一種水-沉積物界面原位采樣固定的方法與裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水-沉積物界面原位采樣固定的方法與裝置，它依托自重力沉積柱采樣支架，包含沉積柱采樣管和液氮冷凍系統(tǒng)。沉積柱采樣管由內(nèi)部樣品采集管和外部液氮冷凍腔組成，液氮冷凍腔與液氮輸入管、單向氮?dú)馀懦鲩y、自增壓式液氮罐共同組成液氮冷凍系統(tǒng)。將沉積柱采樣管裝入自重力采樣支架并連接液氮冷凍系統(tǒng)后放入水中采樣，當(dāng)水-沉積物界面進(jìn)入樣品采集管的冷凍腔范圍后開(kāi)啟自增壓式液氮罐固定沉積柱，待沉積柱固定后將采樣器取出水面，向冷凍腔內(nèi)加入湖水，固態(tài)沉積柱從樣品采集管中滑出，將沉積柱冷凍保存運(yùn)輸。該方法避免了常規(guī)采樣方法的采樣、運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)沉積物結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，并方便二次取樣分析。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種水-沉積物界面原位采樣固定的方法與裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水環(huán)境研究領(lǐng)域，涉及一種沉積物采樣方法，特別涉及原位采集水-沉積物界面并固定的采樣方法與裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]河流、湖泊水-沉積物界面孔隙作為沉積物與上覆水體進(jìn)行物質(zhì)交換的通道，其孔隙大小、連通度、曲折度等結(jié)構(gòu)特性極大地影響著水-沉積物界面的物質(zhì)擴(kuò)散通量，對(duì)污染物的生物地球化學(xué)循環(huán)有重要意義。水-沉積物界面在采樣和運(yùn)輸過(guò)程中非常容易受到擾動(dòng)。自重力柱狀采樣管方法是目前已有的沉積物采樣方法中可以較少擾動(dòng)沉積物的方法，采集后的沉積柱運(yùn)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)處理。這種采樣方法以下問(wèn)題:采集沉積柱的深度不確定，運(yùn)輸過(guò)程中界面結(jié)構(gòu)會(huì)收到影響，采集到的樣品難以在不擾動(dòng)的情況下進(jìn)行二次取樣，無(wú)法通過(guò)后續(xù)的X射線計(jì)算機(jī)斷層、電鏡掃描分析技術(shù)獲得原狀沉積物界面結(jié)構(gòu)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服采樣和運(yùn)輸對(duì)過(guò)程對(duì)沉積物結(jié)構(gòu)擾動(dòng)的問(wèn)題，方便樣品二次取樣分析，本發(fā)明提供了一套水-沉積物界面原位采樣固定的方法和裝置，可以實(shí)現(xiàn)在盡量少擾動(dòng)沉積物的情況下，定位采集水-沉積物界面并進(jìn)行固定，減少累積擾動(dòng)并方便二次取樣。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:依托自重力沉積柱采樣支架，設(shè)計(jì)沉積柱采樣管(包含內(nèi)部樣品采集管和外部冷凍腔)和液氮冷凍系統(tǒng)(自增壓式液氮罐、冷凍腔、液氮輸入管、單向氮?dú)馀懦鲩y)。具體操作是將采樣管放入采樣支架并連接液氮冷凍系統(tǒng)，將采樣管放入水下，當(dāng)水-沉積物界面進(jìn)入樣品采集管的冷凍腔范圍后，開(kāi)啟自增壓式液氮罐固定沉積柱，待沉積柱固定后將采樣器取出水面，實(shí)現(xiàn)水-沉積物界面的原位采樣和固定。核心技術(shù)方案為沉積柱采樣管和液氮冷凍系統(tǒng)。
