一种土壤加热及挥发性有机物采集装置

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1.本发明涉及土壤污染监测技术领域，具体涉及一种土壤加热及挥发性有机物采集装置。

背景技术：

2.挥发性有机物(volatile organic compounds，下文均以“vocs”代称)是一种典型的土壤污染物。随着石油石化工业和其他化学药品、农药生产的快速发展，大量vocs被排放到土壤中，改变了土壤有机物组成和结构，加剧了对土壤的污染。如何有效检测vocs，是加快推动解决土壤vocs治理问题的先决条件。
3.目前vocs检测方法主要包括采样后实验室检测(又称异位检测)与现场检测(又称原位检测)两种，其中实验室检测法步骤繁琐、时间长，仅仅取样几个离散的位置点，无法准确评估土壤在深度方向的污染变化情况，限制了其应用与发展；同时现场检测法具有更好的实时性、高效性和连续性等优点，因此被认为是一种更先进的检测方法，近年来有更广泛的研究与应用。
4.中国专利cn107084862b提出了一种土壤vocs采集装置，结构为钻头中部内设置加热元件，钻头尾部环面设置透气孔，透气孔被防水透气膜覆盖；工作原理为在不同土壤情况和工作条件下，将携带该vocs采集装置的钻机，钻入地下指定深度并加热土壤，vocs挥发后流过透气孔传递给在线检测系统分析，但是其准确性、可靠性和使用寿命将受到不同程度影响：例如，加热元件与气体通道位于不同土壤深度，加热位置与采集位置有一定高度差，容易采集到加热位置以外土壤的vocs，产生误差；采集装置一般镶嵌于钻头或钻杆侧壁，其外壳与土壤直接接触，应具有良好的耐磨损性能；土壤含水率高或土壤颗粒较小时，气体通道易被液态水或土壤颗粒堵塞采集效率；土壤坚实度较大时，钻机自身有较大幅度振动，采集装置的核心部件—vocs分离膜有可能发生大变形甚至破损；在加热温度较高和钻机速度较快时，对采集装置的耐热和抗疲劳性能也相应有更高的要求。
5.现有采集装置仅考虑了气体收集的功能需求，缺少针对准确性、可靠性、使用寿命方面的具体设计和优化，难以适应复杂多变的土壤情况以及恶劣的工作条件，导致在实际采集工作中效果不尽如人意。

技术实现要素：

6.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种土壤加热及挥发性有机物采集装置，搭配钻机及测量设备现场检测vocs，在提高采集效率的前提下，使其具备了耐磨损、抗冲击、耐高温、服役寿命长等更多优点；该装置结构一体化程度极高，便于根据钻机尺寸定制大小，安装简单，在不同土壤环境和不同钻机工况时均能保证工作稳定性。
7.为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
8.一种土壤加热及挥发性有机物采集装置，包括陶瓷外壳1、复合滤膜2以及气体收集罩3，陶瓷外壳1端面垂直于地面设置，复合滤膜2密封在陶瓷外壳1空腔内，气体收集罩3
与陶瓷外壳1远离土壤一侧端面固定连接；
9.所述陶瓷外壳1包括陶瓷透气盖10、柔性加热元件11及陶瓷筒身12，柔性加热元件11嵌在陶瓷透气盖10内端面，陶瓷透气盖10与陶瓷筒身12之间固定连接；
10.所述复合滤膜2包括导水层20、隔热层21及vocs分离膜22，三者连为一体，隔热层21夹于导水层20与vocs分离膜22之间，导水层20靠近陶瓷透气盖10一侧，vocs分离膜22靠近气体收集罩3一侧；开启采集操作后，vocs气体按照先后顺序，依次穿过导水层20、隔热层21及vocs分离膜22；
11.所述气体收集罩3为两侧开口的薄壁容器，与陶瓷外壳1组合形成更大体积的储气内腔。
12.所述陶瓷透气盖10包括透气盖板100、环形塞101，透气盖板100设置有多个相互平行、与轴线夹角45
