向均 布气孔11，环形套管10由连接管7与外部输气系统9连接。
[0036] 所述环形套管10的内侧面或外侧面均布气孔11。
[0037] 所述环形套管10通过支架与箱体连接。
[003引所述环形套管10的半径不小于箱体1底面内径的四分之一且不大于箱体1底面 内径的=分之一。
[0039] 所述环形套管10为不诱钢管，其中管道外径为25mm，内径为20mm，所述气孔11 的直径0. 5mm。
[0040] 一种模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
[0041] 步骤1)安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体1主体，另截取一 块与有机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体1底板，并在底板上钻孔，进气装置6的管体 穿过钻孔与底板固定；将多孔陶瓷板3用玻璃胶与箱体1内壁固定，并用玻璃胶将半透膜2 贴覆在多孔陶瓷板3的顶面；将箱体1主体倒立，依次装入细砂碱和粗砂碱，使进气装置6 的出气口埋设于粗砂碱层5中，将底板与箱体1主体粘结固定；将箱体1正立，用连接管7 将进气装置6与输气系统9连接起来；最后向箱体1中装入试验±壤12;
[0042] 步骤2)打开输气系统9W及气动转换接头8,向±壤12内通入C〇2气体，气体通 过进气装置6的出气口排出；
[0043] 步骤3) C〇2先经过粗砂碱层5,再经过细砂碱层4,扩散至多孔陶瓷板3,由于砂碱 层通水透气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩 散，使C〇2气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板3进一步地将CO 2气体均化；
[0044] 步骤4)气流继续经过半透膜2,逸散于上方±壤12中，半透膜2的设置一方面有 利于下方C〇2气流向上扩散，一方面防止±壤堵塞多孔陶瓷板3的小孔；
[0045] 步骤5)经过砂碱层、多孔陶瓷板3 W及半透膜2的层层均匀化，使得C〇2气流均 匀扩散于覆于半透膜2之上的±体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。
[0046] 在步骤1中，设置环形套管10,并通过支架将环形套管10固定在底板 的中屯、，环形 套管10设于粗砂碱层5中，通过连接管7与输气系统9连接。打开输气系统9w及气动转 换接头8,向±壤12内通入C〇2气体，气体通过环形套管10的气孔11排出，提前对气体进 行均匀化处理，然后再经过砂碱层、多孔陶瓷板3W及半透膜2的层层均匀化，使C〇2气流 扩散的更均匀，进一步提高了C〇2气体的均匀化效果。
[0047] 下面结合具体实施例，对本实用新型所述的一种模拟0)2在±壤中均匀扩散的试 验装置进行实验验证。
[0048] (一）实验目的
[0049] 通过室内试验，验证(：〇2在±壤中均匀扩散装置的可行性。
[0化日](二）实验仪器及装置
[0化1] ±壤c〇2均匀扩散装置；本实用新型所述的实验组装置和传统的对照组装置各两 个，气体输送装置，C〇2气体检测仪，气体采样器，卷尺等。
[005引 （S)实验步骤
[005引步骤1) ±壤c02均匀扩散装置的制作：
[0054] 步骤1. 1)将外径15畑1、内径14cm的透明有机玻璃管切割成长为50cm的四段管道 作为箱体1的主体部分，分别用于制作两个实验组、两个对照组装置；
[0055] 步骤1. 2)分别在距有机玻璃管一端5cm处，用电钻钻一个直径为1cm的通气管安 装孔，并将此端作为装置的底端；
[0化6] 步骤1. 3)分别将1cm粗的PVC通气管通过通气管安装孔与有机玻璃管连接，并使 其出气口位于有机玻璃管的中屯、，W便C〇2从装置底部中屯、泄露；
[0化7] 步骤1. 4)在两个实验组有机玻璃管距装置底端20cm处用玻璃胶粘结固定直径为 14cm，孔径为1mm的多孔陶瓷板3,并在陶瓷板3上部安置一层半透膜2 ;
[0化引步骤1. 5)将实验组两个玻璃管底部20cm高的空间内分别填充上10cm的粗砂碱 (uf=3. 1-3. 7)，10cm细砂碱（uf=l. 6-2. 2)，保证有机玻璃管正放时，粗砂碱层5在下，细砂 碱层4在上；对照组则不设置砂碱层，多孔陶瓷板3和半透膜2 ;
[0化9] 步骤1. 6)用外径为20cm的有机玻璃板依次封闭四个玻璃管的底端；
