多孔介质中微纳米气泡观测系统及方法技术方案

本发明专利技术提出一种多孔介质中微纳米气泡观测系统及方法，其中，该系统包括：模型箱，模型箱内装填有模拟多孔介质的球形透明树脂材料，模型箱具有注水口，用于注入并盛放模拟地下水的富含微纳米气泡的水体，且模型箱各面使用不同的材质和颜色，最大限度的提高多孔介质孔隙水中微纳米气泡的成像清晰度；激光器，激光器位于模型箱的顶部，用于提供观测时需要的片光源；相机和镜头，相机和镜头位于模型箱的一侧，用于观测多孔介质中微纳米气泡；图片采集及处理模块，图片采集及处理模块与相机相连，进行图片的采集和处理。本发明专利技术具有简便可行，仿真程度高、观测精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水利水电工程和环保工程领域，具体涉及一种。
技术介绍
地下水是土体(多孔介质)的孔隙中所存留的水。地下水资源是全球水资源的重要组成部分，在我国地表水严重污染的条件下，地下水资源对于经济和社会发展具有极其重要的作用。我国许多地区地下水不同程度遭受有毒有害有机物的污染。国家“十二五”规划提出要“加大环境保护力度”，解决“土壤污染等损害群众健康的突出环境问题”，“加强地下水污染防治”。2011年10月发布的《全国地下水污染防治规划(2011— 2020年)》指出要“初步遏制地下水水质恶化趋势”，“加强重点工业行业地下水环境监管”，“有计划地加快推进地下水污染修复”。环境友好和节能高效的污染地下水创新修复技术的开发和应用是是我国国民经济和社会可持续发展的重要途径。自然衰减法和生物通风是有机污染地下水原位修复的常规技术。自然衰减法是在合适的条件下利用自然界存在的生物、化学和物理过程，来降低土壤和地下水中污染物含量、毒性、移动性。场地自然降解能力强烈依赖环境条件，由于供氧条件较差，存在的电子受体往往无法满足微生物降解反应的需要量，好氧微生物降解作用受到抑制，反应速率缓慢。生物通风通过真空或加压对污染土壤进行曝气，使土壤中的氧气浓度增加，从而促进好样微生物的活性，提高土壤中污染物的降解效率。然而生物通风过程中空气在地下水中一般以微通道或毫米-厘米级粒径的独立气泡形式运动，影响范围较小，供氧效果较差，好氧微生物降解能力没有得到充分发挥，因而修复作用有限。微纳米气泡是指液体中微米和纳米量级气泡的统称，其直径一般小于60 μ m,微米气泡直径在1-60 μ m之间，纳米气泡的直径则在I μ m以下。目前水体中微纳米气泡生成技术已经发展成熟。在水体中毫米-厘米级宏观气泡将在浮力作用下迅速上升，并在水表面处破裂；而微纳米气泡则由于直径较小，在水体中停留时间较长。因此微纳米气泡可以随地下水运动，迁移影响范围远大于普通气泡。由于水气界面张力作用，气泡内压较大，其高溶解能力可为水体提供高含量的溶解氧。同时，微纳米气泡气液界面带负电荷，可以与特定的污染物相互作用，微纳米气泡破裂时产生的自由基和振动波也可促进污染物的去除。微纳米气泡供氧效果好、持续时间长、影响范围大，可以弥补常规原位修复技术的局限性，促进微生物降解作用，对有机污染地下水进行修复，具有巨大的应用前景。因此探究微纳米气泡在多孔介质中的运动机理具有重要学术价值和工程实用价值。但现有技术中尚无相关的观测记录技术手段。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种具有简便可行、仿真程度高、观测精度高的多孔介质中微纳米气泡观测系统。本专利技术的另一个目的在于提出一种具有简便可行、仿真程度高、观测精度高的多孔介质中微纳米气泡观测方法。根据本专利技术实施例的多孔介质中微纳米气泡观测系统，包括以下部分:模型箱，所述模型箱内装填有模拟多孔介质的球形透明树脂材料，所述模型箱具有注水口，用于注入并盛放模拟地下水的富含微纳米气泡的水体，且模型箱各面使用不同的材质和颜色，最大限度的提高多孔介质孔隙水中微纳米气泡的成像清晰度；激光器，所述激光器位于所述模型箱的顶部，用于提供观测时需要的光源；相机和镜头，所述相机和镜头位于所述模型箱的一侧，用于观测多孔介质中微纳米气泡；图片采集及处理模块，所述图片采集及处理模块与所述相机相连，进行图片的采集和处理。可选地，还包括:激光器支架，所述激光器支架用于固定支撑所述激光器；以及三维可调节支架，所述三维可调节支架用于固定支撑所述相机和镜头。可选地，所述球形透明树脂材料与水的折射率匹配。