CN115791527A - 一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及挥发气体测量技术领域，具体是涉及一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器及测试方法；本发明设计的测试器包括通量器、装填机构和底座；通量器包括装填筒和压板；装填筒是由弧形板，两个设置在弧形板侧沿上且相互平行的侧板，以及设置在装填筒两端且相互平行的封堵板组成；底座包括收集箱、传输轨道、料箱和承压槽；装填机构包括传输装置和施压装置；该测试器通过将用于测试的通量器的“竹节式”填充土壤方式改进为“侧方均匀”填充土壤方式，解决了长期以来传统通量器内实验土壤具有明显密度差的问题；而基于上述测试器的测试方法，能够准确计算VOCs在包气带土壤中的扩散系数。
Description
技术领域
本发明涉及挥发气体测量技术领域，具体是涉及一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器及测试方法。
背景技术
VOCs是对土壤及地下水的污染的重要环境问题，气相扩散是VOCs在包气带土壤中迁移的主要途径，有效扩散系数是气相扩散过程的主要表征参数。
现有的用于测试VOCs扩散系数的实验装置在装填土柱时均是采用“一填一敦实”的方式装填，这种装填方式会导致实验土壤在容器中的密度呈“竹节式”：实验土壤以单次敦实的阶段为分界线，其密度呈现出阶段分布，在“土壤节”与“土壤节”之间会出现明显的密度差；不仅如此，因为通过手动敦实，所以每节土壤之间的密度存在差异。
因为容器中的土壤在装填敦实过程中存在固定的先后顺序，这就导致先装填进容器底部的土壤会被反复敦实，从而使得容器中的土壤的整体密度由容器底部至顶部呈现出“由密到疏”的分布特征。
上述现象导致在测定挥发性有机物在包气带中有效扩散系数的实验过程中，实验用的土壤模型与实际中的土壤分布存在差异：在实际场地中，位于某一深度范围内的土壤密度是均匀的，不会出现明显的“分节”或“由密至疏”的现象，进而影响后续实验数据精度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，通过将用于测试的通量器的“竹节式”填充土壤方式改进为“侧方均匀”填充土壤方式，解决了长期以来传统通量器内实验土壤具有明显密度差的问题，从而提高了测试有机物气体扩散系数的数据精度。
1、测试器的结构
本发明设计的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，包括通量器，向通量器装填介质的装填机构，以及作为结构支撑的底座；
通量器包括装填筒和压板；装填筒垂直于中心轴线的横截面为U型，压板能够拆卸连接在通量器的U型结构的缺口处；
装填筒是由弧形板，两个设置在弧形板侧沿上且相互平行的侧板，以及设置在装填筒两端且相互平行的封堵板组成；其中一个侧板上等间隔设置有气体取样口，另一个侧板上间隔设置有土壤取样口；
底座包括相邻的装填区和压实区；装填区由下而上依次设置有收集箱、传输轨道和料箱；压实区内与传输轨道高度平齐的位置上设置有与装填筒形状形适配的承压槽；
装填机构包括传输装置和施压装置；传输装置位于传输轨道和承压槽的连接处，能够驱动装填筒由传输轨道进入承压槽中；施压装置位于承压槽上方，且设置有装填筒内腔形状相适配的施压头，能够通过竖直驱动施压头从而向装填筒内腔施压。
进一步地，装填筒的两个端口处垂直于中心轴线均设置有滑槽，封堵板能够滑动连接在滑槽内，实现对装填筒两个端口的封堵和开放。
封堵板与滑槽二者的接触面上均设置有防滑纹，进而保证在装填阶段，封堵板不会因自重从滑槽中滑出，也能够保证后续实验阶段，抽出的封堵板不会掉落。
进一步地，侧板远离装填筒内腔的一侧设置有卡槽，卡槽沿竖直方向等间隔设置有若干二级槽，每个二级槽上均设置有封堵条，封堵条能通过与之接触的阻动纹实现制动。