[0060] 步骤1. 7)将统一来源、相同压实度的±壤12分别装入四个有机玻璃管中，在实 验组的有机玻璃管中装入30cm高的±壤12,在对照组的有机玻璃管中装入50cm高的±壤 12,使得实验组和对照组的±壤12顶面高度相同；
[0061] 步骤2) ±壤中C〇2本底值测定；用气体采样器和CO2气体检测仪分别测定未通入 气体的实验组上壤和对照组上壤深度10cm和20cm处的C〇2本底值，它们的CO2浓度均在 0. 1%左右；
[00创步骤3) ±壤C02均一化程度测定：
[0063] 步骤3. 1)将实验组和对照组同时通入相同通量的CA，本次验证实验通入的C〇2速 率V为lOml/min，根据C〇2注入通量F和注入速率F之间的换算公式F=vXp/s，求出对 应的注入通量F为1284. 284g/(m2Xd)，其中P为常压下C〇2密度，P约为1.977g/L;s 为有机玻璃管横截面面积；
[0064] 步骤3. 2)经过1.5min后，气体在实验装置中分布稳定，此时C〇2通量为50ml/ min,用气体采样器和C〇2气体检测仪分别测定实验组和对照组±壤深度20cm处的CO2含 量，具体测定方法为：
[0065] 步骤3. 21)分别将每个有机玻璃管周向划分为八个区域，每个区域内沿径向设置 S个测定点，S个测定点分别离圆屯、3畑1，5cm和7畑1，加上圆屯、共计25个监测点；
[0066] 步骤3. 22)实验组和对照组的每个监测点分别进行=次重复监测，求出每点对应 的C〇2浓度均值，W有机玻璃管的中屯、点为中屯、，建立坐标系，算出25个监测点的对应坐 标，形成每个监测点坐标和C〇2浓度对应的数据表；
[0067] 步骤3. 3)运用SU计er软件，算出C〇2浓度相应指标的最大值、最小值和均值等， 并画出其对应的等值线图。
[0068] (四）实验结果及分析
[0069] 验证实验于2015年3月28日-3月29日进行，在得出实验组与对照组C〇2浓度 变化对比表(表1)及对应的等值线图（图4,图5)。
[0070] 表1实验组与对照组c〇2含量变化对比(单位；％)
[0071]
[007引经测定，经过1. 5min后，气体在实验装置中分布稳定，此时C02通量为50ml/min，实验组±壤(砂碱层+ ±壤）和对照组±壤的体积为 3. 141592X7cmX7cmX50cm=7696. 9ml，可推算出(：02在±壤中均匀分布的情况下，±壤中 C02的含量为 75/7696. 9X100%=0. 97440/0
[0073]从表1可W看出，对照组C〇2浓度的变化随距CO2泄漏中屯、距离的变化差异巨大， 但实验组C〇2浓度的变化随距CO2泄漏中屯、距离的变化差异不明显。对照组与实验组的浓 度均值相近，也与估算出的C〇2含量相近。但实验组和对照组CO2浓度最大值、最小值、衰变 的速率有着巨大的差别。对照组在距离C〇2泄漏中屯、3cm处的衰减率达到了 40. 9%，而实验 组在相同的距离处的衰减率却只有0. 943%，两者相差将近40% ;对照组在距离C〇2泄漏中屯、 5cm处的衰减率达到了 63. 6%，而实验组在相同的距离处的衰减率却只有14. 15%，对照组比 实验组多了将近50%。
[0074] 另外，对比图3和图4可W看出，对照组两条等值线之间的浓度差为0. 1%，而实验 组两条等值线之间的浓度差为0. 01%，同样的距离，对照组含量变化是实验组的10倍。由此 可见，本实用新型的装置对〇)2在±壤中均匀扩散具有良好的效果。
[0075] 运用此装置W后，植被采样面积大大增加，例如，进行±壤中C〇2含量为1%的植被 采样时，在对照组中，采集面积只有一个内径为2畑1，外径为4cm的圆环，而在实验组中，却 可W采集直径为5cm的圆形区域。因此满足了大田试验需要采集大量样品的要求，且解决 了采样量太小，可重复性差，代表性不明确等问题。并且在对实验精度不是极其苛刻的情况 下，此装置可W近似地看做±壤中所有C〇2浓度是均一的，从而模拟CO2泄漏对农作物、± 壤、地下水和生态等的影响。实际应用中，装置的大小可W随试验的需求进行一定的调整。
[0076] 在W上实验中，没有给进气装置6增加环形套管10,仅是用了一个单一的点源输 送，如果增加环形套管10将会对气体均匀输送有一定的前期处理，(：〇2在±壤中的均匀化扩 散效果将会更明显。
【主权项】