可选地，所述球形透明树脂材料平均粒径为0.6-1.0mm,界面电荷性质与土颗粒匹配。可选地，所述模型箱为长方体，定义接近所述相机和镜头的为观测面，其他面分别定义为背景面、左侧壁、右侧壁、底面，其中所述观测面使用超白玻璃，其它面使用有机玻璃，所述背景面涂抹成黑色，而所述左侧壁、右侧壁及底面涂抹成白色。可选地，所述激光器还包括:激光镜片，所述激光镜片将所述激光器发出的光线校正为片状，并且，所述激光器的激光线宽小于所述相机的景深。可选地，所述相机为高感光度的CCD相机，所述相机成像的照度大于等于0.00002Lux ;所述镜头为工业缩放镜头，能够对900纳米至60微米之间的气泡成像。可选地，所述图片采集及处理模块采用软件，通过观察气泡在多孔材料上的吸附速度、存在时间以及是否存在吸附/解吸附现象等确定吸附规律；通过对气泡图像的像素大小及灰度值进行分析，确定图像内气泡的粒径；通过连续拍摄的多张图像，计算图像中不同气泡的运动速度。根据本专利技术实施例的多孔介质中微纳米气泡观测方法，采用本专利技术提出的多孔介质中微纳米气泡观测系统，包括以下步骤:S1.在所述模型箱中装填球形透明树脂材料，注入富含微纳米气泡的水体；S2.采用所述激光器为所述水体照明，采用所述相机和镜头观测所述多孔介质孔隙水中的微纳米气泡；以及S3.图片采集及处理模块控制相机和镜头采集图像并进行分析处理，得到微纳米气泡的吸附特性、粒径分布和运动轨迹。本专利技术提供一种多孔介质中微纳米气泡的粒径测量及运动观测系统，通过模型箱、激光器、CCD相机、镜头、三维可调节支架及图像处理软件实现对多孔介质中微纳米气泡的粒径、吸附及运动特性测量。本专利技术的至少具有如下优点:1、使用球状透明树脂材料模拟土体的思想。该材料与水的折射率基本一致，因此便于通过光学观测系统直接观测微纳米气泡与该球状材料的吸附效果。该材料平均粒径为0.84_，界面电荷性质与土颗粒类似，因此在性质上可以模拟实际土颗粒。2、使用特殊设计的玻璃模型箱进行多孔介质中微纳米气泡观测的思想。玻璃模型箱的观测面使用透光性好的超白玻璃制作，使得相机成像清晰。其它均使用有机玻璃材质。背景面涂抹成黑色，增强气泡与背景的对比效果。其它有机玻璃面均涂抹成白色，增强孔多孔介质中微纳米气泡的漫反射效果，提高微纳米气泡亮度。材质和颜色的选择最大限度的增加了微纳米气泡的成像清晰度。3、使用激光器提供高功率的片状光源，以照亮多孔介质中微纳米气泡的思想。使用最大功率为2W的532nm的激光光源，并在激光出口使用镜片将其光线校正为片状，照亮多孔介质中的某一平面，集中了激光能量并避免了气泡重影现象的出现。此外，控制片状激光的线宽在Imm以下，使线宽小于相机景深，避免相机景深外的气泡被照亮以造成在CCD相机上成虚像。4、使用高感光度的CXD相机及工业缩放镜头，对多孔介质中的气泡进行成像的思想。微纳米气泡粒径小，对光的反射效果差，因此除提高气泡的亮度外，还需要高感光性的CCD相机。所使用相机最低可在照度0.00002LUX时对物体进行成像。配合使用缩放镜头可实现对900纳米至60微米之间的气泡成像。5、使用三维可调节支架置放相机的思想。通过三维可调节支架，可以实现对观测位置的连续、微细调整，并对焦距进行精确调整。6、通过所获取的图像对微纳米气泡进行吸附特性分析的思想。通过观察气泡在多孔材料上的吸附速度、存在时间以及是否存在吸附/解吸附现象等确定吸附规律。7、使用图像处理软件对气泡图像进行分析，以获得气泡的粒径及运动速度的思想。通过对气泡图像本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多孔介质中微纳米气泡观测系统，其特征在于，包括以下部分：模型箱，所述模型箱内装填有模拟多孔介质的球形透明树脂材料，所述模型箱具有注水口，用于注入并盛放模拟地下水的富含微纳米气泡的水体，且模型箱各面使用不同的材质和颜色，最大限度的提高多孔介质孔隙水中微纳米气泡的成像清晰度；激光器，所述激光器位于所述模型箱的顶部，用于提供观测时需要的光源；相机和镜头，所述相机和镜头位于所述模型箱的一侧，用于观测多孔介质中微纳米气泡；图片采集及处理模块，所述图片采集及处理模块与所述相机相连，进行图片的采集和处理。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡黎明，李恒震，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：