卡槽的主要作用是在物理结构层面限制压板的下压深度，从而能够通过开启不同深度的二级槽得到不同压制密度的土柱，这样得到的土柱密度和透气性精度高，避免了使用传感器控制压制压力时信号延迟导致的误差。
进一步地，压板的两端设置设置有与侧板上的卡槽位置相对的连接扣；连接扣邻近侧板的一侧设置有由第一弹簧供能、且与二级槽形状相适配的回弹式卡扣；连接扣远离侧板的一侧设置有复位杆，复位杆贯穿连接扣、且经第一弹簧内腔与回弹式卡扣连接。
在压制土柱阶段，随着压板的下压，压板上的回弹式卡扣嵌入设置好深度的二级槽中，从而固定压板在装填筒中的深度；当实验完成需要更改压制土柱的密度时进行别组实验时，可以通过复位杆拉动回弹式卡扣复位，进而从装填筒上拆卸下压板，最后进行清洗作业。
进一步地，施压头由电动推杆和电磁吸板构成；电动推杆的底部滑动套接有缓冲杆；缓冲杆内腔侧壁上通过滑道滑动连接有隔片，隔片上邻近缓冲杆内腔底部的一侧设置有压力传感器，隔片上远离缓冲杆内腔底部的一侧通过第二弹簧与电动推杆连接；缓冲杆的侧壁上开设有与滑道相连通的线路槽。
缓冲杆的作用是避免电动推杆和装填筒刚性接触，在刚性接触下，若停止电动推杆前进的电信号出现延迟，则会导致电动推杆或装填筒受压过大损坏；而设置了缓冲杆后，压板与装填筒固定牢固后，还有一段缓冲时间可供信号传递，进而给电动推杆提供充足的变向运行时间。
进一步地，料箱的底部设置有长度与装填筒长度相适配的下料口，料箱的底部邻近下料口的两侧设置有振动器；下料口上沿出料方向依次设置有滤网和开合封板。
振动器的作用是保障料箱中的土壤在机械震动下能够顺利落入装填筒中，滤网的作用为防止结块土壤落入装填筒中，造成装填筒内土壤在后续压制过程中密度不均。
进一步地，传输装置包括推动装填筒移动的推板和为所述推板供能的传动带轮组。
传输装置的作用是将装填筒从装填区转移至压实区。
进一步地，测试器包括支持通量器测试作业的测试装置，测试装置包括实验架和污染源筒；实验架上设置有若干承接通量器的二级支架；污染源筒与装填筒的形状相适配，且在安装端设置有固定节和栅格。
有机物气体扩散实验时，将通量器沿竖直方向安装在二级支架上，将污染源筒通过固定节拆卸连接在通量器的底部，进而保证污染源筒中的有机物挥发气体能够通过栅格渗入装填筒的土壤中。
进一步地，通量器上设置空腔筒，所述空腔筒的一端设置有气体取样口的盖板，另一端设置有固定节。
通过开启/关闭盖板上的气体取样口1111，能够实现通量器11内压与外界的连通/阻断。
进一步地，气体取样口和土壤取样口上均设置有密封帽，密封帽包括圆柱型的主体，主体的一端为挂钩，另一端为限位阶。
密封帽的作用是密封气体取样口和土壤取样口，装填土壤、压制土柱阶段，土壤从装填筒中漏出。
进一步地，装填区和压实区的交界处，与装填筒的U型结构的缺口平齐高度上设置有刮板。
刮板的作用是刮除入料阶段，装填筒内承接的多余土壤；经刮板刮除后，装填筒内的土壤高度与装填筒的U型结构的缺口高度平齐，挂下的土壤会落入收集箱中。
2、测试器测试有机物扩散系数的方法
S1、压制准备
向料箱311中装填实验土壤，根据实验需求在需要数量的传输轨道312上架设需要数量的装填筒11，并在对应的电磁吸板2212上吸附同样数量的压板12；
根据实验需求设置二级槽11311的开启数量，以得到不同密度的土柱；
根据实验需求制备不同浓度的有机物污染源，并填充进不同的污染源筒42中；
S2、压制土柱
开启料箱311上的振动器3113，并打开下料口3111处的开合封板3112，实验土壤经滤网3114落入下方的装填筒11中；
待装填筒11中土壤溢出后关闭开合封板3112，并通过传输装置21将装填筒11送向承压槽321，在传输过程中，多余土壤会被刮板213刮除落入收集箱313；
待装填筒11完全进入承压槽321后，开启电动推杆2211，迫使吸附在电磁吸板2212上的压板12压入装填筒11的内腔中；