1. 一种模拟CO 2在土壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体、进气装置和输气系统，进气 装置与输气系统连接；其特征是，还包括由下至上设于箱体内的粗砂砾层、细砂砾层、多孔 陶瓷板和半透膜，试验土壤放置在半透膜上；所述多孔陶瓷板与箱体固连，半透膜贴合固定 在多孔陶瓷板顶面；所述进气装置的出气口设在粗砂砾层中，且位于箱体的中心。2. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 进气装置由连接管与输气系统连接，连接管上设置气动转换接头。3. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 箱体的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。4. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 粗砂烁层和细砂烁层厚度相等；粗砂烁的细度模数为3. 7~3. 1，平均粒径为0. 5mm以上，细 砂砾的细度模数为2. 2~1. 6,平均粒径为0. 35~0. 25mm ;所述多孔陶瓷板的孔径为1mm，用玻 璃胶与箱体固定，其中纵向抗压强度>35Mpa，横向抗压强度>12Mpa ;所述半透膜用玻璃胶 固定于多孔陶瓷板上。5. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 进气装置设有环形套管，环形套管设于粗砂砾层中，其顶面周向均布气孔，环形套管由连接 管与外部输气系统连接。6. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管的内侧面或外侧面均布气孔。7. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管通过支架与箱体连接。8. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管的半径不小于箱体底面内径的四分之一且不大于箱体底面内径的三分之一。9. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管为不锈钢管，其中管道外径为25mm，内径为20mm，所述气孔的直径0.5mm。
【专利摘要】本实用新型提供了一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置与方法，外界通入的CO2，通过外界输气系统控制浓度，经进气管运输至埋于砂砾层的进气装置，再经砂砾层，多孔陶瓷板，半透膜，均匀稳定地扩散于土体中，从而模拟CO2泄漏对农作物、土壤、地下水和生态等的影响。其工艺简单，成本低廉，气体均一化程度高，实用性强。
【IPC分类】G01N13/00
【公开号】CN204694594
【申请号】CN201520461998
【发明人】谭敏, 陈浮, 张绍良, 马静, 郝邵金, 徐雅晴
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年7月1日
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验装置。
【背景技术】
[0002] 全球气候变暖已成为国际热点问题，c〇2因具有温室效应被认为是导致全球气候 变暖的重要原因之一。C〇2捕集、利用与封存技术（CCU巧是一项具有大规模减排c〇2的新兴 技术，近几年受到国内外的广泛关注。中国政府在"十二五"规划中也进一步明确了能源战 略和减排的基本思路，制定和实施了一系列节能减排方案，W应对日益严峻的能源和环境 问题。
[000引在ecus很多研究中，c02泄漏及其对生态环境的影响是普遍关屯、的重要问题，目前 大多采用田间实验结合数值模拟来分析其对农作物、±壤、地下水和生态的影响，但缺少有 效的物理模拟手段。2012年，ManalA^Tr油oulsi提出了田间试验中C02泄露导致气体浓 度呈现出中间高，周围逐步降低的同屯、圆扩散分布规律，且C02泄露的不稳定性会导致同屯、 圆带状区域的扩大或缩小，从而使得±壤性状不稳定，且同一浓度可采样区域少，可重复性 差，代表性不明确。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的是模拟一种工艺简单，成本低廉，气体均一化程度高，实用性强 的模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验装置。
