CN112729992A

CN112729992A - 一种有机污染土壤的热物性测试装置

Info

Publication number: CN112729992A
Application number: CN202110069999.5A
Authority: CN
Inventors: 范利武; 吴宇豪; 徐馨宇; 胡楠; 俞自涛
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2021-01-19
Filing date: 2021-01-19
Publication date: 2021-04-30

Abstract

本发明为一种有机污染土壤的热物性测试装置，测试原理基于双探针法。该装置采用活塞压实的方式控制土壤试样的密度，设计螺纹孔和沉头螺丝的结构固定内嵌有两支探针的滑块的位置使试样筒密闭以防止土壤试样中的有机污染物和水分逸散，选用能耐受500℃高温的材料作为试样筒、试样筒盖、滑块导筒、滑块、探针内部绝缘导热填充物和热电偶、导线簇外包覆层的材料，能够在‑20～500℃的范围内有效测试有机污染土壤的热导率、热扩散率和比热容。

Description

一种有机污染土壤的热物性测试装置

技术领域

本发明涉及一种土壤的热物性测试装置，具体涉及一种有机污染土壤的宽温区热物性测试装置，属于工程热物理、环境科学与工程领域。

背景技术

近年来，大多数曾经位于城市内的污染严重的企业已停产、整改或搬迁至郊区，遗留了较多的工业污染场地。为保证安全，这些污染场地的土壤必须经修复后才能再次利用。热脱附技术是一种适用于有机污染土壤的修复技术，通过加热提高土壤的温度，使其中的各类有机污染物挥发并脱除。目前，热脱附的最高温度可达500℃以上，超过绝大多数多环芳烃的沸点。将土壤加热至如此高的温度，需耗费大量能源，故目前该技术的成本高达约5000元/m³。若能测得大量不同温度、密度、含水率、有机污染物种类和浓度等条件下的土壤热物性参数，便能掌握热脱附过程中土壤的热量传递特性和场地的温度分布规律，进而能提高预测能耗的精度并探寻降低能耗的方法。

目前用于热物性测试的商业仪器均无法满足上述要求：基于热探针法的KD2 Pro和TEMPOS热物性分析仪操作简便，但仅在-50～150℃的范围内适用；基于激光闪光法的Discovery氙灯导热仪虽能达到500℃以上的高温，但其样品室需要抽真空，土壤中的原有的水分和有机污染物无法留存，故测试结果无法反映含水率、污染物种类和浓度对于土壤热物性的影响。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提出了一种有机污染土壤的热物性测试装置，能够在精确控制试样密度以及防止水分和污染物逸散的条件下，对有机污染土壤的热导率、热扩散率和比热容进行有效测试；所述宽温区指自冻土工况的-20℃至超过多环芳烃沸点的500℃。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，包括主机、恒温箱、以及设于恒温箱内的试样筒，试样筒内装有土壤试样；所述试样筒顶部设有试样筒盖，试样筒侧面设有抽气孔；试样筒盖通过试样筒顶螺纹与试样筒连接，试样筒盖顶部固定有滑块导筒，滑块导筒内设有滑块，滑块下部连接有探针，试样筒盖上开有用于使探针伸入试样筒内的孔；当滑块底端与试样筒盖接触时，通过将沉头螺丝拧入滑块导筒侧面的滑块导筒壁螺纹孔从而固定滑块；

所述主机包括直流电源、温度采集器和微型计算机；所述主机与探针通过导线连接，所述恒温箱上开有供导线通过的测试孔；

所述探针包括不锈钢管、以及设于不锈钢管内的绝缘导热填充物、电热丝和热电偶；所述热电偶的测温点焊接在不锈钢管的内壁上，所述电热丝通过导线与直流电源相连；所述热电偶通过导线与温度采集器相连，所述温度采集器与微型计算机相连。

上述技术方案中，进一步地，所述试样筒内的土壤试样在测试之前，采用土壤试样压实装置对土壤试验进行压实；所述的土壤试样压实装置为：在试样筒顶部通过螺纹连接有活塞导筒，所述的活塞导筒内设有活塞，所述活塞用于对土壤试样进行压实，使土壤试样的上端面与试样筒顶螺纹的上端面齐平。

本发明选用能耐受500℃高温的材料作为试样筒、试样筒盖、滑块导筒、滑块、探针内部绝缘导热填充物和热电偶、导线簇外包覆层的材料，能够在-20～500℃的范围内有效测试有机污染土壤的热导率、热扩散率和比热容。