当压板12上的回弹式卡扣1211与预先设置好的二级槽11311卡接后，电动推杆2211的继续推进会使缓冲杆222内的压力传感器2223受压快速增大，处理器接受信号后控制电动推杆2211回缩；此时因为压板12与二级槽11311固定，在电动推杆2211的回缩过程中，压板12与电磁吸板2212被迫分离，至此完成特定密度土柱的压制；
S3、测试准备
将装填好土柱的多个通量器1安装在实验架41的二级支架411上，并将准备好的多个污染源筒42按照实验需求接在各个通量器1底部，将封堵板113从装填筒11中抽出；
测试安装完成后的各个通量器1的气密性；
S4、有机物气体扩散实验
非稳定状态下的气体采样：有机物气体扩散实验期间，保持盖板431上的气体取样口1111与外界大气连通，设置采样深度和采样时间间隔；
稳定状态下的气体采样：有机物气体扩散实验持续实验需求时间后，密封盖板431上的气体取样口1111，并将此刻记为0时，设置采样时间间隔从盖板431上的气体取样口1111采样；
S5、有机物气体分析
步骤S4中的有机物气体采集完成后，使用GC-FID分析；
S6、计算有机物气体扩散系数
在有机物气体扩散的稳态阶段，采用通量拟合的方式计算有机物气体的扩散系数：
式中：Flux为扩散通量，αCa/αZ为气相浓度梯度，Ca为气相中污染物浓度。
与现有的用以测试土壤中有机物气体扩散系统的装置和方法物相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明设计的测试器，通过将用于测试的通量器的“竹节式”填充土壤方式改进为“侧方均匀”填充土壤方式，解决了长期以来传统通量器内实验土壤具有明显密度差的问题，从而提高了测试有机物气体扩散系数的数据精度。
(2)本发明设计的测试方法，通过通量拟合的计算方法，得到了比经验模型和浓度拟合方法更贴近实际测试值的预测结果，证明了本发明设计的设计的测试方法能够准确计算VOCs在包气带土壤中的扩散系数。
附图说明
图1是本发明设计测试器的结构爆炸图；
图2是本发明设计装填筒的结构示意图；
图3是本发明设计填筒的局部放大示意图；
图4是本发明设计装填筒在压实状态下的结构示意图；
图5是本发明设计连接扣的结构示意图；
图6是本发明设计缓冲杆的结构示意图；
图7是本发明设计空腔筒的结构示意图；
图8是本发明设计污染源筒的结构示意图；
图9是本发明设计密封帽的结构示意图；
图10是本发明设计测试装置的结构示意图；
图11是本发明设计通量器、空腔筒和污染源筒组装后的结构示意图。
图中：
1-通量器、11-装填筒、111-侧板、1111-气体取样口、1112-土壤取样口、112-弧形板、113-封堵板、1131-卡槽、11311-二级槽、11312-封堵条、11313-阻动纹、114-滑槽、12-压板、121-连接扣、1211-回弹式卡扣、1212-第一弹簧、1213-复位杆、13-密封帽、131-挂钩、132-限位阶；
2-装填机构；21-传输装置、211-推板、212-传动带轮组、213-刮板、22-施压装置、221-施压头、2211-电动推杆、2212-电磁吸板、222-缓冲杆、2221-滑道、2222-隔片、2223-压力传感器、2224-第二弹簧、2225-线路槽；
3-底座；31-装填区；311-料箱；3111-下料口、3112-开合封板、3113-振动器、3114-滤网、312-传输轨道；313-收集箱；32-压实区；321-承压槽；
4-测试装置、41-实验架、411-二级支架、42-污染源筒、421-固定节、422-栅格、43-空腔筒、431-盖板。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的方式和取得的效果，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚和完整地描述。
实施例1
实施例1主要目的是阐述本发明设计的测试器的具体结构，内容如下：
参见图1、2，本发明设计的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，包括通量器1，向通量器1装填介质的装填机构2，以及作为结构支撑的底座3；
