纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置及方法

本发明属于电法勘探实验，特别是纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置及方法。

背景技术：

1、激发极化法作为一种重要的地球物理勘探方法，广泛应用于矿产资源勘探、水资源探测、地下结构探测以及工程地质调查等领域。其基本原理是通过在地下介质中施加直流电场，使介质中的离子产生极化现象，断电后测量极化电势的衰减过程，获取地下介质的电性参数,从而反映地下介质的物理性质，更准确地了解地下结构和成分。

2、尽管激发极化法在实际应用中取得了显著成效，但现有的激发极化技术主要集中在宏观层面的应用，其在微观层面的机理研究仍相对不足。例如，在公开号为cn 111389890a、名称为一种动态的原位修复粒子激发极化实验装置及方法的中国发明专利申请中，公开了筒体的内腔能够填充电解液及可渗透多孔介质，筒体内腔的两端分别设置有一个激发电极，两个激发电极间能够以设定时间间隔形成电流，且利用极化电极采集不同时间、不同位置处修复粒子的激发极化信号。其中的可渗透多孔介质包括污染物质和砂砾，筒体中填充有饱和电解液，以使得可渗透多孔介质处于饱和状态。

3、在上述传统的激发极化实验中，多采用宏观尺度的样品和电极布置，难以实现对纳米尺度下离子运动和极化过程的精确控制和测量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置及方法，通过实验研究固体纳米孔隙中的激电效应，揭示其微观机理，建立定量模型，并探讨影响激电效应的主要因素及响应规律，解决现有技术中的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明第一方面提供了一种纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置。

4、纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，包括实验容器，所述实验容器内设置有空腔，所述空腔的两端设置有供电电极，所述空腔的中部设置有固体纳米板，所述供电电极和固体纳米板之间的空间用于容纳电解质溶液；

5、所述固体纳米板上设置有多个纳米孔道，所述供电电极用于向电解质溶液施加直流电场，使电解质溶液中的离子从纳米孔道中定向移动，产生极化效应。

6、作为可选择的技术方案，所述实验容器上还设置有两个杆状测量电极，两个所述杆状测量电极分别设置于固体纳米板的两侧，所述杆状测量电极伸入至实验容器的空腔之中。

7、作为可选择的技术方案，所述纳米孔道两端的孔径大于中间的孔径，用于模拟岩土孔隙结构。

8、作为可选择的技术方案，所述实验容器包括对称设置的第一部分和第二部分，所述固体纳米板设置于第一部分和第二部分之间。

9、作为可选择的技术方案，还包括夹持底座，所述夹持底座设置于第一部分和第二部分底部，用于调节第一部分和第二部分对固体纳米板的夹持力。

10、作为可选择的技术方案，所述第一部分和第二部分的侧壁上均设置有孔，所述电解质溶液从孔中注入，且所述杆状测量电极从孔中插入；所述电解质溶液用于模拟地下水和矿物溶液的电化学环境。

11、作为可选择的技术方案，所述第一部分和第二部分远离固体纳米板的端部均设置有电极容纳部分，所述电极容纳部分与供电电极相适配；所述第一部分和第二部分靠近固体纳米板的端部为开口设置，开口的周侧设置有接触圆环，所述接触圆环与固体纳米板相适配。

12、作为可选择的技术方案，所述实验容器为有机玻璃材质制成，所述杆状测量电极为银材质制成。

13、作为可选择的技术方案，还包括激发极化仪器，所述激发极化仪器设置于实验容器外部，所述激发极化仪器包括供电系统、电极系统、数据采集系统以及控制和处理系统，其中：

14、所述供电系统包括直流电源和控制模块，所述电极系统包括两个所述供电电极，所述直流电源与供电电极相连接，所述控制模块用于控制直流电源向供电电极施加稳定的直流电场；

15、所述数据采集系统包括电压传感器和数据记录设备，所述电压传感器用于测量断电后介质中极化电势的衰减过程，所述数据记录设备用于存储和处理电压传感器的测量数据；

16、所述控制和处理系统，用于控制上述供电和测量过程，并对采集到的测量数据进行处理和分析。

17、本发明第二方面提供了一种纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验方法。

18、纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验方法，包括以下步骤：

19、组装如第一方方面所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置；

20、利用激发极化仪器向实验容器中施加电场，电解质溶液中的离子在电场作用下通过纳米孔道定向运动；监测和记录离子在纳米孔道中的运动情况，记录纳米孔道中离子极化现象的变化情况；

