一種水-沉積物界面原位采樣固定的方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種水-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。沉積柱采樣管由內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、單向氮氣排出閥、自增壓式液氮罐共同組成液氮冷凍系統。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后放入水中采樣，當水-沉積物界面進入樣品采集管的冷凍腔范圍后開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，向冷凍腔內加入湖水，固態沉積柱從樣品采集管中滑出，將沉積柱冷凍保存運輸。該方法避免了常規采樣方法的采樣、運輸過程中對沉積物結構的擾動，并方便二次取樣分析。
【專利說明】一種水-沉積物界面原位采樣固定的方法與裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于水環境研究領域，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】
[0002]河流、湖泊水-沉積物界面孔隙作為沉積物與上覆水體進行物質交換的通道，其孔隙大小、連通度、曲折度等結構特性極大地影響著水-沉積物界面的物質擴散通量，對污染物的生物地球化學循環有重要意義。水-沉積物界面在采樣和運輸過程中非常容易受到擾動。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沉積物的方法，采集后的沉積柱運到實驗室進行后續處理。這種采樣方法以下問題:采集沉積柱的深度不確定，運輸過程中界面結構會收到影響，采集到的樣品難以在不擾動的情況下進行二次取樣，無法通過后續的X射線計算機斷層、電鏡掃描分析技術獲得原狀沉積物界面結構。
【發明內容】
[0003]為了克服采樣和運輸對過程對沉積物結構擾動的問題，方便樣品二次取樣分析，本發明提供了一套水-沉積物界面原位采樣固定的方法和裝置，可以實現在盡量少擾動沉積物的情況下，定位采集水-沉積物界面并進行固定，減少累積擾動并方便二次取樣。
[0004]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:依托自重力沉積柱采樣支架，設計沉積柱采樣管(包含內部樣品采集管和外部冷凍腔)和液氮冷凍系統(自增壓式液氮罐、冷凍腔、液氮輸入管、單向氮氣排出閥)。具體操作是將采樣管放入采樣支架并連接液氮冷凍系統，將采樣管放入水下，當水-沉積物界面進入樣品采集管的冷凍腔范圍后，開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，實現水-沉積物界面的原位采樣和固定。核心技術方案為沉積柱采樣管和液氮冷凍系統。
[0005]采樣管設計包括內部樣品采集管和外部冷凍腔兩部分。內部樣品采集管是直徑小、壁薄的鐵質管，關鍵指標是直徑和壁厚。管壁較薄保證管壁占沉積柱樣品直徑比例較小，減少管壁對沉積物的擠壓影響，保證采樣過程中不破壞沉積物結構；鐵管直徑較小保證外部冷凍腔通過鐵管導熱對沉積柱樣品冷凍固定的效率，減少冷凍過程中晶格的產生，保證樣品固定過程中不影響沉積物結構。外部冷凍腔是環繞在內部樣品采集管上部外壁的隔熱塑料管(有真空夾層)，有液氮進口和出口，關鍵指標是冷凍腔的位置和容積、液氮進出口的位置。冷凍腔以樣品采集管(采樣管上部2/3范圍)為內壁，通過冷凍腔的液氮透過鐵管與沉積柱進行快速熱量交換固定沉積柱；除內壁外，冷凍腔的材料均為隔熱塑料管，保證液氮進入腔體后僅通過鐵管與采樣管內的沉積柱進行熱交換，對采樣管外的水和沉積物沒有熱交換，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而提高冷凍效率，另一方面靠內部樣品采集管下部1/3位置處開始存在的冷凍腔厚度來增加阻力，保證水-沉積物界面位置處于內部沉積柱采集管與液氮腔接觸的范圍。液氮進口在冷凍腔下部，出口在冷凍腔上部。
[0006]原位液氮冷凍系統設計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；液氮輸入管路為抗壓隔熱材質，保證在一定的水壓下也能通暢輸送液氮，并在輸送過程中減少熱損耗；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，保證熱交換產生的氮氣能及時排出，同時避免水進入冷凍系統。這些組件共同組成的液氮冷凍系統，在水-沉積物界面進入采樣管后開啟固定采樣管內沉積柱。
[0007]本發明的優點及效果:能夠定位采集水-沉積物界面，使界面位于液氮冷凍區域，減少因界面位置不確定帶來的低效率冷凍；能夠在原位采集并固定水-沉積物界面，避免了取樣和運輸過程中對沉積物界面結構的擾動；冷凍后的沉積柱在二次取樣時不易改變結構。
【專利附圖】
【附圖說明】
[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-氮氣排出孔，4-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，11-采樣管支架，12-重力環，13-單向封鎖蓋，14-水-沉積物界面，15-液氮。
【具體實施方式】
[0012]設計沉積柱采樣管的: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)下端設置液氮輸入孔(2)，上端設置氮氣排出孔(3)，保證在液氮冷凍系統的管路氣密性。
[0013]組裝采樣裝置:打開采樣管鎖定桿(8)，將沉積柱采樣管(I)插入自重力沉積柱采樣支架，關閉采樣管鎖定桿(8)，通過鎖定架(9)擠壓硅膠環(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)的氮氣排出孔(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(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)進入鐵管(6)到達冷凍腔(5)下端后，隔熱塑料管(4)下端和重力環(12)下端開始起阻力作用，使水-沉積物界面(14)在采樣管(I)內位置不會過深。
[0015]沉積柱固定:采樣器停止下降后，開啟自增壓式液氮罐，液氮開始通過液氮輸入孔
(2)進入冷凍腔(5)，冷凍腔內液氮(15)由于與鐵管(6)內沉積物(14)熱交換變成氮氣，當達到一定壓力后，通過氮氣排出孔(3)排出氮氣，彈簧式止回閥保證水不會倒灌進入冷凍腔。
[0016]沉積柱取樣:5分鐘后關閉液氮閥，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)，從氮氣排出孔(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)放入冷凍箱保存運輸，直接用于分析或進行二次切割取。
【權利要求】
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(冷凍腔與液氮輸入管、單向氮氣排出閥)在自重力沉積柱采樣支架上，進行原位采集水-沉積物界面并固定。
2.根據權利要求1所述，沉積柱采樣管特征是樣品采集管長度大于冷凍腔，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位置，液氮輸入孔位于冷凍腔下端，氮氣排出孔位于冷凍腔上端。
3.根據權利要求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徑。
4.根據權利要求1所述，冷凍腔外壁為隔熱管，樣品采集管外壁為導熱性好的材料。
5.根據權利要求1所述，水-沉積物界面進入樣品采集管的冷凍腔范圍后開啟液氮冷凍系統固定沉積柱，待沉積柱固定后將采樣器取出水面，向冷凍腔內加入水取出固態沉積柱。
【文檔編號】G01N1/10GK104048849SQ201310080310
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月13日 優先權日:2013年3月13日
【發明者】單保慶, 溫勝芳, 孔學紅, 張洪, 唐文忠 申請人:中國科學院生態環境研究中心