°
的斜孔102，内端面设置有“回环曲线形”沟槽103，所述柔性加热元件11布置在沟槽103中，透气盖板100侧面还设置有2个圆形通孔，柔性加热元件11的导线从圆形通孔中伸出与直流电源连接；环形塞101与陶瓷筒身12内壁过盈配合，环形塞101端面设置一系列缺口，导水层20嵌套在缺口内且二者端面保持平齐。
13.所述的沟槽103根据加热面积、温度需求设计具体形状，在空间上不与斜孔102相交。
14.所述柔性加热元件11通过蚀刻薄金属箔而形成，将其压入陶瓷透气盖10的沟槽103中后，在第一出线点110、第二出线点111位置焊接导线，最后在表面涂覆一层环氧水泥绝缘处理。
15.所述陶瓷筒身12内壁直径变化一次形成台阶，与陶瓷透气盖10相配合的一侧，陶瓷筒身12内径较大，且与环形塞101外径尺寸相等；陶瓷筒身12还包括第一流道120和第二流道121，第一流道120接近陶瓷透气盖10，用于导出采集装置内的液态水；第二流道121接近复合滤膜2，用于加快vocs传输，第二流道121与第一流道120在空间上相互独立，互不相通。
16.所述第一流道120对称设置，对称面为经过陶瓷筒身12轴线的平面，对称面一侧设有1个第一进气孔120-1、第一圆弧形内流道120-2以及12个第一出气孔120-3；对称面另一侧设有12个进水孔120-4、第二圆弧形内流道120-5及1个出水孔120-6，第一出气孔120-3与进水孔120-4结构相同，第一进气孔120-1与出水孔120-6结构相同；第二流道121包括1个第二进气孔121-1、环形内流道121-2及8个第二出气孔121-3，第二进气孔121-1与第一进气孔120-1结构相同，第二出气孔121-3沿圆周方向均匀分布。
17.所述导水层20包括剪裁成圆形的格栅201、毛细管200两部分，格栅201嵌套在环形塞101缺口内，且二者端面保持平齐，格栅201内部中空且上下两侧开口，开口衔接陶瓷筒身12的第一出气孔120-3、进水孔120-4；毛细管200垂直于格栅201布置。
18.所述隔热层21由多孔隔热材料制成，包括蜂窝蓄热体、泡沫陶瓷等。
19.所述vocs分离膜22是在金属骨架基础上与高分子膜复合而成，其中金属骨架是一种多孔点阵结构作为基膜支撑，使用3d打印技术制造，高分子膜为任意一种利用溶解扩散机理工作的致密聚合物材料，金属骨架厚度大于高分子膜的厚度。
20.所述土壤加热及挥发性有机物采集装置与气体循环装置配合使用，气体循环装置须提供两股气流，其中第一股气流压强小于第二股气流压强，气体循环装置的输出端连通
第一进气孔120-1、第二进气孔121-1；开启采集操作后，第二股气流从第二进气孔121-1吹入，通过8个第二出气孔121-3携带vocs吹向气体收集罩3出口；开启排水操作后，第一股气流从第一进气孔120-1吹入，将格栅201内部的水吹向出水孔120-6，排到外界或收集。
21.所述气体收集罩3与陶瓷外壳1，陶瓷透气盖10与陶瓷筒身12之间的固定连接能够防止气体泄漏，安装密封圈后使用螺栓锁紧。
22.本发明的有益效果为：
23.1、柔性加热元件11卷曲覆盖在陶瓷透气盖10内端面，相对于一般电热丝，表面积更大，提供了更高功率密度、更均匀的热量分布。
24.2、利用浸润原理，毛细管200将水吸入格栅201内流道，配合第一股气流可以快速将进入采集装置内的液态水导出，减少对vocs气体检测的影响，提高设备的采样灵敏度。
25.3、复合滤膜2与陶瓷外壳1之间有紧密的配合关系，定位精度更高，能更好适应钻机运动时的振动环境，不易发生位置窜动。
26.4、隔热层21具有的隔热效果，改善了vocs分离膜22工作时的温度环境，延长了其使用寿命。