[0005]采樣管設(shè)計(jì)包括內(nèi)部樣品采集管和外部冷凍腔兩部分。內(nèi)部樣品采集管是直徑小、壁薄的鐵質(zhì)管，關(guān)鍵指標(biāo)是直徑和壁厚。管壁較薄保證管壁占沉積柱樣品直徑比例較小，減少管壁對(duì)沉積物的擠壓影響，保證采樣過(guò)程中不破壞沉積物結(jié)構(gòu)；鐵管直徑較小保證外部冷凍腔通過(guò)鐵管導(dǎo)熱對(duì)沉積柱樣品冷凍固定的效率，減少冷凍過(guò)程中晶格的產(chǎn)生，保證樣品固定過(guò)程中不影響沉積物結(jié)構(gòu)。外部冷凍腔是環(huán)繞在內(nèi)部樣品采集管上部外壁的隔熱塑料管(有真空夾層)，有液氮進(jìn)口和出口，關(guān)鍵指標(biāo)是冷凍腔的位置和容積、液氮進(jìn)出口的位置。冷凍腔以樣品采集管(采樣管上部2/3范圍)為內(nèi)壁，通過(guò)冷凍腔的液氮透過(guò)鐵管與沉積柱進(jìn)行快速熱量交換固定沉積柱；除內(nèi)壁外，冷凍腔的材料均為隔熱塑料管，保證液氮進(jìn)入腔體后僅通過(guò)鐵管與采樣管內(nèi)的沉積柱進(jìn)行熱交換，對(duì)采樣管外的水和沉積物沒(méi)有熱交換，提高液氮利用率；冷凍腔厚度較厚，一方面保證較大的容積進(jìn)而提高冷凍效率，另一方面靠?jī)?nèi)部樣品采集管下部1/3位置處開(kāi)始存在的冷凍腔厚度來(lái)增加阻力，保證水-沉積物界面位置處于內(nèi)部沉積柱采集管與液氮腔接觸的范圍。液氮進(jìn)口在冷凍腔下部，出口在冷凍腔上部。
[0006]原位液氮冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括自增壓式液氮罐、液氮輸入管路、采樣管外部冷凍腔和彈簧式止回閥。自增壓式液氮罐置于船上，將液氮泵入冷凍系統(tǒng)；液氮輸入管路為抗壓隔熱材質(zhì)，保證在一定的水壓下也能通暢輸送液氮，并在輸送過(guò)程中減少熱損耗；采樣管外部冷凍腔主要用于冷凍采樣管內(nèi)部的沉積柱；彈簧式止回閥位于采樣管外部冷凍腔的液氮出口，保證熱交換產(chǎn)生的氮?dú)饽芗皶r(shí)排出，同時(shí)避免水進(jìn)入冷凍系統(tǒng)。這些組件共同組成的液氮冷凍系統(tǒng)，在水-沉積物界面進(jìn)入采樣管后開(kāi)啟固定采樣管內(nèi)沉積柱。
[0007]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及效果:能夠定位采集水-沉積物界面，使界面位于液氮冷凍區(qū)域，減少因界面位置不確定帶來(lái)的低效率冷凍；能夠在原位采集并固定水-沉積物界面，避免了取樣和運(yùn)輸過(guò)程中對(duì)沉積物界面結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)；冷凍后的沉積柱在二次取樣時(shí)不易改變結(jié)構(gòu)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]圖1是沉積柱采樣管的正視圖、俯視圖和剖面圖。
[0009]圖2是自重力沉積柱采樣支架圖。
[0010]圖3是水-沉積物界面采樣原位固定示意圖。
[0011]圖中:1-沉積柱采樣管，2-液氮輸入孔，3-氮?dú)馀懦隹祝?-隔熱塑料管(含真空夾層)，5-外部冷凍腔，6-鐵管，7-樣品采集管，8-采樣管鎖定桿，9-采樣管鎖定架，10-硅膠環(huán)，11-采樣管支架，12-重力環(huán)，13-單向封鎖蓋，14-水-沉積物界面，15-液氮。

【具體實(shí)施方式】
