一种用于污染土热脱附的实验装置及实验方法

1.本技术涉及道路检测领域，尤其是涉及一种用于污染土热脱附的实验装置及实验方法。


背景技术：

2.在napls污染土壤修复方面，原位热脱附修复技术由于无需开挖、转运土方，对周围土壤环境扰动小，污染物去除彻底，可修复深层土壤而被逐步推广。然而，由于能耗高、技术不成熟、修复包气带困难、加热不均匀等问题制约了修复方法的普及和土地资源的利用，为优化热脱附加热方法，提高原位热脱附加热效率、降低能耗，实现高效经济地修复非水相液体（napls）污染土壤横向加热原位热脱附技术应运而生。
3.然而，现有的原位热传导脱附技术为竖直加热井和抽提取井布置，虽然具有非开挖高效去除深层土壤中污染物的优势，但由于包气带成层性，层间优势流、热量分布不均、层内传热性能差，土壤多成层发育，各层间物理性质差异大，使得竖向加热时，热量沿水平方向传递不均匀，其加热效果差，要达到较好的效果要持续高温、长时间加热，造成能耗较大，而且热脱附系统在实际运用中存在热量传输、温度场分布、加热参数选择及污染土壤修复规律不明确，缺乏具体的理论指导及高效经济的研究方法。因此，亟需一种用于污染土热脱附的实验装置。


技术实现要素：

4.本技术提供一种用于污染土热脱附的实验装置及实验方法，通过高密度电法仪和电极能够采集土壤的电阻率剖面，以反演污染物的扩散规律。
5.一种用于污染土热脱附的实验装置，包括实验箱体，所述用于污染土热脱附的实验装置还包括：加热管、抽提取管、蒸汽发生器、电源站、电法探测仪、真空泵以及温度控制器；所述实验箱体用于容纳检测土壤，所述实验箱体其中一侧壁开设有均匀分布的装置孔，所述加热管和所述抽提取管通过所述装置孔插设于所述实验箱体内，所述加热管通过管路与所述蒸汽发生器连通，所述电源站分别与所述真空泵、所述蒸汽发生器以及所述温度控制器电性连接以为所述加热管、所述蒸汽发生器、所述真空泵以及所述温度控制器供电，所述抽提取管与所述真空泵连通，所述蒸汽发生器为加热管提供高压蒸汽，所述温度控制器与所述加热管和所述蒸汽发生器电性连接用于控制所述加热管和所述蒸汽发生器，所述实验箱体的箱体上盖开设有阵列排布的通孔，所述电法探测仪包括高密度电法主机和多个电极，所述高密度电法主机与多个所述电极电性连接，多个所述电极穿过所述通孔并为位于所述实验箱体内，所述电法探测仪用于检测所述检测土壤各部分的电阻率剖面。
6.通过采用上述技术方案，通过在不同装置孔中穿设加热管和抽提取管能够控制处于不同的加热管温度和蒸汽/热空气压力，通过设置蒸汽发生器产生高压气体以疏通土壤孔隙，能够扩大土壤层与热空气接触面积，促进脱附污染物流通，在加热管和抽提取管间形成微小循环，提高热传导加热修复效率，同时也能弥补热传导中由于水分减少导致的加热
管热传导效率低的问题，保证热传导效率，通过设置电法探测仪采集检测土壤的电阻率剖面，进而反演污染物的扩散规律。
7.可选的，所述加热管和所述抽提取管交替布设于所述实验箱体内。
8.通过采用上述技术方案，将加热管和抽提取管交替布设能够尽量避免土壤热脱附中蒸汽/热空气在抽提取管周围的温度损失，提升抽提取管抽取效率，有效提升热传导加热修复效率。
9.可选的，所述实验装置还包括多个传感器，所述传感器之间通过导线串联，所述传感器设置于所述通孔的轴线上。
10.通过采用上述技术方案，在实验装置中等间距设置传感器，以均匀检测检测土壤各部分的采样数据，进而提升污染物的扩散规律反演的准确度。
11.可选的，所述传感器为能采集土壤温度、湿度及气压的集成传感器。
12.通过采用上述技术方案，传感器能同时采集土壤温度、湿度及气压。