本发明装置的有益效果在于：

本发明的一种有机污染土壤的热物性测试装置，测试原理基于双探针法，采用活塞压实的方式控制土壤试样的密度，选用各类可耐受500℃高温的材料作为试样筒、探针、导线簇等关键部件的材料，设计螺纹孔和沉头螺丝的结构固定探针位置使试样筒密闭以防止土壤试样中的有机污染物和水分逸散，克服了现有测试技术温度范围较小以及无法避免有机污染物、水分在加热过程中逸散等不足，能在-20～500℃的范围内测试有机污染土壤的热导率、热扩散率和比热容，测试结果能为热脱附过程中的能耗计算提供依据。

附图说明

图1为土壤试样压实装置连接示意图；

图2为土壤试样热物性测试装置连接示意图；

图3为探针和主机内部结构及连接示意图；

图中：1土壤试样；2试样筒；3抽气孔；4试样筒顶螺纹；5活塞导筒；6活塞；7试样筒盖；8滑块导筒；9滑块；10探针；11滑块导筒壁螺纹孔；12沉头螺丝；13恒温箱；14测试孔；15导线簇；16主机；17不锈钢管；18绝缘导热填充物；19电热丝；20热电偶；21直流电源；22温度采集器；23微型计算机。

具体实施方式

如图1～3所示，一种有机污染土壤的热物性测试装置，以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

一种有机污染土壤的热物性测试装置，包括土壤试样1、试样筒2、试样筒顶螺纹4、活塞导筒5、活塞6、试样筒盖7、滑块导筒8、滑块9、探针10、滑块导筒壁螺纹孔11、沉头螺丝12、恒温箱13、导线簇15、主机16、直流电源21、温度采集器22、微型计算机23。所述试样筒2侧壁设有抽气孔3，所述试样筒2通过试样筒顶螺纹4与活塞导筒5或试样筒盖7相连，所述滑块导筒8焊接在试样筒盖7上端，所述滑块9可在滑块导筒8内上下移动且内焊有两支完全相同的探针10，所述滑块导筒壁螺纹孔11供沉头螺丝12拧入以使滑块9底部紧贴试样筒盖7，所述试样筒盖7开有直径和位置恰好供探针10插入的孔。所述探针10包括不锈钢管17、以及设于不锈钢管17内的绝缘导热填充物18、电热丝19、热电偶20。所述热电偶20的测温点焊接在不锈钢管17的内壁上，所述恒温箱13顶部或侧壁设有供导线簇15接入箱内的测试孔14，所述主机16包括直流电源21、温度采集器22、微型计算机23，所述电热丝19通过导线簇15内的导线与直流电源21相连，所述热电偶20通过导线簇15内的导线与温度采集器22相连，所述温度采集器22与微型计算机23相连。

所述的土壤试样1可由有机污染场地采集或实验室自行制备；所述试样筒2的材料为不锈钢，用于盛放土壤试样1；所述抽气孔3位于试样筒2侧壁，含阀门，在土壤试样1压实和热物性测试时密闭，测试完毕后连接真空抽提装置并打开阀门，将挥发出的有机污染物抽出并集中处理；所述试样筒顶螺纹4，在制样时将试样筒2与活塞导筒5紧固，在测试时将试样筒2与试样筒盖7紧固；所述活塞导筒5，底端含内螺纹；所述活塞6与活塞导筒5配合，将土壤试样1压实，使土壤试样1的上端面与试样筒顶螺纹5上端面齐平，亦即使土壤试样1充满整个试样筒2；所述试样筒盖7的材料为不锈钢，含内螺纹，开有两个圆孔，圆孔的位置和直径恰好供两支探针10插入；所述滑块导筒8的材料为不锈钢，焊接在试样筒盖7上端；所述滑块9的材料为不锈钢，内焊有两枚探针10，带动探针10在滑块导筒8内上下移动；所述探针10包括不锈钢管17、绝缘导热填充物18、电热丝19、热电偶20，当探针10通过试样筒盖7的两个小孔完全插入土壤试样1内部时，滑块9底端与试样筒盖7顶端接触；所述滑块导筒壁螺纹孔11，拧入沉头螺丝12后可固定滑块9；所述沉头螺丝12在滑块9底端与试样筒盖7顶端接触后，拧入滑块导筒壁螺纹孔11内，防止测试时土壤试样1中的气相物质受热膨胀将滑块9顶开；所述恒温箱13用于将土壤试样1的温度控制在某设定值，控温范围满足-20～500℃的需求；所述导线簇15内含若干绝缘导线，用能耐受500℃高温的绝热材料如硅酸钙、珍珠岩、陶瓷纤维等包覆，将滑块9内焊的探针10与主机16相连；所述不锈钢管17的前端为圆锥形结构，管内为空心结构，长度与直径之比不小于50；所述绝缘导热填充物18，选用能耐受500℃高温的材料如刚玉、云母，填充在不锈钢管17内部，固定电热丝19和热电偶20的位置，保证不锈钢管表面电绝缘；所述电热丝19通过导线簇15内的导线与主机17内的直流电源21相连，作为探针10的内热源；所述热电偶20选用能耐受500℃高温的材料，推荐用K型或E型热电偶，通过导线簇15内的导线与主机17内的温度采集器22相连，测温点焊接在不锈钢管17内壁上；所述直流电源21为探针10内的电热丝19提供大小可调的直流电流，具备多通道输出能力；所述温度采集器22采集探针10内热电偶20的温度数据，具备多通道输出能力；所述微型计算机23与温度采集器22相连，储存温度数据并计算得到土壤的热导率、热扩散率和比热容。