[0012]設(shè)計(jì)沉積柱采樣管的:鐵管(6)與隔熱塑料管(4)相嵌套，保證冷凍腔氣密性，在隔熱塑料管(4)下端設(shè)置液氮輸入孔(2)，上端設(shè)置氮?dú)馀懦隹?3)，保證在液氮冷凍系統(tǒng)的管路氣密性。
[0013]組裝采樣裝置:打開(kāi)采樣管鎖定桿(8)，將沉積柱采樣管(I)插入自重力沉積柱采樣支架，關(guān)閉采樣管鎖定桿(8)，通過(guò)鎖定架(9)擠壓硅膠環(huán)(10)，固定沉積柱采樣管(I)。將自增壓式液氮罐的液氮輸入管接到沉積柱采樣管(I)的液氮輸入孔(2)，將彈簧式止回閥接到沉積柱采樣管(I)的氮?dú)馀懦隹?3)。
[0014]沉積柱采樣:將組裝好的自重力沉積柱采樣器放入水中，在重力環(huán)(12)的作用下樣品采集管(7)垂直插入沉積物中，水-沉積物界面(14)進(jìn)入鐵管(6)到達(dá)冷凍腔(5)下端后，隔熱塑料管(4)下端和重力環(huán)(12)下端開(kāi)始起阻力作用，使水-沉積物界面(14)在采樣管(I)內(nèi)位置不會(huì)過(guò)深。
[0015]沉積柱固定:采樣器停止下降后，開(kāi)啟自增壓式液氮罐，液氮開(kāi)始通過(guò)液氮輸入孔
(2)進(jìn)入冷凍腔(5)，冷凍腔內(nèi)液氮(15)由于與鐵管(6)內(nèi)沉積物(14)熱交換變成氮?dú)猓?dāng)達(dá)到一定壓力后，通過(guò)氮?dú)馀懦隹?3)排出氮?dú)猓瑥椈墒街够亻y保證水不會(huì)倒灌進(jìn)入冷凍腔。
[0016]沉積柱取樣:5分鐘后關(guān)閉液氮閥，將采樣器提出水面，卸下彈簧式止回閥，從自重力沉積柱采樣支架上拿下采樣管。平放采樣管(1)，從氮?dú)馀懦隹?3)注入冷凍腔1/3體積的湖水，堵上液氮輸入孔(2)，迅速滾動(dòng)采樣管(I) 2周，融化鐵管(6)和樣品(14)接觸部位。將采樣管(I)豎立，冷凍的水-沉積物柱(14)在重力作用下滑落，將水-沉積物柱(14)放入冷凍箱保存運(yùn)輸，直接用于分析或進(jìn)行二次切割取。
【權(quán)利要求】
1.一種水-沉積物界面原位采樣固定的方法與裝置，其特征在于用沉積柱采樣管(包含冷凍腔和樣品采集管)和液氮冷凍系統(tǒng)(冷凍腔與液氮輸入管、單向氮?dú)馀懦鲩y)在自重力沉積柱采樣支架上，進(jìn)行原位采集水-沉積物界面并固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，沉積柱采樣管特征是樣品采集管長(zhǎng)度大于冷凍腔，冷凍腔位于樣品采集管上部的外面，冷凍腔起始位置不高于采樣管支架重力環(huán)位置，液氮輸入孔位于冷凍腔下端，氮?dú)馀懦隹孜挥诶鋬銮簧隙恕?br> 3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征是樣品采集管直徑小于3cm，冷凍腔外徑等于采樣管支架的鎖定架內(nèi)徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，冷凍腔外壁為隔熱管，樣品采集管外壁為導(dǎo)熱性好的材料。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述，水-沉積物界面進(jìn)入樣品采集管的冷凍腔范圍后開(kāi)啟液氮冷凍系統(tǒng)固定沉積柱，待沉積柱固定后將采樣器取出水面，向冷凍腔內(nèi)加入水取出固態(tài)沉積柱。
【文檔編號(hào)】G01N1/10GK104048849SQ201310080310
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月13日
【發(fā)明者】單保慶, 溫勝芳, 孔學(xué)紅, 張洪, 唐文忠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心