13.可选的，所述实验装置还包括多功能巡检仪，所述多功能巡检仪与多个所述传感器电性连接，所述多功能巡检仪用于集中显示所述传感器的读数。
14.通过采用上述技术方案，设置多功能巡检仪以便于使用者快速读取传感器的各项参数，同时能够提升处理效率。
15.可选的，所述实验装置还包括蠕动泵，所述蠕动泵穿过位于所述箱体上盖中心的所述通孔，所述蠕动泵用于向所述检测土壤中滴漏污染物并调节污染物注入速率，以模拟污染物渗漏情况。
16.通过采用上述技术方案，使用蠕动泵向检测土壤中滴漏污染物，模拟土壤中出现污染物渗漏的情况，同时调控蠕动泵注入污染物的速率，以模拟多种不同污染物的渗漏情况，能够有效提升。
17.可选的，所述加热管与所述蒸汽发生器之间连接的管路设置有第一流量计，所述第一流量计用于显示所述蒸汽发生器的注汽流量，所述抽提取管与所述真空泵之间连接的管路设置有冷凝管和第二流量计，所述冷凝管用于收集污染物并测定污染物修复量，所述第二流量计用于显示所述真空泵的抽提流量。
18.通过采用上述技术方案，设置第一流量计和第二流量计有助于读取蒸汽发生器的注汽流量和真空泵的抽提流量，从而能通过调控不同注汽流量和抽提流量，进而调控热传导加热修复效率，设置冷凝管以搜集污染物并测定污染物修复量，根据污染物修复量能够更准确获取污染物修复效率。
19.可选的，所述电源站还包括电能表，所述电能表用于检测所述抽提取管及所述加热管在不同的排布情形下所述蒸汽发生器、加热管以及所述真空泵共同的能耗。
20.通过采用上述技术方案，通过设置电能表以获取不同的排布情形下蒸汽发生器、加热管以及真空泵共同的能耗，同时通过记录土壤中各传感器采集的温度、气压、湿度变化情况、温度场分布情况及每种组合的能耗情况，找到最优的加热参数。
21.一种用于污染土热脱附的实验方法，所述方法包括：提供所述实验箱体；在所述实验箱体内填充所述检测土壤使所述检测土壤接触所述电极；启动所述电源站、所述高密度电法主机进行工作，使所述加热管对所述检测土壤进行加热，在预定时间
内，启动所述真空泵使所述抽提取管对所述检测土壤进行抽气；检测所述抽提取管内的物质成分；以及根据所述物质成分以及根据所述高密度电法仪采集的所述检测土壤的电阻率剖面，反演得到污染物的扩散规律，并根据污染物的扩散规律获取所述检测土壤的最优热脱附的参数设置。
22.通过采用上述技术方案，设置高密度电法主机和电极以检测污染土壤中的扩散规律，通过检测受污染土壤中的napls污染物成分，判断受污染土壤是否存在多种污染物成分，进而判断对应的对应标准污染土壤中的扩散规律是否相符，同时能根据实验装置获取的相关参数，获取最优热脱附的参数设置。
23.可选的，在向所述实验箱体填充所述检测土壤之前，先填充不含napls的标准土壤，其中，所述检测土壤为人工配制的napls污染土壤；在检测所述标准土壤情形下，获取抽提取管内的物质成分及电阻率剖面的标准参数；以及将检测所述标准土壤情形下的抽提取管内的物质成分及电阻率剖面的标准参数与检测土壤情形下的抽提取管内的物质成分及电阻率剖面的实验参数进行比较。
24.通过采用上述技术方案，通过热脱附实现检测土壤的修复后，通过将不含napls污染物的标准土壤和检测土壤进行实验参数对比，进而评价原位热脱附横向加热的修复情况。
