一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统及方法技术方案

一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统及方法，实验系统包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置；该纳米材料配制装置包括材料配制箱；该注入装置包括气动隔膜泵、空压机及注入井；该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱；该监测装置包括监测井、水质监测探头及监测仪。通过所述纳米材料配制装置制得所需种类及浓度的纳米材料悬浮液，在运移模拟装置中装填含水层介质，埋入注入井及监测井，利用气动隔膜泵作为输送机械，将该纳米材料悬浮液通过注入井输送至该长方体箱内模拟的含水层介质中；通过对埋入的监测井取样，并通过监测井中的探头对水质进行在线监测，实现对纳米材料运移及水化学组分变化的监测。

An experimental system and method for the injection of the in-situ aquifer of nanomaterials

An experimental system for aquifer injection and method of in situ nano materials, the experimental system including nano material preparation device, device and monitoring device simulator, migration injection; the nano material preparation device comprises the material box; the injection device comprises a pneumatic diaphragm pump, air compressor and injection well; the transport simulation device comprises an analog waste recycling box mechanism and a water supply mechanism, migration; the monitoring device includes monitoring wells, water quality monitoring probe and monitor. Nano material suspension by the nano material preparation device to prepare the required type and concentration, in the transport simulation device filled aquifer, embedded injection wells and monitoring wells, the use of gas as a transportation machinery pneumatic diaphragm pump, the nano material suspension through injection well transmission to the simulation of rectangular box aquifer medium; the sampling and monitoring wells in the probe and by monitoring wells in the on-line monitoring of water quality, realize the monitoring of the nano material migration and the changes of chemical components of water.