通量器1包括装填筒11和压板12；装填筒11垂直于中心轴线的横截面为U型，压板12能够拆卸连接在通量器1的U型结构的缺口处；
装填筒11是由弧形板112，两个设置在弧形板112侧沿上且相互平行的侧板111，以及设置在装填筒11两端且相互平行的封堵板113组成；其中一个侧板111上等间隔设置有气体取样口1111，另一个侧板上间隔设置有土壤取样口1112；
底座3包括相邻的装填区31和压实区32；装填区31由下而上依次设置有收集箱313、传输轨道312和料箱311；压实区32内与传输轨道312高度平齐的位置上设置有与装填筒11形状形适配的承压槽321；
装填机构2包括传输装置21和施压装置22；传输装置21位于传输轨道312和承压槽321的连接处，能够驱动装填筒11由传输轨道312进入承压槽321中；施压装置22位于承压槽321上方，且设置有装填筒11内腔形状相适配的施压头221，能够通过竖直驱动施压头221从而向装填筒11内腔施压。
具体参见图3，装填筒11的两个端口处垂直于中心轴线均设置有滑槽114，封堵板113能够滑动连接在滑槽114内，实现对装填筒11两个端口的封堵和开放。
封堵板113与滑槽114二者的接触面上均设置有防滑纹，进而保证在装填阶段，封堵板113不会因自重从滑槽114中滑出，也能够保证后续实验阶段，抽出的封堵板113不会掉落。
具体的，侧板111远离装填筒11内腔的一侧设置有卡槽1131，卡槽1131沿竖直方向等间隔设置有三个间隔8mm的二级槽11311，每个二级槽11311上均设置有封堵条11312，封堵条11312能通过与之接触的阻动纹11313实现制动。
卡槽1131的主要作用是在物理结构层面限制压板12的下压深度，从而能够通过开启不同深度的二级槽11311得到不同压制密度的土柱，这样得到的土柱密度和透气性精度高，避免了使用传感器控制压制压力时信号延迟导致的误差。
具体参见图5，压板12的两端设置设置有与侧板111上的卡槽1131位置相对的连接扣121；连接扣121邻近侧板111的一侧设置有由第一弹簧1212供能、且与二级槽11311形状相适配的回弹式卡扣1211；连接扣121远离侧板111的一侧设置有复位杆1213，复位杆1213贯穿连接扣121、且经第一弹簧1212内腔与回弹式卡扣1211连接。
在压制土柱阶段，随着压板12的下压，压板12上的回弹式卡扣1211嵌入设置好深度的二级槽11311中，从而固定压板12在装填筒11中的深度；当实验完成需要更改压制土柱的密度时进行别组实验时，可以通过复位杆1213拉动回弹式卡扣1211复位，进而从装填筒11上拆卸下压板12，最后进行清洗作业。
具体参见图1和图6，施压头221由电动推杆2211和电磁吸板2212构成；电动推杆2211的底部滑动套接有缓冲杆222；缓冲杆222内腔侧壁上通过滑道2221滑动连接有隔片2222，隔片2222上邻近缓冲杆222内腔底部的一侧设置有压力传感器2223，隔片2222上远离缓冲杆222内腔底部的一侧通过第二弹簧2224与电动推杆2211连接；缓冲杆222的侧壁上开设有与滑道2221相连通的线路槽2225。
缓冲杆222的作用是避免电动推杆2211和装填筒11刚性接触，在刚性接触下，若停止电动推杆2211前进的电信号出现延迟，则会导致电动推杆2211或装填筒11受压过大损坏；而设置了缓冲杆222后，压板12与装填筒11固定牢固后，还有一段缓冲时间可供信号传递，进而给电动推杆2211提供充足的变向运行时间。
具体参见图1，料箱311的底部设置有长度与装填筒11长度相适配的下料口3111，料箱311的底部邻近下料口3111的两侧设置有振动器3113；下料口3111上沿出料方向依次设置有滤网3114和开合封板3112。
振动器3113的作用是保障料箱311中的土壤在机械震动下能够顺利落入装填筒11中，滤网3114的作用为防止结块土壤落入装填筒11中，造成装填筒11内土壤在后续压制过程中密度不均。