25.综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：1、通过在不同装置孔中穿设加热管以控制处于不同深度的加热管温度和产生蒸汽/热空气的压力，同时设置抽提取管能够吸取携带有污染物的蒸汽/热空气，通过设置蒸汽发生器产生高压气体以疏通土壤孔隙，能够扩大土壤层与热空气接触面积，促进脱附污染物流通，在加热管和抽提取管间形成微小循环，提高热传导加热修复效率，同时也能弥补热传导中由于水分减少导致的加热管热传导效率低的问题，保证热传导效率，通过设置电法探测仪采集检测土壤的电阻率剖面，进而反演污染物的扩散规律；2、能够研究各种土质及地层的污染土壤原位热脱附横向加热，不同布管方式、不同加热温度、不同抽提流量、不同污染物浓度、不同注汽流量、不同抽提和加热位置条件下土壤的温度场分布情况、污染物的扩散情况、能耗情况及污染物修复效率。
附图说明
26.图1是本技术实施例提供的一种用于污染土热脱附的实验装置的结构示意图；图2是本技术实施例提供的传感器水平剖面布置示意图；图3是本技术实施例提供的传感器深度剖面布置示意图；图4是本技术实施例提供的安装有蠕动泵的实验装置的结构示意图；图5是本技术实施例提供的一种用于污染土热脱附的实验方法的流程图。
27.附图标记说明：1、实验箱体；101、箱体上盖；102、装置孔；103、通孔；2、加热管；3、抽提取管；4、蒸汽发生器；5、电源站；6、电法探测仪；601、高密度电法主机；602、电极；7、真空泵；8、温度控制器；9、传感器；10、多功能巡检仪；11、蠕动泵；12、第一流量计；13、第二流量计；14、冷凝管；15、电能表。
具体实施方式
28.以下结合附图1-5对本技术作进一步详细说明。
29.在对本发明实施例进行介绍之前，首先对本发明实施例中涉及的一些名词进行定义和说明。
30.napls污染物：napls污染物为挥发性或半挥发性有机流体，如柴油、汽油等石油类污染物或苯类、氯代烃类。
31.温度场：像重力场、速度场等一样，物理中存在着温度的场称为温度场，它是各时刻物体中各点温度分布的总称。
32.本技术实施例公开一种用于污染土热脱附的实验装置，包括实验箱体1、加热管2、抽提取管3、蒸汽发生器4、电源站5、电法探测仪6、真空泵7以及温度控制器8。
33.实验箱体1用于容纳检测土壤，实验箱体1的其中一侧壁开设有均匀分布的装置孔102。在一种可能示例中，参考图1，可选用0.7m
×
0.7m
×
0.5m的箱体作为实验箱体1。实验箱体1为透明箱体。在一种示例中，实验箱体1由透明耐高温材料制成，其中，材料可选取聚碳酸酯(pc)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pbt)、聚2，6-萘二甲酸二乙酯(pen)、共聚聚酯(petg)以及聚酰亚胺树脂中的任意一种，可方便观察土壤、污染物分布。
34.装置孔102横纵方向间距均为0.1m，即在实验箱体1侧壁开设有20个阵列排布的装置孔102。
35.实验箱体1的箱体上盖101上开设通孔103，同行相邻通孔103之间的间距设置为0.1m，前后通孔103之间的间距设置为0.2m。装置孔102之间的间距和通孔103之间的间距可以根据实验需要自由设置。
36.加热管2和抽提取管3通过装置孔102插设于实验箱体1内。
37.在本实施例中，加热管2和抽提取管3交替布设于实验箱体1内。将加热管2和抽提取管3交替布设能够尽量避免土壤热脱附中蒸汽/热空气在抽提取管3周围的温度损失，提升抽提取管3抽取效率，有效提升热传导加热修复效率。
38.在一种示例中，加热管2和抽提取管3根据检测土壤的情况水平交错布置与装置孔102内，可以实现加热断面单根加热，单根抽提；单根加热，多根抽提；多根加热，单根抽提；多根加热，多根抽提等设置方法，即布置的加热管2和抽提取管3数量及位置可以自由组合。同时将未使用的装置孔102进行封堵实现密封，以保证加热管2输出的热空气或热蒸汽以及抽提取管3抽取的携带napls污染物密封于实验箱体1，以提升实验采集数据的准确性。其中，采集数据可以是温度、湿度、电阻率等。
