一种模拟实际土壤环境中重金属纵向迁移的装置

本发明涉及一种模拟实际土壤环境中重金属纵向迁移的装置，属于矿山岩土工程环境科学技术领域。

背景技术：

重金属在大气、水体、土壤、生物体中广泛分布。土壤是人类赖以生存的基础，现今矿产资源的开发速度及规模的不断扩大，尾矿重金属渗透到土壤环境中的种类和数量也随之增多，严重的土壤污染威胁着人类的生存，而底泥往往是重金属的储存库和最后的归宿。当环境变化时，底泥中的重金属形态将发生转化并释放造成污染。重金属不能被生物降解，但具有生物累积性，可以直接威胁高等生物包括人类。因此，研究实际土壤中重金属的含量以及其纵向迁移规律显得尤为重要。

目前，传统的方法多以传统的土柱实验为主，进而了解重金属在土壤中的迁移规律。这些土柱实验虽然在一定程度上可以对重金属的迁移规律有所掌握，但是不能具体研究每一层的重金属含量以及其迁移规律，并且不能保证重金属的实际迁移环境。以前使用的实验装置得出结论只是基于理论层面，实际应用的价值并不是很高，而且传统的土柱装置比较单一，得到的实验结果说服力不够明显。

因此，需要设计一种模拟实际土壤环境中重金属纵向迁移的装置，并且所设计的装置不仅能够解决实际问题，还要易操作，可控性高以及具有一定的创新性。

技术实现要素：

针对以上现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟实际土壤环境中重金属纵向迁移的装置，通过一种恒温装置、温度监测测系统以及取样装置模拟重金属在实际温度下不同层的纵向迁移情况。

本发明采用的技术方案是：一种模拟实际土壤环境中重金属纵向迁移的装置，其特征在于：包括支架装置、淋溶装置、淋溶柱装置、供水装置、出水装置、收集装置、取样装置、循环装置、流速监测装置、温度监测装置及恒温加热装置；

所述支架装置包括支架底座1、竖直支撑杆20、水平固定杆14、支撑杆固定螺母15、固定夹16、可伸缩杆22；

所述淋溶装置包括储水器24、淋溶液进水管23、喷头19；

所述淋溶柱装置包括有机柱状玻璃柱17、顶部砾石层18、底部砾石层34；

所述供水装置包括储水瓶44、恒温装置进水管43、供水流量计39、温度传感器40；

所述出水装置包括出水管29及与有机柱状玻璃柱17侧壁连通的多个上下间隔分布的出液管；出水管29上安装有检测并显示出水温度的屏幕显示器33；

所述的温度监测装置为安装在恒温装置进水管43上的温度传感器40；

所述取样装置包括取样圆环口12、取样抽屉21、防漏插板13；防漏插板13用于打开和关闭取样圆环口12，取样抽屉21伸入取样圆环口12中；

所述循环装置包括水槽2、循环管一号6、上蠕动泵42、下蠕动泵9、止水夹10以及循环管二号7；

所述流速监测装置安装在变频箱3内；

所述恒温加热装置包括恒温外壳8、恒温内壳52、恒温底座；恒温外壳8和恒温内壳52之间为保温层，底部的保温层内设有恒温底座，恒温内壳52内侧为加热腔，有机柱状玻璃柱17位于加热腔内且与恒温内壳52间隔设置；

竖直支撑杆20安装在支架底座1的一侧，其内部上端连接可伸缩杆22，可伸缩杆22通过支撑杆固定螺母15与水平固定杆14的一端连接，水平固定杆14的另一端依次穿过恒温外壳8、恒温内壳52后与固定夹16连接，固定夹16固定在有机柱状玻璃柱17外侧，有机柱状玻璃柱17顶端开口且内部设有顶部砾石层18、底部砾石层34，顶部砾石层18、底部砾石层34之间的有机柱状玻璃柱17的侧壁上设有多个上下间隔分布的取样圆环口12，储水器24通过淋溶液进水管23与喷头19连接，喷头19位于有机柱状玻璃柱17上方且与流速监测装置相连，储水瓶44通过恒温装置进水管43与加热腔上端连通，加热腔下端连接出水管29，出水管29、各出液管的出口端分别连接收集装置，水槽2放置在支架底座1上，循环管一号6的下端伸入到水槽2中，上端连接有上蠕动泵42且位于有机柱状玻璃柱17上方，循环管二号7的下端伸入到水槽2中，上端连接有下蠕动泵9、止水夹10且其与有机柱状玻璃柱17的下部连通，恒温装置进水管43、各出液管上均安装有流量计、控制阀门。