【技术实现步骤摘要】
一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统及方法
本专利技术属于地下水污染修复
，特别涉及一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统及方法。
技术介绍
地下水是我国重要的饮用水源，近些年来，随着人口增长和社会经济的高速发展，我国地下水的污染问题日益突出，地下水受到污染后缺乏高效的水体修复技术是地下水安全性面临的主要问题之一。为加快落实生态文明建设，积极应对日益严峻的地下水污染问题，国家相继出台了《全国地下水污染防治规划(2011-2020年)》和《水污染防治行动计划》等一系列地下水污染防治的纲领性文件，明确提出要研发、集成应用和综合示范一批地下水污染修复关键技术、材料与成套装备，为地下水污染防治提供科技支撑。目前，针对地下水污染修复的技术很多，涉及物理、化学和生物等修复方法，并发展了如抽出-处理、渗透反应墙、地下水曝气、化学氧化/还原等修复技术。纳米材料原位含水层注入是目前国际上新发展的修复技术，由于纳米材料的天然优势(比表面积大，表面能高、活性强)，它几乎可以实现绝大多数无机、有机及重金属污染物的去除，对于去除多种难降解的氯代烃、还原和固定重金属污染物具有非常好的效果，其去除污染物的反应时间更短、速率更快且更彻底，已经成为当前重污染地下水修复的主要技术之一。但是，实际环境中，地下水具有复杂的化学组分和缓慢的流动过程，以及纳米材料自身运移的复杂性，都会对纳米材料在含水层中的有效运移和扩散造成影响。由于纳米材料在含水层介质中的运移和它对污染物的去除机理均比较复杂，尚有许多问题有待解决，这也是限制该技术在污染场地实际应用的原因之一。目前大多学者主要通过室内批实验和一维柱实验研究纳米材料对某些重金属、无机离子或有机卤化物等的去除效果，并取得了一定成果。但是相关研究设计的实验条件较为单一，且多为静态实验，缺乏较大尺度的二维或三维的纳米材料原位含水层注入实验研究。因此，设计合理的纳米材料原位含水层注入装置，并开展纳米材料在含水层中的运移以及其在含水层中对污染物的去除实验研究，可为纳米材料注入修复技术提供理论支撑。由于缺乏相应的实验模拟装置和模拟方法，导致这类修复技术的实施还存在极大困难。现有技术公开的中国专利未见到相应的纳米材料原位含水层注入的实验平台及模拟试验方法。已有的地下水动态或修复模拟装置均无法完整地实现从纳米材料制备到含水层注入、再到原位监测的全过程，导致模拟装置缺乏整体性；其次，所需注入的纳米材料制备过程和地下水的动态模拟均需要对实验条件精细控制，野外实验的条件和数据采集往往难以实现。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统及方法，可以针对实际不同地下水环境条件开展重复模拟实验研究，且时间短、效果好、经济性好、不会产生二次污染的风险，为实际污染场地开展原位注入修复提供科学依据。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案：一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，它包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置；该纳米材料配制装置包括材料配制箱，该材料配制箱上部设有可掀起或扣合的第一密封盖，该第一密封盖布设有第一进气管、加液管、搅拌器、加热棒和加药口；该第一进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该材料配制箱下部设有带控制阀的第一出水口；该注入装置包括气动隔膜泵、空压机及注入井；该气动隔膜泵的进液口与该第一出水口相连，出液口通过带控制阀和流量计的管路与该注入井连接；该气动隔膜泵的进气口通过空气管与该空压机的输气口连接；该注入井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；该注入井上端与该气动隔膜泵连接的管路上设有逆止阀；该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱；该供水机构包括储水箱，该储水箱上部设有可掀起或扣合的第二密封盖，该第二密封盖布设有进水管、第二进气管、第一水质监测探头；该第二进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该运移模拟机构包括长方体箱，填充有含水层介质；该长方体箱一侧上方设有进水口，该进水口与该储水箱底部的第二出水口通过带有控制阀和蠕动泵的管路连接；该长方体箱另一侧设有第三出水口，与该废液回收箱通过带控制阀的管路连接；该注入井插设于该长方体箱的顶面，并靠近该进水口，底端与该长方体箱底面接触；该监测装置包括监测井、第二水质监测探头及水质监测仪；该监测井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；多个该监测井插设于该长方体箱的顶面，底端与该长方体箱底面接触；各监测井中布设有能在线监测水质参数的第二水质监测探头，该第一水质监测探头和各第二水质监测探头均连接至该水质监测仪。进一步的，所述长方体箱的进水口和第三出水口内侧均设有配水板，该配水板布设有通孔，该配水板与该长方体箱侧壁之间填充有石英砂。进一步的，所述监测装置还包括地下水取样器，预先设于监测井内，用于不同时段采集地下水样。进一步的，所述注入井和监测井的管径为50mm，长度为550mm，所述注入井和监测井下部开设的小孔孔径为2mm，每列小孔中心间距为10mm。进一步的，所述监测井布设于所述注入井上下游，为6排共计18个，各排与所述长方体箱设有进水口的侧壁之间的间距依次为150mm、350mm、450mm、550mm、750mm、950mm，且每排设有3个间距为200mm的监测井。进一步的，所述第二水质监测探头为集成探头，包括pH、溶解氧、氧化还原电位、电导率、水温及水位监测探头中的一种或多种。进一步的，所述材料配制箱为不锈钢的箱体，尺寸为：长200mm，宽200mm，高200mm；所述储水箱为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长400mm，宽400mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管；所述长方体箱为有机玻璃板的箱体，尺寸为：长1100mm，宽600mm，高500mm，并且四周设有用于加固支撑的不锈钢方管。进一步的，所述进水口和第三出水口均位于所述长方体箱的中轴线上，且该第三出水口的数目为3个，位于不同高度，并设有可控制流量的阀门。一种利用上述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统的方法，它包括下列步骤：a、通过所述纳米材料配制装置制得所需种类及浓度的纳米材料悬浮液，并密封保存；b、在运移模拟装置的长方体箱中装填所需模拟的含水层介质，同时埋入注入井及监测井，通过进水口及不同高度的第三出水口实现地下水流场控制，通过蠕动泵持续供水实现地下水流动系统的模拟；c、通过空压机采用压缩空气为动力源，利用气动隔膜泵作为输送机械，将该纳米材料悬浮液通过注入井输送至该长方体箱内模拟的含水层介质中；d、通过对埋入监测井中的地下水取样器取样，并通过监测井中的第二水质监测探头对水质进行在线监测，实现对纳米材料运移及水化学组分变化的监测。进一步的，所述步骤a包括以下步骤：将固相纳米铁或纳米锌或纳米碳粉通过加药口装入材料配制箱，通过配有控制阀的加液管向该材料配制箱中加入悬浮液，通过加热棒保证反应体系温度，通过第一进气管通入氮气驱氧或通入氧气增氧，实现配制纳米材料所需液相的氧化或还原环境，并通过搅拌器实现纳米材料和悬浮液的混合均匀，密封保存。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供了一套完整的可用于多种纳米材料制备、含水层本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于，它包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置；该纳米材料配制装置包括材料配制箱，该材料配制箱上部设有可掀起或扣合的第一密封盖，该第一密封盖布设有第一进气管、加液管、搅拌器、加热棒和加药口；该第一进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该材料配制箱下部设有带控制阀的第一出水口；该注入装置包括气动隔膜泵、空压机及注入井；该气动隔膜泵的进液口与该第一出水口相连，出液口通过带控制阀和流量计的管路与该注入井连接；该气动隔膜泵的进气口通过空气管与该空压机的输气口连接；该注入井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；该注入井上端与该气动隔膜泵连接的管路上设有逆止阀；该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱；该供水机构包括储水箱，该储水箱上部设有可掀起或扣合的第二密封盖，该第二密封盖布设有进水管、第二进气管、第一水质监测探头；该第二进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该运移模拟机构包括长方体箱，填充有含水层介质；该长方体箱一侧上方设有进水口，该进水口与该储水箱底部的第二出水口通过带有控制阀和蠕动泵的管路连接；该长方体箱另一侧设有第三出水口，与该废液回收箱通过带控制阀的管路连接；该注入井插设于该长方体箱的顶面，并靠近该进水口，底端与该长方体箱底面接触；该监测装置包括监测井、第二水质监测探头及水质监测仪；该监测井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；多个该监测井插设于该长方体箱的顶面，底端与该长方体箱底面接触；各监测井中布设有能在线监测水质参数的第二水质监测探头，该第一水质监测探头和各第二水质监测探头均连接至该水质监测仪。...