39.在一种示例中，加热管2为双层结构，内层管设置有电阻丝，外层管开设有通气孔，加热管2既可以向四周吹热空气或热蒸汽，也可以通过热电阻丝加热检测土壤，同时通过在不同装置孔102中穿设加热管2和抽提取管3能够控制处于不同深度的加热管2温度和蒸汽/热空气压力，通过设置在加热管2和抽提取管3间形成微小循环，提高热传导加热修复效率，同时也能弥补热传导中由于水分减少导致的加热管2热传导效率低的问题，保证热传导效率。
40.加热管2与温度控制器8电性连接，温度控制器8控制加热管2的加热温度。加热管2通过管路与蒸汽发生器4连通。蒸汽发生器4用于产生高压气体以疏通土壤孔隙，能够扩大土壤层与热空气接触面积，促进脱附污染物流通。
41.电源站5分别与真空泵7、蒸汽发生器4以及温度控制器8电性连接以为加热管2、蒸汽发生器4、真空泵7以及温度控制器8供电，抽提取管3通过管路与真空泵7连接，蒸汽发生器4为加热管2提供高压蒸汽，温度控制器8用于控制加热管2和蒸汽发生器4，电法探测仪6用于采集检测土壤的电阻率剖面，其中，高密度电法仪通过向检测土壤传入人工建立的稳定电流场，以监测人工建立的稳定电流场的变化，进而研究地下介质的电性变化。napls污染物的电阻高，相对于检测土壤为高阻体，能够被高密度电法仪检测到，通过高密度电法仪反映出的土壤中napls污染物的位移大小、扩散形状、运动方向及运动速度，可以反演出napls污染物的扩散规律。其中，反演方式可以为迭代反演、最优化反演以及非线性反演等反演方式获取napls污染物的扩散规律。在本实施例中，电法探测仪6包括高密度电法主机601和多个电极602，多个电极602穿过通孔103位于实验箱体1内，以使电极602能接触检测土壤，高密度电法主机601用于检测检测土壤各部分的电阻率剖面。均匀布置的通孔103，能保证电极602均匀布置，从而，高密度电法主机601能通过电极602均匀测量检测土壤的电阻率剖面。
42.将电极602插入检测土壤后也需要对通孔103进行密封，尽量避免携带napls污染物扩散出实验箱体1，以提升采集数据的准确性。其中，采集数据可以是电阻率剖面。
43.在一种可能的示例中，该实验装置通过调节蒸汽发生器4、真空泵7、加热管2的功率以调节吹气流量、抽气流量以及加热温度，进而影响污染物扩散规律，同时也可以通过调节加热管2和抽提取管3的位置及数量以调整吹气位置、抽气位置、加热组合以及抽提组合影响污染物扩散规律。其中，加热组合为加热管2数量，抽提组合为抽提取管3数量。
44.在本实施例中，实验装置还包括多个传感器9，传感器9之间通过导线串联，传感器9设置于通孔103的轴线上，传感器9等距设置于检测土壤内部。
45.在一种示例中，如图2和图3所示，传感器9设置于加热管2和抽提取管3的延伸方向，且传感器9在横纵方向的间距均等，可将传感器9之间的间距设置为0.1m。在调节装置孔102和通孔103时也可同时调节传感器9之间的间距。例如，在实验箱体1中分布80个传感器9，在实验箱体1的水平剖面中，横向设置5个传感器9，纵向设置4个传感器9，在实验箱体1的深度剖面中，每行设置有4个传感器9，分别与装置孔102和通孔103位置一一对应。
46.在本实施中，加热管2、抽提取管3、电极602以及传感器9的布设。传感器9为能采集土壤温度、湿度及气压的集成传感器。譬如，传感器9选用智能无源传感器同时监测土壤温度、气压及湿度。