[0005] 本实用新型是通过W下技术方案实现的；一种模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验 装置，包括箱体、进气装置和输气系统，进气装置与输气系统连接；还包括由下至上设于箱 体内的粗砂碱层、细砂碱层、多孔陶瓷板和半透膜，试验±壤放置在半透膜上；所述多孔陶 瓷板与箱体固连，半透膜贴合固定在多孔陶瓷板顶面；所述进气装置的出气口设在粗砂碱 层中，且位于箱体的中屯、。
[0006] 所述进气装置由连接管与输气系统连接，连接管上设置气动转换接头。
[0007] 所述箱体的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。
[000引所述粗砂碱层和细砂碱层厚度相等；粗砂碱的细度模数为3. 7~3. 1，平均粒径为 0. 5mmW上，细砂碱的细度模数为2. 2~1. 6,平均粒径为0. 35~0. 25mm。
[0009] 所述多孔陶瓷板的孔径为1mm，用玻璃胶与箱体固定。多孔陶瓷板抗压能力强，其 中纵向抗压强度〉35Mpa,横向抗压强度〉12Mpa。
[0010] 所述半透膜用玻璃胶固定于多孔陶瓷板上。它是一种只允许离子和小分子比如 水、氧气、二氧化碳等自由通过，而生物大分子不能自由通过的膜结构。
[0011] 所述进气装置设有环形套管，环形套管设于粗砂碱层，其顶面周向均布气孔，环形 套管由连接管与外部输气系统连接。
[0012] 所述环形套管的内侧面或外侧面均布气孔。
[0013] 所述环形套管通过支架与箱体连接。
[0014] 所述环形套管的半径不小于箱体底面内径的四分之一且不大于箱体底面内径的 ;分之一。
[0015] 所述环形套管为不诱钢管，其中管道外径为25mm，内径为20mm，所述气孔的直径 0. 5mm。
[0016] 一种模拟0)2在±壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
[0017] 步骤1)安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体主体，另截取一块 与有机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体底板，并在底板上钻孔，进气装置的管体穿过 钻孔与底板固定；将多孔陶瓷板用玻璃胶与箱体内壁固定，并用玻璃胶将半透膜贴覆在多 孔陶瓷板的顶面；将箱体主体倒立，依次装入细砂碱和粗砂碱，使进气装置的出气口埋设于 粗砂碱层中，将底板与箱体主体粘结固定；将箱体正立，用连接管将进气装置与输气系统连 接起来；最后向箱体中装入试验±壤；
[0018] 步骤2)打开输气系统W及气动转换接头，向±壤内通入C〇2气体，气体通过进气 装置的出气口排出；
[0019] 步骤3) C〇2先经过粗砂碱层，再经过细砂碱层，扩散至多孔陶瓷板，由于砂碱层通 水透气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩散，使 C〇2气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板进一步地将CO2气体均化；
[0020] 步骤4)气流继续经过半透膜2,逸散于上方±壤中，半透膜的设置一方面有利于 下方C〇2气流向上扩散，一方面防止±壤堵塞多孔陶瓷板的小孔；
[0021] 步骤5)经过砂碱层、多孔陶瓷板W及半透膜的层层均匀化，使得C〇2气流均匀扩 散于覆于半透膜之上的±体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。
[0022] 在步骤1中，设置环形套管，并通过支架将环形套管固定在底板的中屯、，环形套管 设于粗砂碱层中，通过连接管与输气系统连接。打开输气系统W及气动转换接头，向上壤内 通入C〇2气体，气体通过环形套管的气孔排出，提前对气体进行均匀化处理，然后再经过砂 碱层、多孔陶瓷板W及半透膜的层层均匀化，使C〇2气流扩散的更均匀，进一步提高了C〇2气 体的均匀化效果。
[0023] 本实用新型的有益效果是；1)可W有效地获得一个稳定、均匀分布，又受控制的 C〇2流量，弥补先前研究的田间模拟实验中0)2在±壤中扩散均呈现同屯、圆状况，而该个同 屯、圆又受C02泄漏的不稳定导致同屯、圆带状区域的扩大或缩小反复影响±壤性状而造成 实验结果误差；2)避免了先前研究中同屯、圆带状面积过小导致采样量太小，可重复性差，代 表性不明确甚至后来无植物样品可采的情况发生；3)大大节省了实验费用和时间，减少了 实验误差。