【技术特征摘要】
1.一种用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于，它包括纳米材料配制装置、注入装置、运移模拟装置和监测装置；该纳米材料配制装置包括材料配制箱，该材料配制箱上部设有可掀起或扣合的第一密封盖，该第一密封盖布设有第一进气管、加液管、搅拌器、加热棒和加药口；该第一进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该材料配制箱下部设有带控制阀的第一出水口；该注入装置包括气动隔膜泵、空压机及注入井；该气动隔膜泵的进液口与该第一出水口相连，出液口通过带控制阀和流量计的管路与该注入井连接；该气动隔膜泵的进气口通过空气管与该空压机的输气口连接；该注入井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；该注入井上端与该气动隔膜泵连接的管路上设有逆止阀；该运移模拟装置包括供水机构、运移模拟机构和废液回收箱；该供水机构包括储水箱，该储水箱上部设有可掀起或扣合的第二密封盖，该第二密封盖布设有进水管、第二进气管、第一水质监测探头；该第二进气管分别通过带控制阀的气体管路连接氮气瓶和氧气瓶；该运移模拟机构包括长方体箱，填充有含水层介质；该长方体箱一侧上方设有进水口，该进水口与该储水箱底部的第二出水口通过带有控制阀和蠕动泵的管路连接；该长方体箱另一侧设有第三出水口，与该废液回收箱通过带控制阀的管路连接；该注入井插设于该长方体箱的顶面，并靠近该进水口，底端与该长方体箱底面接触；该监测装置包括监测井、第二水质监测探头及水质监测仪；该监测井为PPR材料的管体，该管体下端沿圆周对称开设有小孔，并用不锈钢纱网包裹；多个该监测井插设于该长方体箱的顶面，底端与该长方体箱底面接触；各监测井中布设有能在线监测水质参数的第二水质监测探头，该第一水质监测探头和各第二水质监测探头均连接至该水质监测仪。2.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述长方体箱的进水口和第三出水口内侧均设有配水板，该配水板布设有通孔，该配水板与该长方体箱侧壁之间填充有石英砂。3.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述监测装置还包括地下水取样器，设于所述监测井内。4.根据权利要求1所述的用于纳米材料原位含水层注入的实验系统，其特征在于：所述注入井和监测井的管径为50mm，长度为550mm，所述注入井的下部开设的小孔的孔径为2mm，每列小孔中心间距为10mm。...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔祥科，王平，韩占涛，李春辉，张威，王妍妍，马丽莎，
申请(专利权)人：中国地质科学院水文地质环境地质研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13