一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置及方法，该装置包括水平放置的扩散室，所述扩散室的一侧通过连接螺栓连接样品座，所述样品座里面设置有土样，所述扩散室上设置有氮气进气口和出气口，所述扩散室里面安装有氧气传感器。本发明专利技术能够简单高效地测定气体在土体中的扩散系数，并且测定结果更加精确。

A Simple Device and Method for Measuring Gas Diffusion Coefficient in Soil

【技术实现步骤摘要】
一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置及方法
：本专利技术涉及一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置及方法，属于土木与环境工程的

技术介绍
：孔隙介质中流体运移研究在水文、地质、生物、生态环境、油气开采、化学工程及膜工程等领域有着非常重要的意义，因而受到人们的广泛关注。土体是最常见的孔隙介质，土体中的气体运移就是最普通也是存在最广泛的孔隙介质流之一。研究土体中气体运动规律对于改善土壤生态环境、提高农业生产效率、防治土体侵蚀和盐渍化、防止地下水污染、合理布局垃圾填埋场的覆盖层等实际工程非常重要。土体空气来自于大气，是土体的重要组成部分，存在于土体孔隙中，并不断的在土体孔隙中运动，同时与大气进行气体交换。由于空气与水分共同存在于土体孔隙中，土体水分的变化必然导致土体中空气含量的变化，进而影响到土体的通气状况。而土体空气的交换主要是通过土体中相互连接的充气孔隙实现，而土体大孔隙是土体通气的主要通道，因此大孔隙的比例与数量是决定土体通气性能的内在因素。土体中的微生物的活动、物理和化学过程都有土体空气状况直接有关。除了空气之外，有机污染场地中的VOC气体，垃圾填埋场中的甲烷、二氧化碳等温室气体还会击穿上覆土层对周边环境造成危害。因此研究气体在土体中的传输规律，测试其表征参数显得十分重要。土体和大气的交换主要是通过土体中相互连接的孔隙进行的，其主要的气体交换机制是气体扩散运动。土体中的气体扩散的快慢程度用土体气体扩散系数(Ds)来表征。Ds的获取只有两个途径：实测或通过模型估算。虽然目前已有很多实测方法可供选择，相关技术也比较成熟，但是大多采用双气室扩散原理，且结构复杂，缺乏简单、高效的测试装备。
技术实现思路
：本专利技术的目的是针对上述存在的问题提供一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置及方法，能够简单高效地测定气体在土体中的扩散系数，并且测定结果更加精确。本专利技术的上述目的可通过以下技术方案来实现：一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置，包括水平放置的扩散室，所述扩散室的一侧通过连接螺栓连接样品座，所述样品座里面设置有土样，所述扩散室上设置有氮气进气口和出气口，所述扩散室里面安装有氧气传感器。所述的测定气体在土体中扩散系数的简易装置，所述扩散室与所述样品座之间设置有橡胶圈。用上述测定气体在土体中扩散系数的简易装置进行气体在土体中扩散系数的测定方法，该方法包括如下步骤：第一步：将所述的简易装置放在密封箱内，无振动，无阳光直射，同时在密封箱内放置加湿器，保证试验环境处于恒湿状态；第二步：测量之前检查仪器功能；第三步：将扩散室的进气口连接氮气传输装置，调整压力值；第四步：将准备好的土样，放入样品座内，并将样品座通过螺栓与扩散室连接稳定；第五步：打开扩散室的氮气进气口和氮气出气口，从氮气进气口处通入扩散室100％的氮气，扩散室内原有的空气从出气口排出，直至传感器测得的氧气含量为零，再持续3-5s后关闭氮气进气口及出气口；第六步：将氮气进气口及出气口的阀门关上以后，开始气体扩散并计时，氧气传感器测定扩散室内O2的浓度随时间的变化，并按照气体传输原理计算扩散系数。有益效果：1.整个试验仪器在试验过程中均放置于密闭箱子中，在箱中放置的加湿装置的作用下保证了扩散过程中土体的含水率不变。本试验仪器和世面上大多数试验仪器相比较，不需要将仪器防止在干燥的环境中，因此可以增加试验的时间，试验中所用的土样不会因为试验过程而脱水从来影响所需要获得的气体渗透系数，这样获得的试验结果更加精准。2.试验仪器中使用氧气传感器为KE-25，与市面传统传感器相比，具有以下优点：长寿命，不受二氧化碳、一氧化碳、硫化氢、氮氧化合物以及氢气的影响，成本低，在常温下工作状态良好，信号输入稳定，使用时不需加热不需外部电源。3.