【附图说明】
[0024] 图1是一种模拟CO进±壤中均匀扩散的试验装置的结构示意图。
[0025] 图2是带环形套管的模拟0)2在±壤中均匀扩散的试验装置的结构示意图。
[0026] 图3是图2的俯视图。
[0027] 图4是对照组C02含量等值线分布图。
[002引 图5是实验组C02含量等值线分布图。
【具体实施方式】
[0029] 在附图中，一种模拟0)2在±壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体1、进气装置6和 输气系统9,进气装置6与输气系统9连接；还包括由下至上设于箱体内的粗砂碱层5、细砂 碱层4、多孔陶瓷板3和半透膜2,试验±壤12放置在半透膜2上；所述多孔陶瓷板5与箱 体1固连，半透膜2贴合固定在多孔陶瓷板3顶面；所述进气装置6的出气口设在粗砂碱层 5中，且位于箱体1的中屯、。
[0030] 所述进气装置6由连接管7与输气系统9连接，连接管7上设置气动转换接头8。
[0031] 所述箱体1的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。
[0032]所述粗砂碱层5和细砂碱层4厚度相等；粗砂碱的细度模数为3. 7~3. 1，平均粒径 为0. 5mmW上，细砂碱的细度模数为2. 2~1. 6,平均粒径为0. 35~0. 25mm。
[0033] 所述多孔陶瓷板3的孔径为1mm，用玻璃胶与箱体1固定。多孔陶瓷板3抗压能力 强，其中纵向抗压强度〉35Mpa，横向抗压强度〉12Mpa。
[0034] 所述半透膜2用玻璃胶固定于多孔陶瓷板5上。它是一种只允许离子和小分子比 如水、氧气、二氧化碳等自由通过，而生物大分子不能自由通过的膜结构。
[0035] 所述进气装置6设有环形套管10,环形套管10设于粗砂碱层5中，其顶面周向均 布气孔11，环形套管10由连接管7与外部输气系统9连接。
[0036] 所述环形套管10的内侧面或外侧面均布气孔11。
[0037] 所述环形套管10通过支架与箱体连接。
[003引所述环形套管10的半径不小于箱体1底面内径的四分之一且不大于箱体1底面 内径的=分之一。
[0039] 所述环形套管10为不诱钢管，其中管道外径为25mm，内径为20mm，所述气孔11 的直径0. 5mm。
[0040] 一种模拟〇)2在±壤中均匀扩散的试验方法，其特征在于包括如下步骤：
[0041] 步骤1)安装设备，截取一段圆形或多边形有机玻璃管作为箱体1主体，另截取一 块与有机玻璃外径大小相同的圆形板作为箱体1底板，并在底板上钻孔，进气装置6的管体 穿过钻孔与底板固定；将多孔陶瓷板3用玻璃胶与箱体1内壁固定，并用玻璃胶将半透膜2 贴覆在多孔陶瓷板3的顶面；将箱体1主体倒立，依次装入细砂碱和粗砂碱，使进气装置6 的出气口埋设于粗砂碱层5中，将底板与箱体1主体粘结固定；将箱体1正立，用连接管7 将进气装置6与输气系统9连接起来；最后向箱体1中装入试验±壤12;
[0042] 步骤2)打开输气系统9W及气动转换接头8,向±壤12内通入C〇2气体，气体通 过进气装置6的出气口排出；
[0043] 步骤3) C〇2先经过粗砂碱层5,再经过细砂碱层4,扩散至多孔陶瓷板3,由于砂碱 层通水透气性好，有利于将气流分散至不同的方向，近似地将气体由点源扩散变为面源扩 散，使C〇2气体较均匀地向上溢出，而后，多孔陶瓷板3进一步地将CO 2气体均化；
[0044] 步骤4)气流继续经过半透膜2,逸散于上方±壤12中，半透膜2的设置一方面有 利于下方C〇2气流向上扩散，一方面防止±壤堵塞多孔陶瓷板3的小孔；
[0045] 步骤5)经过砂碱层、多孔陶瓷板3 W及半透膜2的层层均匀化，使得C〇2气流均 匀扩散于覆于半透膜2之上的±体中，改变了传统的点源气体通入的不均匀特点。
[0046] 在步骤1中，设置环形套管10,并通过支架将环形套管10固定在底板 的中屯、，环形 套管10设于粗砂碱层5中，通过连接管7与输气系统9连接。打开输气系统9w及气动转 换接头8,向±壤12内通入C〇2气体，气体通过环形套管10的气孔11排出，提前对气体进 行均匀化处理，然后再经过砂碱层、多孔陶瓷板3W及半透膜2的层层均匀化，使C〇2气流 扩散的更均匀，进一步提高了C〇2气体的均匀化效果。
[0047] 下面结合具体实施例，对本实用新型所述的一种模拟0)2在±壤中均匀扩散的试 验装置进行实验验证。