具体的，传输装置21包括推动装填筒11移动的推板211和为所述推板211供能的传动带轮组212。
传输装置21的作用是将装填筒11从装填区31转移至压实区32。
具体参见图10、11，测试器包括支持通量器1测试作业的测试装置4，测试装置4包括实验架41和污染源筒42；实验架41上设置有若干承接通量器1的二级支架411；参见图8，污染源筒42与装填筒11的形状相适配，且在安装端设置有固定节421和栅格422。
有机物气体扩散实验时，将通量器1沿竖直方向安装在二级支架411上，将污染源筒42通过固定节421拆卸连接在通量器1的底部，进而保证污染源筒42中的有机物挥发气体能够通过栅格422渗入装填筒11的土壤中。
具体参见图7，通量器1上设置空腔筒43，所述空腔筒43的一端设置有气体取样口1111的盖板131，另一端设置有固定节421。
通过开启/关闭盖板431上的气体取样口1111，能够实现通量器11内压与外界的连通/阻断。
具体参见9，气体取样口1111和土壤取样口1112上均设置有密封帽13，密封帽13包括圆柱型的主体141，主体141的一端为挂钩131，另一端为限位阶132。
密封帽13的作用是密封气体取样口1111和土壤取样口1112，装填土壤、压制土柱阶段，土壤从装填筒11中漏出。
具体参见图1，装填区31和压实区32的交界处，与装填筒11的U型结构的缺口平齐高度上设置有刮板213。
刮板213的作用是刮除入料阶段，装填筒11内承接的多余土壤；经刮板213刮除后，装填筒11内的土壤高度与装填筒11的U型结构的缺口高度平齐，挂下的土壤会落入收集箱313中。
实施例2
实施例2的叙述基础为实施例1中记载方案，旨在阐述本发明设计的测试器测试有机物扩散系数的方法，步骤如下：
S1、压制准备
向料箱311中装填实验土壤，根据实验需求在需要数量的传输轨道312上架设需要数量的装填筒11，并在对应的电磁吸板2212上吸附同样数量的压板12；
根据实验需求设置二级槽11311的开启数量，以得到不同密度的土柱；
根据实验需求制备不同浓度的有机物污染源，并填充进不同的污染源筒42中；
S2、压制土柱
开启料箱311上的振动器3113，并打开下料口3111处的开合封板3112，实验土壤经滤网3114落入下方的装填筒11中；
待装填筒11中土壤溢出后关闭开合封板3112，并通过传输装置21将装填筒11送向承压槽321，在传输过程中，多余土壤会被刮板213刮除落入收集箱313；
待装填筒11完全进入承压槽321后，开启电动推杆2211，迫使吸附在电磁吸板2212上的压板12压入装填筒11的内腔中；
当压板12上的回弹式卡扣1211与预先设置好的二级槽11311卡接后，电动推杆2211的继续推进会使缓冲杆222内的压力传感器2223受压快速增大，处理器接受信号后控制电动推杆2211回缩；此时因为压板12与二级槽11311固定，在电动推杆2211的回缩过程中，压板12与电磁吸板2212被迫分离，至此完成特定密度土柱的压制；
S3、测试准备
将装填好土柱的多个通量器1安装在实验架41的二级支架411上，并将准备好的多个污染源筒42按照实验需求接在各个通量器1底部，将封堵板113从装填筒11中抽出；
测试安装完成后的各个通量器1的气密性；
S4、有机物气体扩散实验
非稳定状态下的气体采样：有机物气体扩散实验期间，保持盖板431上的气体取样口1111与外界大气连通，设置采样深度和采样时间间隔；
稳定状态下的气体采样：有机物气体扩散实验持续实验需求时间后，密封盖板431上的气体取样口1111，并将此刻记为0时，设置采样时间间隔从盖板431上的气体取样口1111采样；
S5、有机物气体分析
步骤S4中的有机物气体采集完成后，使用GC-FID分析；
S6、计算有机物气体扩散系数
在有机物气体扩散的稳态阶段，采用通量拟合的方式计算有机物气体的扩散系数：