47.在一种可能的示例中，用于污染土热脱附的实验装置能用于研究非污染土壤的温度场和气压场。先调节加热管2和抽提取管3的位置，通电后分别调节空气压缩机、真空泵7以及热电阻丝功率，监测各深度土壤温度、湿度和污染物浓度的初始值，记录土壤中各监测点的温度、气压、湿度变化情况温度场分布情况，及每种组合的能耗情况。找到最优的加热参数，也可更换土壤类型，研究不同土壤类型的最优加热参数。以上提到的最优的加热参数可通过反演算法得到。
48.在一种可能的示例中，用于污染土热脱附的实验装置能用于研究污染物对温度场的影响及污染物扩散规律。选取以柴油作为代表性的napls污染物的污染土壤，先调节加热管2和抽提取管3的位置，通电后分别调节空气压缩机、真空泵7以及热电阻丝功率，记录实验箱中土壤温度、气压、湿度、能耗及冷凝管14中污染物的变化规律，通过高密度电法仪分
析土壤中污染物的分布规律，可研究污染物的扩散规律，对比无污染土壤每种加热组合的温度场，可研究污染物对温度场的影响。结合污染物修复效率及能耗，最终可获得最优热脱附加热参数。也可更换不同污染物浓度的污染土壤，研究不同污染物浓度对温度场及修复效率的影响。以上提到的污染物的分布规律、污染物的扩散规律、污染物对温度场的影响、最优热脱附加热参数以及不同污染物浓度对温度场及修复效率的影响均可通过反演算法获取。
49.其中，污染物扩散越快，使得污染物（高阻体）减少越快、温度场分布越均匀、温度场整体温度越高，冷凝管14收集污染物量越多，冷凝管14中污染物增量越大，能耗越小。同时满足上述多种条件，则说明此种吹气流量、抽气流量、吹气位置、抽气位置、加热组合、抽提组合及温度的搭配是最优方式。
50.该实验装置可以研究不同因素，例如吹气流量、抽气流量、吹气位置、抽气位置、加热组合、抽提组合及温度等因素对污染物修复效率及能耗的影响。最终获取可供选择的搭配方案，避免能耗高修复效率低的搭配方式。此外可以根据需要，如对修复效率有更高要求，在确保能耗较低情况下，则修复效率高的搭配方式是最优方式，如对经济性有更高要求，在确保修复效率较高情况下，则更考虑能耗的影响。
51.在本实施例中，实验装置还包括多功能巡检仪10，多功能巡检仪10通过导线与多个传感器9连接，多功能巡检仪10用于集中显示传感器9的读数。设置多功能巡检仪10以便于使用者快速读取传感器9的各项参数，同时能够提升处理效率。
52.在本实施例中，实验装置还包括蠕动泵11，蠕动泵11穿过位于箱体上盖101中心的通孔103，蠕动泵11用于向检测土壤中滴漏污染物并调节污染物注入速率，以模拟污染物渗漏情况。
53.在一种示例中，参考图4，选用蠕动泵11为检测土壤中注入napls污染物，在实验中选用不同注入速率、不同浓度的napls污染物以及不同种类的napls污染物对检测土壤进行napls污染物渗漏模拟，或者选取不同种类的napls污染物分别注入检测土壤，以实现对多种napls污染物可能渗漏情况进行模拟。其中，蠕动泵11也可替换为静脉输液器。
54.在一种可能的示例中，研究污染物滴漏在土壤中的扩散规律和修复过程。蠕动泵11装有napls污染物，如柴油等污染物，将蠕动泵11设置以一定的滴定速度向非污染土中滴漏，其中，滴定速度可以为10s一滴或其它实验需要的滴定速度进行调节，由高密度电法仪采集土壤中电阻率变化，反演污染物渗漏时的扩散规律。当滴漏一定时间后，按照最优的加热参数修复污染土壤，研究污染物的修复过程中，实际的污染物扩散及温度场分布规律、冷凝管14收集的污染物、能耗，评价原位热脱附横向加热的修复情况。