试验仪器的使用相对简单，操作容易上手，测量步骤较少，运用Fick第二定律，通过氧气传感器测量氧气透过土体进入扩散室的浓度变化规律即可获得土体空气渗透系数，结果精确。附图说明：图1为本专利技术的测定气体在土体中扩散系数的简易装置结构示意图。图中标号说明：1.土样；2.橡胶圈；3.样品座；4.连接螺栓；5.氮气进气口；6.出气口；7.氧气传感器；8.扩散室。具体实施方式：下面结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术的测定气体在土体中扩散系数的简易装置，包括水平放置的扩散室8，所述扩散室的一侧通过连接螺栓4连接样品座3，所述样品座里面设置有土样1，所述扩散室上设置有氮气进气口5和出气口6，所述扩散室里面安装有氧气传感器7。所述扩散室与所述样品座之间设置有橡胶圈2。本实施例的氧气传感器为日本费加罗公司生产的KE-25型气体传感器，外接一套导入氮气装置，整个试验过程仪器摆放于密闭容器内，容器内还放置一加湿装置，保证整个试验过程中被测土体含水率不变。本仪器可测量的土体类型包括各种粒径的砂土、黏土，处理方式为岩土工程室内试验常用的处理方式，能够保证本专利技术的可操作性和推广。图1所示为本专利技术的装置的结构示意图，测试步骤如下：本专利技术的用于测量土体中气体扩散系数的测定方法，包括以下步骤和方法：第一步：将仪器摆放在合适的位置，保证放置所在干净，位于密封箱内，无振动，无阳光直射，箱内放置加湿器，保证试验环境处于恒湿状态，保证达到最佳操作性能，得到最佳测量结果；第二步：在测量之前，仪器的校准和功能必须检查；第三步：将扩散室连接氮气传输装置，空气要清洁、干燥，调整压力值；第四步：将土体样本制备成所需的状态，放入厚橡胶密封的样品座内，插入支架，使样品牢固并完成密封，并打开密封箱内的加湿器；第五步：打开旁部气室的出气口和进气口，从进气口处通入扩散室100％的氮气，空气从出气口排出，直至传感器测得的氧气含量为零，再持续3-5s后关闭进出气口；第六步：将气室两端的阀门关上，开始气体扩散并计时，O2传感器测定扩散室内O2的浓度随时间的变化，并按照气体传输原理计算扩散系数，由Fick第一定律可得：式中：q为进入扩散室气体量，cm3；t为扩散时间，s；A为土体扩散面面积(环刀内横截面积)，cm2；hs为土样的高度，cm；D'S为该土柱的气体扩散系数，cm2/s；ΔC为土样两端的O2浓度差，g/cm3。O2扩散进入扩散室内的体积随时间的变化速率也可以表示为：式中：hc是扩散室的高度，cm。将式(1)和(2)联立可得：开始时刻(t＝0)，扩散室内O2浓度为0，连通的大气O2浓度为C0，此时土样两端的O2浓度差ΔC0＝C0；扩散开始后，O2通过土样扩散至扩散室中，造成扩散室内O2浓度升高，在t时刻，扩散室O2浓度为f(t)，大气O2浓度保持恒定为C0，土样两端O2浓度差为ΔCt＝C0-f(t)。由初始条件t＝0、ΔCt＝ΔC0＝C0，对方程两端进行0-t积分得：令则式(4)变为：绘制和t的散点图，获得斜率即为K值，引入校正系数Kj：式中，Ds为校正后扩散系数，D'S为校正前扩散系数，α1为方程的第一个大于0的解。Ds/D0为直接测定的土体气体扩散系数与该气体在相同温度大气压下于自由大气中的扩散系数之比。Ds根据式(6)计算。D0则根据如下公式进行温度校正：其中D0(T1)表示氧气在零度时由氧气向氮气扩散的扩散系数，为0.181cm2/s。应理解上述实施例仅用于说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置，其特征在于，包括水平放置的扩散室，所述扩散室的一侧通过连接螺栓连接样品座，所述样品座里面设置有土样，所述扩散室上设置有氮气进气口和出气口，所述扩散室里面安装有氧气传感器。

【技术特征摘要】
1.一种测定气体在土体中扩散系数的简易装置，其特征在于，包括水平放置的扩散室，所述扩散室的一侧通过连接螺栓连接样品座，所述样品座里面设置有土样，所述扩散室上设置有氮气进气口和出气口，所述扩散室里面安装有氧气传感器。2.根据权利要求1所述的测定气体在土体中扩散系数的简易装置，其特征在于，所述扩散室与所述样品座之间设置有橡胶圈。3.一种用上述测定气体在土体中扩散系数的简易装置进行气体在土体中扩散系数的测定方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：第一步：将所述的简易装置放在密封箱内，无振动，无阳光直射，同时在密封箱内放置...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜延军，毕钰璋，冯亚松，温嘉明，袁航，尤星源，周实际，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32