式中：Flux为扩散通量，αCa/αZ为气相浓度梯度，Ca为气相中污染物浓度。
试验例
本实验例的叙述基础为实施例1中记载的测试其和试试2中记载的测试方法，旨在阐明本发明在实际检测中的效果。
1、试验装置准备
装填筒11的两个侧板111的间距为100mm，装填筒11的总长度为1000mm；污染源筒42的高度为300mm；空腔筒43的高度为100mm。
弧形板112的材质为强化有机玻璃，侧板111的材质为不锈钢，污染源筒42和空腔筒43的材质均为PVC。
以一侧侧板111的一端封堵板113的位置记为“0”深度，距该封堵板113300mm，600mm，1000mm处分别设置气体取样口1111；以另一侧侧板111的一端封堵板113的位置记为“0”深度，距该封堵板113 450mm，750mm处分别设置土壤取样口1112。
2、试验土壤准备
在本试验例中，使用石英砂作为试验土壤；使用去离子水、石英砂和甲苯的混合物作为污染土壤。
按照表1中的参数设置四组不同含水率和甲苯含量的污染土壤。
表1污染土壤的参数
3、土壤中挥发的有机物气体分析方法
当采用实施例2中的有机物气体扩散实验方案采集完气体样本后，采用GC-FID(7894A，Agilent，USA)立即分析气体样本。
4、有效扩散系数计算方法
在本次试验例中，采用三种方法计算有机物气体的扩散系数，以此比较不同计算方法间的优劣。
4.1、经验模型
Millington and Quirk模型是目前有效扩散系数预测应用最广泛的模型，其表达式如下：
式中：Deff为有效扩散系数，Da为空气重的扩散系数，θa为多孔介质中气相体积含率，θ为多孔介质的总孔隙度。
4.2、浓度拟合
(1)若土柱为干燥体系，则甲苯在多孔介质中可视为保守组分。一维迁移扩散方程为：
式中：Ca为气相中污染物浓度，t为迁移时间，x为迁移距离。
初始条件：
I.C.t＝0,Ca＝0
B.C.x＝0,Ca＝Ca,0
x＝L,Ca＝0
其解析解为：
在甲苯迁移的非稳态阶段，通过记录气相浓度的增长动态，再结合迁移方程的解析解即可对有效扩散系数Deff进行回归计算。
(2)若土柱为含水体系，则甲苯在多孔介质中为非保守性组分，其扩散过程受到相间(水相和固相)分配的影响，同时由于甲苯溶解度较大，会受到明显的阻滞作用。考虑VOCs在土壤孔隙的扩散缓慢进行，采用局部平衡理论，引入阻滞系数Ra对迁移公式进行修正：
式中：Ra为阻滞系数，θw为多孔介质中水相体积含率，H：亨利常数，ρ为容重，Kd为溶解相与固相的分配系数。
考虑在含水体系中甲苯的阻滞作用后，仍可采用与干燥条件下类似的方法得出非保守性污染物在土壤气相的有效扩散系数。
4.3、通量拟合
在甲苯迁移的稳态阶段，扩散通量(Flux)为单位时间、单位面积内，甲苯扩散到大气中的质量。
根据菲克定律：
式中：Flux为扩散通量；
为气相浓度梯度。
5、数据统计分析
浓度拟合方法利用非稳态扩散时，1#与3#气体采样口甲苯浓度随时间变化进行拟合。
通量拟合方法利用稳态扩散时，顶空部分浓度随时间变化计算甲苯扩散通量，利用1#与3#气体采样口之间浓度随深度变化计算气相浓度梯度
6、试验结果
表2不同方法计算有效扩散系数结果
如表2所示，随含水率增加，经验模型与通量拟合所得的有效扩散系数逐渐减小(对比Sw＝5.31％与Sw＝0％，两种方法拟合所得结果均存在一个数量级的差距)。土壤水分增加使土壤有效孔隙度减小，进而减小了VOCs在多孔介质中穿越的截面积，增加了平均迁移距离，使阻滞系数Ra增大。不同含水率之间，浓度拟合所得结果之间并无明显差异。研究发现，浓度拟合获得有效扩散系数这种方法本身存在一定缺陷，它无法解释VOCs吸附到土壤表面，在颗粒微孔内的扩散，溶解在土壤水中和其它影响瞬时行为的过程。
综上，有效扩散系数总体上随含水率增加而降低，浓度拟合结果差异不明显。对比模型预测结果与实测值，通量拟合预测模型与实测浓度剖面最吻合，浓度拟合次之，经验公式最差。经验模型所得有效扩散系数分别是浓度拟合和通量拟合结果的1.73～3.25倍和3.71～9.86倍，且随含水率增加，差异逐渐变大。