55.在本实施例中，加热管2与蒸汽发生器4之间连接的管路设置有第一流量计12，第一流量计12用于显示蒸汽发生器4的注汽流量，抽提取管3与真空泵7之间连接的管路设置有冷凝管14和第二流量计13，冷凝管14用于收集污染物并测定污染物修复量，第二流量计13用于显示真空泵7的抽提流量。
56.设置第一流量计12和第二流量计13有助于读取蒸汽发生器4的注汽流量和真空泵7的抽提流量，从而能通过调控不同注汽流量和抽提流量，进而调控热传导加热修复效率，设置冷凝管14以搜集污染物并测定污染物修复量，根据污染物修复量能够更准确获取污染物修复效率。
57.在一种示例中，通过第一流量计12和第二流量计13显示的注汽流量和抽提流量调控蒸汽发生器4和真空泵7的输出或抽提气流流量，进而通过分别调整蒸汽发生器4和真空泵7的气流流量，检测处于不同气体流量下的检测土壤的修复效率或napls污染物扩散规律。
58.在本实施例中，电源站5还包括电能表15，电能表15用于检测抽提取管3及加热管2在不同的排布情形下蒸汽发生器4、加热管2以及真空泵7共同的能耗。
59.通过设置电能表15以获取不同的排布情形下蒸汽发生器4、加热管2以及真空泵7共同的能耗，同时通过记录土壤中各传感器9采集的温度、气压、湿度变化情况、温度场分布情况及每种组合的能耗情况，找到最优的加热参数。
60.基于上述实验装置，本技术实施例还公开一种用于污染土热脱附的实验方法，如图4所示，步骤包括s401-s404。
61.步骤s401，提供用于污染土热脱附的实验装置。
62.步骤s402，在用于污染土热脱附的实验装置包括的实验箱体1内充填检测土壤使检测土壤接触电极602；启动电源站5、高密度电法主机601进行工作，使加热管2对检测土壤进行加热，在预定时间内，启动真空泵7使抽提取管3对检测土壤进行抽气。
63.在本步骤中，也可同时开启多功能巡检仪10，通过传感器9获取温度、湿度以及气压等参数的监测。
64.步骤s403，检测抽提取管3内的物质成分。
65.在本步骤中，也可以通过直接检测冷凝管14中的物质成分获取污染土壤的物质成分。
66.步骤s404，根据物质成分以及根据高密度电法仪采集的检测土壤的电阻率剖面，反演得到污染物的扩散规律，并根据污染物的扩散规律获取检测土壤的最优热脱附的参数设置。
67.通过设置高密度电法主机601和电极602以检测污染土壤中的扩散规律，通过检测受污染土壤中的napls污染物成分，判断受污染土壤是否存在多种污染物成分，进而判断对应的对应标准污染土壤中的扩散规律是否相符，同时能根据实验装置获取的相关参数，获取最优热脱附的参数设置。其中，相关参数可以为传感器9获取温度、湿度以及气压，高密度电法主机601采集的电阻率剖面等参数。
68.在本实施例中，上述方法还包括：在向所述实验箱体1填充所述检测土壤之前，先填充不含napls的标准土壤，其中，所述检测土壤为人工配制的napls污染土壤；在检测所述标准土壤情形下，获取抽提取管3内的物质成分及电阻率剖面的标准参数；以及将检测所述标准土壤情形下的抽提取管3内的物质成分及电阻率剖面的标准参数与检测土壤情形下的抽提取管3内的物质成分及电阻率剖面的实验参数进行比较。
69.通过热脱附实现检测土壤的修复后，通过将不含napls污染物的标准土壤和检测土壤进行实验参数对比，进而评价原位热脱附横向加热的修复情况。
70.在本实施例中，通过蠕动泵11向标准土壤滴漏napls污染物形成检测土壤，其中，污染物以预设的滴定速度向检测土壤滴漏；蠕动泵11滴漏预设时间后，对检测土壤按照最
优热脱附加热参数修复检测土壤，获取检测土壤的修复情况。
71.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。