27.5、与气体循环装置配合使用，气流通过陶瓷外壳1上的气体通道，携带vocs均匀吹向气体收集罩3，由于进出口压强差很大，vocs的收集效率被大大加快。
28.6、vocs分离膜22中金属骨架的支撑作用，通过折叠变形吸收能量，增强了膜的机械性能，能够抵抗一定程度的振动与冲击能力，不易变形与损坏。
29.7、该装置结构一体化程度极高，vocs分离膜22采用3d打印技术制造，易于根据钻机尺寸定制，仅需简单的安装与固定便可以与钻进设备、vocs在线检测系统协同使用。
附图说明
30.图1为本发明整体爆炸示意图。
31.图2为本发明整体结构剖面示意图。
32.图3为本发明陶瓷透气盖10、柔性加热元件11结构示意图。
33.图4为本发明陶瓷透气盖10、导水层20装配示意图。
34.图5为本发明陶瓷筒身12剖面示意图。
35.图6为本发明第一流道120、第二流道121结构示意图。
36.图7为本发明导水层20结构示意图。
37.图8为本发明vocs分离膜22结构示意图。
38.图9为本发明“采集气体”功能原理示意图。
39.图10为图9局部放大图，用以说明“排水”功能原理。
具体实施方式
40.下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述。
41.如图1所示，一种土壤加热及挥发性有机物采集装置，包括陶瓷外壳1、复合滤膜2以及气体收集罩3；如图2所示，陶瓷外壳1端面垂直于地面设置，复合滤膜2压入陶瓷外壳1空腔，气体收集罩3与陶瓷外壳1右端面使用螺栓锁紧，上述连接位置均有橡胶圈密封。
42.如图2所示，所述的陶瓷外壳1包括陶瓷透气盖10、柔性加热元件11及陶瓷筒身12，
柔性加热元件11嵌在陶瓷透气盖10内端面，陶瓷透气盖10与陶瓷筒身12之间放置密封圈后使用螺栓锁紧。
43.如图2所示，所述的复合滤膜2包括导水层20、隔热层21及vocs分离膜22，三者连为一体，隔热层21夹于导水层20与vocs分离膜22之间，导水层20靠近陶瓷透气盖10一侧，vocs分离膜22靠近气体收集罩3一侧；隔热层21由多孔隔热材料制成，例如蜂窝蓄热体、泡沫陶瓷等，在不影响透气性的同时具有良好的隔热效果；开启采集操作后，vocs气体按照先后顺序，依次穿过导水层20、隔热层21及vocs分离膜22。
44.如图2所示，所述的气体收集罩3为两侧开口的薄壁容器，与陶瓷外壳1组合形成更大体积的储气内腔，气体收集罩3出口通过管道连接vocs在线检测系统，传递vocs用于分析成分含量。
45.如图3所示，所述的陶瓷透气盖10包括透气盖板100、环形塞101，透气盖板100内侧安装有环形塞101；透气盖板100设置有多个相互平行、与轴线夹角45
°
的斜孔102，形成“上坡”，在钻机下降的过程中，土壤颗粒很难通过斜孔102；透气盖板100内端面设置有“回环曲线形”沟槽103，用来布置柔性加热元件11，充分利用了透气盖板100的内端面空间，沟槽103可以根据加热面积、温度需求自由调整，保证在空间上不与所述斜孔102相交即可。
46.柔性加热元件11制造和安装方式可以如下：将沟槽103形状设计成cad并转移至薄金属箔上，通过蚀刻图案形成加热片，将其压入沟槽103中后，在第一出线点110、第二出线点111位置焊接导线，最后在表面涂覆一层环氧水泥绝缘处理。
47.如图4所示，透气盖板100侧面设置有2个圆形通孔，柔性加热元件11的导线从圆形通孔中伸出与直流电源连接；环形塞101与陶瓷筒身12内壁过盈配合，环形塞101端面设置一系列缺口，缺口形状根据导水层20外形设计，使导水层20可以嵌套在缺口内且端面保持平齐，有效避免因钻机振动引起的复合滤膜2窜动。