[0048] (一）实验目的
[0049] 通过室内试验，验证(：〇2在±壤中均匀扩散装置的可行性。
[0化日](二）实验仪器及装置
[0化1] ±壤c〇2均匀扩散装置；本实用新型所述的实验组装置和传统的对照组装置各两 个，气体输送装置，C〇2气体检测仪，气体采样器，卷尺等。
[005引 （S)实验步骤
[005引步骤1) ±壤c02均匀扩散装置的制作：
[0054] 步骤1. 1)将外径15畑1、内径14cm的透明有机玻璃管切割成长为50cm的四段管道 作为箱体1的主体部分，分别用于制作两个实验组、两个对照组装置；
[0055] 步骤1. 2)分别在距有机玻璃管一端5cm处，用电钻钻一个直径为1cm的通气管安 装孔，并将此端作为装置的底端；
[0化6] 步骤1. 3)分别将1cm粗的PVC通气管通过通气管安装孔与有机玻璃管连接，并使 其出气口位于有机玻璃管的中屯、，W便C〇2从装置底部中屯、泄露；
[0化7] 步骤1. 4)在两个实验组有机玻璃管距装置底端20cm处用玻璃胶粘结固定直径为 14cm，孔径为1mm的多孔陶瓷板3,并在陶瓷板3上部安置一层半透膜2 ;
[0化引步骤1. 5)将实验组两个玻璃管底部20cm高的空间内分别填充上10cm的粗砂碱 (uf=3. 1-3. 7)，10cm细砂碱（uf=l. 6-2. 2)，保证有机玻璃管正放时，粗砂碱层5在下，细砂 碱层4在上；对照组则不设置砂碱层，多孔陶瓷板3和半透膜2 ;
[0化9] 步骤1. 6)用外径为20cm的有机玻璃板依次封闭四个玻璃管的底端；
[0060] 步骤1. 7)将统一来源、相同压实度的±壤12分别装入四个有机玻璃管中，在实 验组的有机玻璃管中装入30cm高的±壤12,在对照组的有机玻璃管中装入50cm高的±壤 12,使得实验组和对照组的±壤12顶面高度相同；
[0061] 步骤2) ±壤中C〇2本底值测定；用气体采样器和CO2气体检测仪分别测定未通入 气体的实验组上壤和对照组上壤深度10cm和20cm处的C〇2本底值，它们的CO2浓度均在 0. 1%左右；
[00创步骤3) ±壤C02均一化程度测定：
[0063] 步骤3. 1)将实验组和对照组同时通入相同通量的CA，本次验证实验通入的C〇2速 率V为lOml/min，根据C〇2注入通量F和注入速率F之间的换算公式F=vXp/s，求出对 应的注入通量F为1284. 284g/(m2Xd)，其中P为常压下C〇2密度，P约为1.977g/L;s 为有机玻璃管横截面面积；
[0064] 步骤3. 2)经过1.5min后，气体在实验装置中分布稳定，此时C〇2通量为50ml/ min,用气体采样器和C〇2气体检测仪分别测定实验组和对照组±壤深度20cm处的CO2含 量，具体测定方法为：
[0065] 步骤3. 21)分别将每个有机玻璃管周向划分为八个区域，每个区域内沿径向设置 S个测定点，S个测定点分别离圆屯、3畑1，5cm和7畑1，加上圆屯、共计25个监测点；
[0066] 步骤3. 22)实验组和对照组的每个监测点分别进行=次重复监测，求出每点对应 的C〇2浓度均值，W有机玻璃管的中屯、点为中屯、，建立坐标系，算出25个监测点的对应坐 标，形成每个监测点坐标和C〇2浓度对应的数据表；
[0067] 步骤3. 3)运用SU计er软件，算出C〇2浓度相应指标的最大值、最小值和均值等， 并画出其对应的等值线图。
[0068] (四）实验结果及分析
[0069] 验证实验于2015年3月28日-3月29日进行，在得出实验组与对照组C〇2浓度 变化对比表(表1)及对应的等值线图（图4,图5)。
[0070] 表1实验组与对照组c〇2含量变化对比(单位；％)
[0071]
[007引经测定，经过1. 5min后，气体在实验装置中分布稳定，此时C02通量为50ml/min，实验组±壤(砂碱层+ ±壤）和对照组±壤的体积为 3. 141592X7cmX7cmX50cm=7696. 9ml，可推算出(：02在±壤中均匀分布的情况下，±壤中 C02的含量为 75/7696. 9X100%=0. 97440/0
[0073]从表1可W看出，对照组C〇2浓度的变化随距CO2泄漏中屯、距离的变化差异巨大， 但实验组C〇2浓度的变化随距CO2泄漏中屯、距离的变化差异不明显。对照组与实验组的浓 度均值相近，也与估算出的C〇2含量相近。但实验组和对照组CO2浓度最大值、最小值、衰变 的速率有着巨大的差别。对照组在距离C〇2泄漏中屯、3cm处的衰减率达到了 40. 9%，而实验 组在相同的距离处的衰减率却只有0. 943%，两者相差将近40% ;对照组在距离C〇2泄漏中屯、 5cm处的衰减率达到了 63. 6%，而实验组在相同的距离处的衰减率却只有14. 15%，对照组比 实验组多了将近50%。
