[發(fā)明專利]一種水-沉積物界面原位采樣固定的方法與裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310080310.4
• 申請(qǐng)日: 2013-03-13
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104048849A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-09-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 單保慶;溫勝芳;孔學(xué)紅;張洪;唐文忠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心
• 主分類(lèi)號(hào): G01N1/10
• 分類(lèi)號(hào): G01N1/10
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

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)

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

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。?

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)。?

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。?

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。?

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)。?

附圖說(shuō)明

圖1是沉積柱采樣管的正視圖、俯視圖和剖面圖。?

圖2是自重力沉積柱采樣支架圖。?

圖3是水-沉積物界面采樣原位固定示意圖。?

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

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)馀懦隹祝?），保證在液氮冷凍系統(tǒng)的管路氣密性。?