48.如图5所示，所述的陶瓷筒身12内壁直径变化一次形成台阶，左侧内径大于右侧内径，左侧内径与陶瓷透气盖10的环形塞101外径尺寸相等，使得环形塞101能够插入陶瓷筒身12配合，进一步压紧导水层20；陶瓷筒身12还包括第一流道120和第二流道121，第一流道120接近陶瓷透气盖10，用于导出采集装置内的液态水，第二流道121接近复合滤膜2，用于加快vocs传输，第二流道121与第一流道120在空间上相互独立，互不相通。
49.如图5、图6所示，第一流道120对称设置，对称面为经过陶瓷筒身12轴线的平面，对称面上侧设有1个第一进气孔120-1、第一圆弧形内流道120-2以及12个第一出气孔120-3，形成“一进多出”的气体通道；与之类似，对称面另一侧设有12个进水孔120-4、第二圆弧形内流道120-5及1个出水孔120-6，形成“多进一出”的液体通道；第一出气孔120-3与进水孔120-4结构相同，横截面均为面积0.9mm2的正方形，第一进气孔120-1与出水孔120-6结构相同，为内径3mm的圆孔。
50.第二流道121包括1个第二进气孔121-1、环形内流道121-2及8个第二出气孔121-3，第二进气孔121-1与第一进气孔120-1结构相同，第二出气孔121-3沿圆周方向均匀分布。
51.如图7所示，所述的导水层20包括剪裁成圆形的格栅201、毛细管200两部分，格栅201内部中空且上下两侧开口；毛细管200垂直于格栅201布置，直径为0.8mm，每两个相邻毛细管间距不大于3mm，形成众多数量的“l”型流道。
52.如图8所示，所述的vocs分离膜22是在金属骨架基础上与高分子膜复合而成，其中
金属骨架是一种多孔点阵结构作为基膜支撑，使用3d打印技术制造，高分子膜为任意一种利用溶解扩散机理工作的致密聚合物材料，金属骨架厚度大于高分子膜的厚度。
53.多孔点阵结构的基本单元(也称胞元结构)与表征化学分子空间结构的球棍模型类似，特殊地，上下两个顶点位置为半球体形状，平面在外侧，球面在内侧；该点阵结构平面的总面积占膜总面积比值不超过25％，内部有大量空隙用来填充致密聚合物材料，保证了分离vocs的效果；在冲击载荷下会发生动态折叠，结构内部发生大的弹性变形，进而吸收大部分冲击能量，这样做使vocs分离膜22获得了良好的抗振动、抗冲击性能，不易损坏。
54.如图9所示，土壤加热及挥发性有机物采集装置与气体循环装置配合使用，气体循环装置须提供两股气流，可以为氮气或其他气体，其中第一股气流压强小于第二股气流压强；气体循环装置的输出端通过软管连通第一进气孔120-1、第二进气孔121-1；开启采集操作后，第二股气流从第二进气孔121-1吹入，进入环形内流道121-2，通过8个第二出气孔121-3携带vocs吹向气体收集罩3出口。
55.如图9所示，所述的格栅201上下两侧开口分别衔接陶瓷筒身12的第一出气孔120-3、进水孔120-4，开启排水操作后，第一股气流接入第一进气孔120-1，进入第一圆弧形内流道120-2，通过第一出气孔120-3吹入格栅201内部。
56.如图10所示，当液态水进入采集装置空腔或水蒸气在腔内液化时，由于浸润作用，毛细管200将水吸入格栅201内，在重力作用下沿“l”型内流道向下流动，开启排水操作后，第一股气流由上至下将格栅201内部的水从进水孔120-4吹向第二圆弧形内流道120-5，经出水孔120-6排到外界或收集。
57.本发明的工作原理为：
58.将土壤加热及挥发性有机物采集装置集成于钻机设备，可以是钻头或钻杆的侧壁。开始工作时，钻机向下钻进，此时的冲击和振动都非常大，由于复合滤膜2已经完全固定在陶瓷外壳1上，防止了钻机振动引起的位置偏移；vocs分离膜22中金属骨架的存在，在冲击载荷作用下会发生动态折叠，吸收大部分冲击能量，避免膜发生大变形甚至损坏；土壤颗粒顺着陶瓷保护壳向上挤压，由于斜孔102坡度较大，土壤颗粒几乎不能进入到采集装置内部；下探至待检测土壤层高度后，柔性加热元件11开始加热，随着土壤温度上升，vocs及其他气体逸出，所有气体从导水层20的间隙中通过，接着穿过隔热层21的孔洞，隔热层21隔绝了大部分热量保证vocs分离膜22有效，最终只有vocs能从vocs分离膜22的高分子膜中穿过。