Claims (10)
1.一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述测试器包括通量器(1)，向所述通量器(1)装填介质的装填机构(2)，以及作为结构支撑的底座(3)；
所述通量器(1)包括装填筒(11)和压板(12)；所述装填筒(11)垂直于中心轴线的横截面为U型，所述压板(12)能够拆卸连接在通量器(1)的U型结构的缺口处；
所述装填筒(11)是由弧形板(112)，两个设置在所述弧形板(112)侧沿上且相互平行的侧板(111)，以及设置在装填筒(11)两端且相互平行的封堵板(113)组成；其中一个侧板(111)上等间隔设置有气体取样口(1111)，另一个侧板上间隔设置有土壤取样口(1112)；
所述底座(3)包括相邻的装填区(31)和压实区(32)；所述装填区(31)由下而上依次设置有收集箱(313)、传输轨道(312)和料箱(311)；所述压实区(32)内与传输轨道(312)高度平齐的位置上设置有与装填筒(11)形状形适配的承压槽(321)；
所述装填机构(2)包括传输装置(21)和施压装置(22)；所述传输装置(21)位于传输轨道(312)和承压槽(321)的连接处，能够驱动装填筒(11)由传输轨道(312)进入承压槽(321)中；所述施压装置(22)位于承压槽(321)上方，且设置有装填筒(11)内腔形状相适配的施压头(221)，能够通过竖直驱动施压头(221)从而向装填筒(11)内腔施压。
2.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述装填筒(11)的两个端口处垂直于中心轴线均设置有滑槽(114)，所述封堵板(113)能够滑动连接在所述滑槽(114)内，实现对装填筒(11)两个端口的封堵和开放。
3.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述侧板(111)远离装填筒(11)内腔的一侧设置有卡槽(1131)，所述卡槽(1131)沿竖直方向等间隔设置有若干二级槽(11311)，每个二级槽(11311)上均设置有封堵条(11312)，所述封堵条(11312)能通过与之接触的阻动纹(11313)实现制动。
4.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述压板(12)的两端设置设置有与侧板(111)上的卡槽(1131)位置相对的连接扣(121)；
所述连接扣(121)邻近侧板(111)的一侧设置有由第一弹簧(1212)供能、且与二级槽(11311)形状相适配的回弹式卡扣(1211)；
所述连接扣(121)远离侧板(111)的一侧设置有复位杆(1213)，所述复位杆(1213)贯穿连接扣(121)、且经第一弹簧(1212)内腔与回弹式卡扣(1211)连接。
5.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述施压头(221)由电动推杆(2211)和电磁吸板(2212)构成；所述电动推杆(2211)的底部滑动套接有缓冲杆(222)；
所述缓冲杆(222)内腔侧壁上通过滑道(2221)滑动连接有隔片(2222)，所述隔片(2222)上邻近缓冲杆(222)内腔底部的一侧设置有压力传感器(2223)，所述隔片(2222)上远离缓冲杆(222)内腔底部的一侧通过第二弹簧(2224)与电动推杆(2211)连接；
所述缓冲杆(222)的侧壁上开设有与滑道(2221)相连通的线路槽(2225)。
6.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述料箱(311)的底部设置有长度与装填筒(11)长度相适配的下料口(3111)，料箱(311)的底部邻近下料口(3111)的两侧设置有振动器(3113)；所述下料口(3111)上沿出料方向依次设置有滤网(3114)和开合封板(3112)。