[0074] 另外，对比图3和图4可W看出，对照组两条等值线之间的浓度差为0. 1%，而实验 组两条等值线之间的浓度差为0. 01%，同样的距离，对照组含量变化是实验组的10倍。由此 可见，本实用新型的装置对〇)2在±壤中均匀扩散具有良好的效果。
[0075] 运用此装置W后，植被采样面积大大增加，例如，进行±壤中C〇2含量为1%的植被 采样时，在对照组中，采集面积只有一个内径为2畑1，外径为4cm的圆环，而在实验组中，却 可W采集直径为5cm的圆形区域。因此满足了大田试验需要采集大量样品的要求，且解决 了采样量太小，可重复性差，代表性不明确等问题。并且在对实验精度不是极其苛刻的情况 下，此装置可W近似地看做±壤中所有C〇2浓度是均一的，从而模拟CO2泄漏对农作物、± 壤、地下水和生态等的影响。实际应用中，装置的大小可W随试验的需求进行一定的调整。
[0076] 在W上实验中，没有给进气装置6增加环形套管10,仅是用了一个单一的点源输 送，如果增加环形套管10将会对气体均匀输送有一定的前期处理，(：〇2在±壤中的均匀化扩 散效果将会更明显。
【主权项】
1. 一种模拟CO 2在土壤中均匀扩散的试验装置，包括箱体、进气装置和输气系统，进气 装置与输气系统连接；其特征是，还包括由下至上设于箱体内的粗砂砾层、细砂砾层、多孔 陶瓷板和半透膜，试验土壤放置在半透膜上；所述多孔陶瓷板与箱体固连，半透膜贴合固定 在多孔陶瓷板顶面；所述进气装置的出气口设在粗砂砾层中，且位于箱体的中心。2. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 进气装置由连接管与输气系统连接，连接管上设置气动转换接头。3. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 箱体的底面为圆形或正多边形，由有机透明玻璃组成，顶部为开口设计。4. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 粗砂烁层和细砂烁层厚度相等；粗砂烁的细度模数为3. 7~3. 1，平均粒径为0. 5mm以上，细 砂砾的细度模数为2. 2~1. 6,平均粒径为0. 35~0. 25mm ;所述多孔陶瓷板的孔径为1mm，用玻 璃胶与箱体固定，其中纵向抗压强度>35Mpa，横向抗压强度>12Mpa ;所述半透膜用玻璃胶 固定于多孔陶瓷板上。5. 根据权利要求1所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 进气装置设有环形套管，环形套管设于粗砂砾层中，其顶面周向均布气孔，环形套管由连接 管与外部输气系统连接。6. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管的内侧面或外侧面均布气孔。7. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管通过支架与箱体连接。8. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管的半径不小于箱体底面内径的四分之一且不大于箱体底面内径的三分之一。9. 根据权利要求5所述的一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置，其特征是，所述 环形套管为不锈钢管，其中管道外径为25mm，内径为20mm，所述气孔的直径0.5mm。
【专利摘要】本实用新型提供了一种模拟CO2在土壤中均匀扩散的试验装置与方法，外界通入的CO2，通过外界输气系统控制浓度，经进气管运输至埋于砂砾层的进气装置，再经砂砾层，多孔陶瓷板，半透膜，均匀稳定地扩散于土体中，从而模拟CO2泄漏对农作物、土壤、地下水和生态等的影响。其工艺简单，成本低廉，气体均一化程度高，实用性强。
【IPC分类】G01N13/00
【公开号】CN204694594
【申请号】CN201520461998
【发明人】谭敏, 陈浮, 张绍良, 马静, 郝邵金, 徐雅晴
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年7月1日
最新回复(0)