59.对土壤加热指定时间后，便可开启采集操作，气体循环装置持续向第二进气孔121-1吹入第二股气流，通过8个第二出气孔121-3携带vocs吹向气体收集罩3出口，由于进出口压强差很大，vocs的收集效率被大大加快，从气体收集罩3出口流出的vocs传递到在线检测系统，进而分析成分含量。
60.然而在采集过程中，液态水有可能进入采集装置内，导水层20利用浸润作用，将水滴富集至毛细管200开口处，在重力作用下，沿格栅201内流道向下流；开启排水操作后，气体循环装置产生的第一股气流接入第一进气孔120-1，将格栅201内部的水吹向出水孔120-6，排到外界或收集；关闭排水操作后，第一股气流立即关闭，同时保持第二股气流的开启状态，不影响vocs采集；根据采集装置内进水状况选择开启或关闭排水操作，例如可以在陶瓷外壳1内壁设置水浸传感器检测进水状况。
61.待vocs在线检测系统得出分析结果后，关闭采集操作，第二股气流立即关闭，改变钻进土壤层深度，继续重复上述过程直至结束。
62.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种土壤加热及挥发性有机物采集装置，包括陶瓷外壳(1)、复合滤膜(2)以及气体收集罩(3)，其特征在于：陶瓷外壳(1)端面垂直于地面设置，复合滤膜(2)密封在陶瓷外壳(1)空腔内，气体收集罩(3)与陶瓷外壳(1)远离土壤一侧端面固定连接；所述陶瓷外壳(1)包括陶瓷透气盖(10)、柔性加热元件(11)及陶瓷筒身(12)，柔性加热元件(11)嵌在陶瓷透气盖(10)内端面，陶瓷透气盖(10)与陶瓷筒身(12)之间固定连接；所述复合滤膜(2)包括导水层(20)、隔热层(21)及vocs分离膜(22)，三者连为一体，隔热层(21)夹于导水层(20)与vocs分离膜(22)之间，导水层(20)靠近陶瓷透气盖(10)一侧，vocs分离膜(22)靠近气体收集罩(3)一侧；开启采集操作后，vocs气体按照先后顺序，依次穿过导水层(20)、隔热层(21)及vocs分离膜(22)；所述气体收集罩(3)为两侧开口的薄壁容器，与陶瓷外壳(1)组合形成更大体积的储气内腔。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述陶瓷透气盖(10)包括透气盖板(100)、环形塞(101)，透气盖板(100)设置有多个相互平行、与轴线夹角45
°
的斜孔(102)，内端面设置有“回环曲线形”沟槽(103)，所述柔性加热元件(11)布置在沟槽(103)中，透气盖板(100)侧面还设置有2个圆形通孔，柔性加热元件(11)的导线从圆形通孔中伸出与直流电源连接；环形塞(101)与陶瓷筒身(12)内壁过盈配合，环形塞(101)端面设置一系列缺口，导水层(20)嵌套在缺口内且二者端面保持平齐。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的沟槽(103)根据加热面积、温度需求设计具体形状，在空间上不与斜孔(102)相交。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述柔性加热元件(11)通过蚀刻薄金属箔而形成，将其压入陶瓷透气盖(10)的沟槽(103)中后，在第一出线点(110)、第二出线点(111)位置焊接导线，最后在表面涂覆一层环氧水泥绝缘处理。