7.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述传输装置(21)包括推动装填筒(11)移动的推板(211)和为所述推板(211)供能的传动带轮组(212)。
8.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述测试器包括支持通量器(1)测试作业的测试装置(4)，所述测试装置(4)包括实验架(41)和污染源筒(42)；
所述实验架(41)上设置有若干承接通量器(1)的二级支架(411)；
所述污染源筒(42)与装填筒(11)的形状相适配，且在安装端设置有固定节(421)和栅格(422)；
当所述通量器(1)沿竖直方向安装在二级支架(411)上时，所述污染源筒(42)能够通过固定节(421)拆卸连接在通量器(1)的底部。
9.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器，其特征在于，所述通量器(1)上设置空腔筒(43)，所述空腔筒(43)的一端设置有气体取样口(1111)的盖板(131)，另一端设置有固定节(421)。
10.如权利要求1所述的一种提高有机物扩散系数测试精度的测试器的测试方法，其特征在于，测试有机物扩散系数的步骤如下：
S1、压制准备
向料箱(311)中装填实验土壤，根据实验需求在需要数量的传输轨道(312)上架设需要数量的装填筒(11)，并在对应的电磁吸板(2212)上吸附同样数量的压板(12)；
根据实验需求设置二级槽(11311)的开启数量，以得到不同密度的土柱；
根据实验需求制备不同浓度的有机物污染源，并填充进不同的污染源筒(42)中；
S2、压制土柱
开启料箱(311)上的振动器(3113)，并打开下料口(3111)处的开合封板(3112)，实验土壤经滤网(3114)落入下方的装填筒(11)中；
待装填筒(11)中土壤溢出后关闭开合封板(3112)，并通过传输装置(21)将装填筒(11)送向承压槽(321)，在传输过程中，多余土壤会被刮板(213)刮除落入收集箱(313)；
待装填筒(11)完全进入承压槽(321)后，开启电动推杆(2211)，迫使吸附在电磁吸板(2212)上的压板(12)压入装填筒(11)的内腔中；
当压板(12)上的回弹式卡扣(1211)与预先设置好的二级槽(11311)卡接后，电动推杆(2211)的继续推进会使缓冲杆(222)内的压力传感器(2223)受压快速增大，处理器接受信号后控制电动推杆(2211)回缩；此时因为压板(12)与二级槽(11311)固定，在电动推杆(2211)的回缩过程中，压板(12)与电磁吸板(2212)被迫分离，至此完成特定密度土柱的压制；
S3、测试准备
将装填好土柱的多个通量器(1)安装在实验架(41)的二级支架(411)上，并将准备好的多个污染源筒(42)按照实验需求接在各个通量器(1)底部，将封堵板(113)从装填筒(11)中抽出；
测试安装完成后的各个通量器(1)的气密性；
S4、有机物气体扩散实验
非稳定状态下的气体采样：有机物气体扩散实验期间，保持盖板(131)上的气体取样口(1111)与外界大气连通，设置采样深度和采样时间间隔；
稳定状态下的气体采样：有机物气体扩散实验持续实验需求时间后，密封盖板(131)上的气体取样口(1111)，并将此刻记为0时，设置采样时间间隔从盖板(131)上的气体取样口(1111)采样；
S5、有机物气体分析
步骤S4中的有机物气体采集完成后，使用GC-FID分析；
S6、计算有机物气体扩散系数
在有机物气体扩散的稳态阶段，采用通量拟合的方式计算有机物气体的扩散系数：
式中：Flux为扩散通量，αCa/αZ为气相浓度梯度，Ca为气相中污染物浓度。
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