具体地，所述取样圆环口12包括取样口上滑轨58、取样口下滑轨57，防漏插板13设在取样圆环口12外侧且在取样口上滑轨58、取样口下滑轨57上滑动，取样抽屉21中部为网或板。

优选地，所述取样抽屉21上设有抽屉手柄38。

优选地，取样圆环口12包括上中下三个，每一个取样圆环口12的上方连接有一根出液管，分别为顶层出液管32、中层出液管31、底层出液管30。

具体地，所述收集装置包括滤液收集器28、自动搅拌器27；出水管29、各出液管的出口端分别伸入到各自的滤液收集器28中，滤液收集器28内部安装有自动搅拌器27，滤液收集器28外部装有与自动搅拌器27连接的开关按钮。

优选地，所述有机柱状玻璃柱17上部设有固定装置45，固定装置45下端连接有压实锤41，固定装置45上放置磁铁时带动压实锤41上升，固定装置45上未放置磁铁时压实锤41砸落到有机柱状玻璃柱17内的土壤上。

优选地，所述循环管二号7、各出液管的入口处均设有尼龙网布11。

优选地，所述有机柱状玻璃柱17、淋溶液进水管23、恒温装置进水管43、循环管一号6、循环管二号7、出水管29、各出液管均由橡胶材料制成。

优选地，所述固定夹16通过固定夹螺母37固定在有机柱状玻璃柱17上。

本发明的有益效果是：

1、本发明可以实现在模拟实际温度的条件下，分析比较滤液中重金属浓度的大小。

2、本发明通过对不同层土壤的取样，为分析土壤中所含重金属的浓度奠定基础。

3、本发明通过温度传感器以及恒温屏幕显示器时刻监控温度的范围，使土壤时刻处于实际的温度环境中，使模拟更具有真实性。

4、本发明通过安装取样抽屉使得取样简单、方便，更能达到实验目的。

5、本发明不仅可以模拟真实环境中的温度，还可以有效的了解土壤中重金属的迁移规律。装置简单实用、拆卸方便，更接近真实环境。

6、本发明通过变频箱可以控制水流的速度，使模拟效果更加明显。

7、本发明通过安装循环装置，可以使滤液浓度更加精确。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明中恒温控制装置的结构示意图；

图3是变频箱的结构示意图；

图4是取样装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详细说明。

实施例1：如图1至4所示，一种模拟实际土壤环境中重金属纵向迁移的装置，其特征在于：包括支架装置、淋溶装置、淋溶柱装置、供水装置、出水装置、收集装置、取样装置、循环装置、流速监测装置、温度监测装置及恒温加热装置；

所述支架装置包括支架底座1、竖直支撑杆20、水平固定杆14、支撑杆固定螺母15、固定夹16、可伸缩杆22；

可伸缩杆22通过与支撑杆固定螺母15、水平固定杆14、固定夹16以及固定夹螺母37相连接，进而起到固定有机柱状玻璃柱17以及使有机柱状玻璃柱17上下移动的作用。

所述淋溶装置包括储水器24、淋溶液进水管23、喷头19；

所述淋溶柱装置包括有机柱状玻璃柱17、顶部砾石层18、底部砾石层34；

所述供水装置包括储水瓶44、恒温装置进水管43、供水流量计39、温度传感器40；

所述出水装置包括出水管29及与有机柱状玻璃柱17侧壁连通的多个上下间隔分布的出液管；出水管29上安装有检测并显示出水温度的屏幕显示器33；

所述的温度监测装置为安装在恒温装置进水管43上的温度传感器40；

所述取样装置包括取样圆环口12、取样抽屉21、防漏插板13；防漏插板13用于打开和关闭取样圆环口12，取样抽屉21伸入取样圆环口12中；

所述循环装置包括水槽2、循环管一号6、上蠕动泵42、下蠕动泵9、止水夹10以及循环管二号7；

所述流速监测装置安装在变频箱3内；

所述恒温加热装置包括恒温外壳8、恒温内壳52、恒温底座；恒温外壳8和恒温内壳52之间为保温层，底部的保温层内设有恒温底座，恒温内壳52内侧为加热腔，有机柱状玻璃柱17位于加热腔内且与恒温内壳52间隔设置；