本发明的具体实施步骤是：

第1部分——试样压实：第1步，将试样筒2与活塞导筒5紧固，关闭抽气孔3的阀门；第2步，称取一定质量的土壤试样1倒入试样筒2和活塞导筒5组成的容器内，用活塞6将土壤试样1的上端面压至与试样筒顶螺纹5上端面齐平；第3步，拔出活塞6，将试样筒2与活塞导筒5分离。需要说明的是，活塞6将土壤试样1压实使其充满试样筒2，土壤试样1的体积V即等于试样筒2的容积，故所需称取的土壤试样1的质量m根据预先设定的密度ρ和试样筒2的容积计算得到。

第2部分——测试计算：第1步，将试样筒2与焊有滑块导筒8的试样筒盖7紧固，置于恒温箱13中；第2步，将焊有探针10的滑块9放入滑块导筒7内，连有探针10的导线簇15经测试孔14与恒温箱13外的主机15相连；第3步，下压滑块9使其移动至滑块导筒8底部，亦即使滑块9底部与试样筒盖7顶部接触，此时两支探针10完全插入土壤试样1内部；第4步，将沉头螺丝12拧入滑块导筒壁螺纹孔11内，固定滑块9位置，起到使试样筒2密闭的效果；第5步，将两支探针10分别标记为A和B，其间距r固定，两支探针10内热电偶20的温度读数T_A和T_B即为测温点附近土壤的温度；第6步，接通恒温箱电源，设定所需控制的温度值T₀；第7步，待T_A和T_B稳定在T₀附近后，分别对探针A和B施加恒定电流I_A和I_B，从施加电流起记录时间τ，并按一定频率记录T_A和T_B的变化情况；第8步，根据r、I_A、I_B、λ、τ与T_A的曲线、τ与T_B的曲线计算出土壤的热导率λ和热扩散率a，再结合密度ρ计算出土壤的比热容c。

第3部分——废气抽除：第1步，切断恒温箱电源，打开箱门，稍作冷却；第2步，将真空抽提设备与抽气孔3相连，打开阀门，将已变为气相的有机污染物抽出并集中处理。

利用双探针法测试并计算材料热导率λ、热扩散率a和比热容c的原理系本领域专业技术人员公知的内容，在本说明书中不作详细说明。

Claims

1.一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，包括主机、恒温箱、以及设于恒温箱内的试样筒，试样筒内装有土壤试样；所述试样筒顶部设有试样筒盖，试样筒侧面设有抽气孔；试样筒盖通过试样筒顶螺纹与试样筒连接，试样筒盖顶部固定有滑块导筒，滑块导筒内设有滑块，滑块下部连接有探针，试样筒盖上开有用于使探针伸入试样筒内的孔；当滑块底端与试样筒盖接触时，通过将沉头螺丝拧入滑块导筒侧面的滑块导筒壁螺纹孔从而固定滑块；

2.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述的试样筒、试样筒盖、滑块导筒、滑块的材料均为不锈钢。

3.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述的抽气孔设有阀门，在土壤试样压实和测试时关闭，在测试完毕且连接好真空抽提装置后打开以抽出已转变为气相的有机污染物。

4.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述的探针有两支，且两支探针完全相同，且其长度与直径之比不小于50。

5.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述绝缘导热填充物、热电偶均选用能耐受500℃高温的材料。

6.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述的导线设于导线簇内，所述导线簇用能耐受500℃高温的绝热材料包覆。

7.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述的恒温箱的控温范围为-20℃～500℃。

8.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述直流电源、温度采集器均具备多通道输出能力。

9.如权利要求1所述的一种有机污染土壤的热物性测试装置，其特征在于，所述试样筒内的土壤试样在测试之前，采用土壤试样压实装置对土壤试验进行压实；所述的土壤试样压实装置为：试样筒顶部通过螺纹连接有活塞导筒，所述的活塞导筒内设有活塞，所述活塞用于对土壤试样进行压实，使土壤试样的上端面与试样筒顶螺纹的上端面齐平。