[发明专利]基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置

说明书

本发明涉及基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，包括顶部敞开的箱体、示踪剂检测探头，箱体的内部固设有第一筛板、与第一筛板相互平行的第二筛板，箱体的内腔被第一筛板和第二筛板分隔为用来投放示踪剂的示踪剂投放槽、中间槽、终端槽，示踪剂投放槽的内部还设置有紧贴第一筛板的隔水闸板，中间槽的内部固设有第三筛板，中间槽被第三筛板分隔为第一分槽和第二分槽，第一分槽中填充有第一多孔介质，第二分槽中填充有第二多孔介质，箱体的顶部设置有与箱体的内壁相配合的透明定位板。该实验装置可用于测量非均质多孔介质的分子扩散系数，实验过程操作简单、成本低、效率高、准确性好。

技术领域

本发明涉及一种基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，属于溶质分子扩散系数测定技术领域。

背景技术

溶质在多孔介质中的迁移主要受机械弥散(mechanical dispersion)和分子扩散(diffusion)的驱动。这两者之和被称为水动力弥散(hydrodynamic dispersion)。这两种扩散的物理过程有本质区别，分子扩散是由于存在物理量梯度，包括浓度梯度、温度梯度、压强梯度等引起，而机械弥散主要是由流体(通常为水流)在孔隙中流速的差异性引起。大部分的研究主要关注水动力弥散，而忽略溶质在多孔介质中的分子扩散，原因是分子扩散系数一般远小于机械弥散系数。但在某些情况下，如低流速的水流、高浓度的溶质，分子扩散的作用往往不可忽略。如垃圾填埋场的污染物在含水层中的迁移、地下核废料的泄露等问题，都会更加关注分子扩散的影响。另一方面，地下多孔介质通常为层状结构，各分层的介质性质不同。这种层状非均质结构也会影响溶质分子的扩散系数。因此，分子扩散系数的测定对研究溶质或污染物在地下地质体中的迁移转化具有重要的现实意义。但是目前无论是实验装置还是理论研究，分子扩散均未得到足够的重视，主要的原因在于还没有合适的实验装置去测量。

目前测定分子扩散系数的方法主要有：

温克尔曼法(Winkelman’s Method)为代表的无孔隙介质的测试方法,主要应用于非孔隙介质的分子扩散系数测定，对测试条件要求严格，比如恒温、维持液面扩散分压为零等要求，测试出来的是理想状态下的分子扩散系数值。

以鲍契维尔法、扩散器法、三轴仪方法、无水头扩散器法等为代表的多孔介质弥散系数测定法，在给定水头下供给水和示踪剂溶液，在不同断面和出口处观测示踪剂浓度变化，有试验观测资料，在一维弥散解析解公式的基础上计算出弥散系数。

以上两大类方法广泛应用于测定具有一定流速条件下的弥散系数，除了无水头扩散器，其他几种方法的实验测定结果只能代表水动力弥散系数，并不能代表分子扩散，而无水头扩散器也存在着以下不足：(1)只能测定均值的多孔介质分子扩散系数，不能测定非均值多孔介质的扩散系数；(2)只能测定出口位置的示踪剂浓度，无法掌握分子在土体中的扩散过程；(3)示踪剂的投放区域设计存在可能产生流体速度扰动的可能性，不能保证完全静止，产生较大的实验误差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供了基于分层多孔介质的溶质分子扩散系数测定实验装置，具体技术方案如下：