竖直支撑杆20安装在支架底座1的一侧，其内部上端连接可伸缩杆22，可伸缩杆22通过支撑杆固定螺母15与水平固定杆14的一端连接，水平固定杆14的另一端依次穿过恒温外壳8、恒温内壳52后与固定夹16连接，固定夹16固定在有机柱状玻璃柱17外侧，有机柱状玻璃柱17顶端开口且内部设有顶部砾石层18、底部砾石层34，顶部砾石层18与底部砾石层34可以防止土壤堵塞，顶部砾石层18、底部砾石层34之间的有机柱状玻璃柱17的侧壁上设有多个上下间隔分布的取样圆环口12，储水器24通过淋溶液进水管23与喷头19连接，喷头19位于有机柱状玻璃柱17上方且与流速监测装置相连，储水瓶44通过恒温装置进水管43与加热腔上端连通，加热腔下端连接出水管29，出水管29、各出液管的出口端分别连接收集装置，水槽2放置在支架底座1上，循环管一号6的下端伸入到水槽2中，上端连接有上蠕动泵42且位于有机柱状玻璃柱17上方，循环管二号7的下端伸入到水槽2中，上端连接有下蠕动泵9、止水夹10且其与有机柱状玻璃柱17的下部连通，恒温装置进水管43、各出液管上均安装有流量计、控制阀门。

恒温加热装置的外部结构由恒温外壳8、恒温内壳52、恒温底座组成，恒温底座内部结构由发热机51、杠杆系统46、弹簧48、软磁铁49、琴键开关50、永久磁铁47、杠杆系统46与琴键开关50之间的上下触点组成，发热机51通过电线26与外部的供电插座25连接，起到加热保温的作用。本发明中恒温底座的加热原理类似于电饭煲的加热原理，是公知技术，在此不再详细说明。当有机柱状玻璃柱17内部温度升高时，打开恒温装置进水管43上的阀门将凉水通入有机柱状玻璃柱17内部，起到调节温度的作用。

循环装置通过水槽2的水以及有机柱状玻璃柱17内部的液体反复循环，进而使得淋溶液中重金属浓度更加准确。

进一步地，所述取样圆环口12包括取样口上滑轨58、取样口下滑轨57，防漏插板13设在取样圆环口12外侧且在取样口上滑轨58、取样口下滑轨57上滑动，取样抽屉21中部为网或板。所述取样抽屉21上设有抽屉手柄38。

取样装置由两部分组成，包括取样圆环口12以及取样抽屉21。在对土壤进行取样前，有机柱状玻璃柱17预留取样圆环口12，并且取样圆环口12上下侧安装有取样口下滑轨57和取样口上滑轨58，上下滑轨与防漏插板13连接，防漏插板13的作用是：在抽取土壤前后防止有机柱状玻璃柱17内的物质漏出。在对土壤进行取样时，将防漏插板13连接顺着滑轨滑向一侧，用手握着抽屉手柄38把取样抽屉21伸进取样口内即可取土。取土完成以后，将取样抽屉21缓慢抽出，随即关上防漏插板13。

进一步地，本实施例中取样圆环口12包括上中下三个，每一个取样圆环口12的上方连接有一根出液管，分别为顶层出液管32、中层出液管31、底层出液管30，每一根出液管上，都安装有和底层控制阀门35相同的控制阀门、和中层流量计36相同的流量计。采用三个出液管，正好代表取了上中下的淋溶液。

所述恒温装置包括两层柱状外壳，恒温外壳8、恒温内壳52均开有7个孔，左边有两个，右边有5个。左边中间的孔是为了将水平固定杆14伸进去，下边的孔与循环管二号7相连；右边的孔从上到下分别与恒温装置进水管43、顶层出液管32、中层出液管31、底层出液管30以及出水管29相连接。