21、在施加电场一定时间后，断开电源，停止电场作用，继续监测和记录离子在纳米孔道中扩散时的电化学响应，观察离子扩散过程中的电位变化和极化效应衰减规律；

22、重复进行多次实验，绘制电位、电流随时间变化的曲线，分析极化效应和扩散规律；基于实验数据，建立激发极化效应的微观机理模型，量化离子在纳米孔道中的运动和极化过程。

23、本发明具有以下有益效果：

24、1、本发明提供了一种纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置及方法，将固体纳米材料应用于激发极化效应的微观实验，利用固体纳米板上纳米孔道的特殊结构，实现对离子运动的精确控制。这种设计能够模拟实际地下介质中的复杂电化学环境，从而揭示激发极化效应的微观机制。

25、2、本发明固体纳米板的纳米孔道为电解质溶液中的离子提供了特定的传输路径，在电场作用下，离子通过这些纳米孔道进行定向移动，形成极化效应。相比较现有技术，固体纳米板的纳米孔道能够显著增强极化效应，离子的堆积和极化现象比宏观尺度下更加明显；纳米孔道中的离子极化现象能够放大电化学信号，使得激发极化仪器能够更容易检测到这些信号变化，从而获取更多的实验数据，提高了实验的灵敏度和精确度。

26、3、本发明的实验装置采用高精度电极布置和数据采集系统，能够捕捉纳米孔道中离子运动和极化过程的微小变化，高精度的测量为研究微观机理提供详实数据。

27、4、本发明能够揭示激发极化效应的微观机理。实验结果显示纳米孔道中的离子运动、极化现象以及其与孔结构的关系，有利于建立准确定量的激发极化模型。

28、5、本发明深化了对激发极化效应的理论认识，有助于提高激发极化法勘探技术的准确性和效率，还提供了一种全新的实验方法和装置，提升了激发极化法在地质勘探中的应用水平，减少了不必要的钻探和测量成本。

29、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

技术特征：

1.纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，包括实验容器，所述实验容器内设置有空腔，所述空腔的两端设置有供电电极，所述空腔的中部设置有固体纳米板，所述供电电极和固体纳米板之间的空间用于容纳电解质溶液；

2.根据权利要求1所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，所述实验容器上还设置有两个杆状测量电极，两个所述杆状测量电极分别设置于固体纳米板的两侧，所述杆状测量电极伸入至实验容器的空腔之中。

3.根据权利要求1所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，所述纳米孔道两端的孔径大于中间的孔径，用于模拟岩土孔隙结构。

4.根据权利要求2所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，所述实验容器包括对称设置的第一部分和第二部分，所述固体纳米板设置于第一部分和第二部分之间。

5.根据权利要求4所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，还包括夹持底座，所述夹持底座设置于第一部分和第二部分底部，用于调节第一部分和第二部分对固体纳米板的夹持力。

6.根据权利要求4所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，所述第一部分和第二部分的侧壁上均设置有孔，所述电解质溶液从孔中注入，且所述杆状测量电极从孔中插入；所述电解质溶液用于模拟地下水和矿物溶液的电化学环境。

7.根据权利要求4所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，所述第一部分和第二部分远离固体纳米板的端部均设置有电极容纳部分，所述电极容纳部分与供电电极相适配；所述第一部分和第二部分靠近固体纳米板的端部为开口设置，开口的周侧设置有接触圆环，所述接触圆环与固体纳米板相适配。

8.根据权利要求2所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，所述实验容器为有机玻璃材质制成，所述杆状测量电极为银材质制成。

9.根据权利要求1所述的纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置，其特征在于，还包括激发极化仪器，所述激发极化仪器设置于实验容器外部，所述激发极化仪器包括供电系统、电极系统、数据采集系统以及控制和处理系统，其中：

10.纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了纳米孔阵列模拟岩土孔隙结构的激发极化实验装置及方法，涉及电法勘探实验技术领域。包括实验容器，所述实验容器内设置有空腔，所述空腔的两端设置有供电电极，所述空腔的中部设置有固体纳米板，所述供电电极和固体纳米板之间的空间用于容纳电解质溶液；所述固体纳米板上设置有多个纳米孔道，所述供电电极用于向电解质溶液施加直流电场，使电解质溶液中的离子从纳米孔道中定向移动，产生极化效应。本发明通过实验研究固体纳米孔隙中的激电效应，揭示其微观机理，建立定量模型，并探讨影响激电效应的主要因素及响应规律。技术研发人员：聂利超,闫颢晅,李元成,李志强,宋志成,张铎受保护的技术使用者：山东大学技术研发日：技术公布日：2024/12/2