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述陶瓷筒身(12)内壁直径变化一次形成台阶，与陶瓷透气盖(10)相配合的一侧，陶瓷筒身(12)内径较大，且与环形塞(101)外径尺寸相等；陶瓷筒身(12)还包括第一流道(120)和第二流道(121)，第一流道(120)接近陶瓷透气盖(10)，用于导出采集装置内的液态水；第二流道(121)接近复合滤膜(2)，用于加快vocs传输，第二流道(121)与第一流道(120)在空间上相互独立，互不相通。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述第一流道(120)对称设置，对称面为经过陶瓷筒身(12)轴线的平面，对称面一侧设有1个第一进气孔(120-1)、第一圆弧形内流道(120-2)以及12个第一出气孔(120-3)；对称面另一侧设有12个进水孔(120-4)、第二圆弧形内流道(120-5)及1个出水孔(120-6)，第一出气孔(120-3)与进水孔(120-4)结构相同，第一进气孔(120-1)与出水孔(120-6)结构相同；第二流道(121)包括1个第二进气孔(121-1)、环形内流道(121-2)及8个第二出气孔(121-3)，第二进气孔(121-1)与第一进气孔(120-1)结构相同，第二出气孔(121-3)沿圆周方向均匀分布。7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述导水层(20)包括剪裁成圆形的格栅(201)、毛细管(200)两部分，格栅(201)嵌套在环形塞(101)缺口内，且二者端面保持平齐，格栅(201)内部中空且上下两侧开口，开口衔接陶瓷筒身(12)的第一出气孔(120-3)、进水孔(120-4)；毛细管(200)垂直于格栅(201)布置。8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述隔热层(21)由多孔隔热材料制成，包
括蜂窝蓄热体、泡沫陶瓷。9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述vocs分离膜(22)是在金属骨架基础上与高分子膜复合而成，其中金属骨架是一种多孔点阵结构作为基膜支撑，使用3d打印技术制造，高分子膜为任意一种利用溶解扩散机理工作的致密聚合物材料，金属骨架厚度大于高分子膜的厚度。10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述土壤加热及挥发性有机物采集装置与气体循环装置配合使用，气体循环装置须提供两股气流，其中第一股气流压强小于第二股气流压强，气体循环装置的输出端连通第一进气孔(120-1)、第二进气孔(121-1)；开启采集操作后，第二股气流从第二进气孔(121-1)吹入，通过8个第二出气孔(121-3)携带vocs吹向气体收集罩(3)出口；开启排水操作后，第一股气流从第一进气孔(120-1)吹入，将格栅(201)内部的水吹向出水孔(120-6)，排到外界或收集。

技术总结

一种土壤加热及挥发性有机物采集装置，包括陶瓷外壳，陶瓷外壳端面垂直于地面设置，复合滤膜密封在陶瓷外壳空腔内，气体收集罩与陶瓷外壳远离土壤一侧端面固定连接；陶瓷外壳包括柔性加热元件，柔性加热元件嵌在陶瓷透气盖内端面；复合滤膜包括导水层、隔热层及VOCs分离膜，三者连为一体，隔热层夹于导水层与VOCs分离膜之间；开启采集操作，VOCs气体按照先后顺序，依次穿过导水层、隔热层及VOCs分离膜；本发明搭配钻机及测量设备现场检测VOCs，在提高采集效率的前提下，使其具备了耐磨损、抗冲击、耐高温、服役寿命长等更多优点；该装置结构一体化程度极高，便于根据钻机尺寸定制，安装简单，在不同土壤环境和不同钻机工况时均能保证工作稳定性。工作稳定性。工作稳定性。