进一步地，所述收集装置包括滤液收集器28、自动搅拌器27；出水管29、各出液管的出口端分别伸入到各自的滤液收集器28中，收集装置中的滤液收集器28用于收集流过有机柱状玻璃柱17的淋溶液及有机柱状玻璃柱17与恒温内壳52之间的加热腔内的水，滤液收集器28内部装有自动搅拌器27可使滤液浓度均匀，滤液收集器28外部装有开关按钮，当需要自动搅拌器27工作时，按住开关按钮即可。通过搅拌为提高滤液中重金属浓度的精度奠定了基础。

进一步地，所述有机柱状玻璃柱17上部设有固定装置45，固定装置45下端连接有压实锤41，固定装置45上放置磁铁时带动压实锤41上升，固定装置45上未放置磁铁时压实锤41砸落到有机柱状玻璃柱17内的土壤上。整体装置在使用之前可用压实锤41将有机柱状玻璃柱17内的土壤铺实。

进一步地，所述循环管二号7、各出液管的入口处均设有尼龙网布11，尼龙网布11可以防止土壤中的其他物质进入滤液收集器28中，给重金属的浓度造成很大误差。

进一步地，所述有机柱状玻璃柱17、淋溶液进水管23、恒温装置进水管43、循环管一号6、循环管二号7、出水管29、各出液管均由橡胶材料制成。

进一步地，所述固定夹16通过固定夹螺母37固定在有机柱状玻璃柱17上。

进一步地，所述流速监测装置在一个电频箱3内，包括电源指示灯53、电源总开关54、变频指示灯55、变频器开关56、变频调节器5以及显示器4。流速监测装置用于检测和控制喷头19中液体流速的作用。

本发明一种模拟实际土壤环境中重金属纵向迁移的装置的工作原理为：

储水器24中的水经由淋溶液进水管23通过喷头19流入有机柱状玻璃柱17，水和有机柱状玻璃柱17内的土壤混合后形成淋溶液，关闭恒温装置进水管43、顶层出液管32、中层出液管31、底层出液管30以及出水管29上的控制阀门35。起初，流过有机柱状玻璃柱17的淋溶液从上层移动到下层经由左边的循环管二号7流到水槽2中，接着由循环管一号6在上蠕动泵42的作用下又流入有机柱状玻璃柱17内部，反复循环几次以后，打开右边顶层出液管32、中层出液管31、底层出液管30上的控制阀门，进而用滤液收集器28收集滤液，为后续测定以及分析不同层重金属的浓度提供方便。当收集完滤液以后，利用取样装置抽取上中下三层土壤，方便测定不同层土壤中的重金属含量以及定性比较每一层土壤中重金属浓度的大小，进而分析重金属的纵向迁移规律。

接着模拟真实环境当中重金属的纵向迁移，即必须创造一个真实的土壤环境。恒温装置解决了这个问题：恒温装置的内部零件起加热作用，而恒温装置进水管43与储水瓶44起到调节温度的作用，当出水管29上的屏幕显示器33显示有机柱状玻璃柱17内部的温度过高时，打开恒温装置进水管43上面的阀门使得凉水流入恒温内壳52的加热内腔中来达到降温的目的。当出水管29上的屏幕显示器33显示有机柱状玻璃柱17内部的温度过低时，给恒温底座中的发热机51通电，使恒温底座开始加热，达到升温的目的，进而使得有机柱状玻璃柱17内部的温度恒定。

本发明中供水流量计39、温度传感器40及各出液管上的流量计的检测信号均可以通过自身或外接的显示器显示出来，根据实验需要，工作人员可根据这些检测信号手动调节各部分的水量、温度。

本装置既实现了不同层滤液中重金属的收集，也实现了土壤中不同层重金属的简单取样，还实现了模拟真实环境中重金属的迁移，实现了滤液的循环，提高了重金属的精度。利用该装置研究实际土壤中重金属的纵向迁移规律，更好地将理论与实际相结合，在了解重金属的迁移状况以后，为以后减少重金属污染奠定基础。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。