Устройство для отбора проб почвогрунтового порового раствора

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА ПРОБ ПОЧВОГРУНТОВОГО ПОРОВОГО РАСТВОРА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(72) Автор Комиссаров Феликс Давыдович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт радиобиологии Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Устройство для отбора проб почвогрунтового порового раствора, включающее полый проницаемый для растворов зонд, скрепленный с ним стакан, соединительную трубу,водоподъемную трубку, воздуховодную трубку, насос для создания разрежения или давления в зонде или соединительной трубе и манометр, отличающееся тем, что боковая и верхняя торцевая поверхности зонда выполнены из нержавеющей стальной сетки, внутренний объем зонда заполнен волокнистым материалом, а нижняя часть зонда выполнена 5084 1 в виде металлического кольца с выступами по периметру и с уклоном к отверстию в центре, в котором установлена соединительная труба с отбортовкой в ее верхней наружной части и резьбой в нижней, соединяющая между собой зонд в его нижней части с крышкой стакана изнутри при помощи гайки, при этом на крышке стакана вокруг отверстия имеется выступ, на который опирается металлическое кольцо зонда, причем в зазоре между зондом и крышкой стакана размещены подвижные короба с боковой режущей кромкой с наклоном внутрь устройства, установленные подвижно на стойках крышки стакана с возможностью поворота на угол 90 вокруг вертикальной оси устройства по часовой стрелке под действием выступов на нижней поверхности металлического кольца, причем водоподъемная трубка закреплена жестко на дне стакана, а воздуховодная трубка установлена в боковой стенке крышки стакана. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в крышке стакана со стороны зонда выполнена выточка с уклоном к соединительной трубе, образующая емкость для сбора поступающего раствора, а в дне выполнены отверстия. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в стакане закреплена капсула с серной кислотой, снабженная трубкой, достигающей уровня входа в стакан воздуховодной трубки. 4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве волокнистого материала используются ультратонкие волокна перхлорвинила или ацетилцеллюлозы.(56)1423935 1, 1988.1638602 1, 1991.1769052 1, 1992.1054718 1, 1983.1187272, 1970. Изобретение относится к технике контроля состояния подземных вод и может быть использовано в гидрогеологии, мелиорации, почвоведении и при охране окружающей среды от загрязнения химическими веществами, в частности для отбора поровых вод, загрязненных радиоактивными веществами. Известно устройство для отбора почвенных вод, включающее вертикальную трубу,снабженную фильтром, колпак, установленный на верхнем конце трубы, и стаканотстойник, при этом фильтр выполнен в виде перфорированных трубок и закрепленных к ним коробов с дренажным слоем фильтрующего материала, причем трубки закреплены с уклоном к нижнему концу трубы, а короба установлены с уклоном к трубкам 1. К недостаткам указанного устройства следует отнести то, что для установки его в грунт необходимо произвести подготовительные работы - уширение в верхней части скважины диаметром большим диаметра самой скважины для установки устройства с фильтрующими трубками и после установки устройства в скважину на требуемую глубину засыпают выбранный грунт насыпом и при этом происходит перемешивание ранее сложившихся слоев почвы. При таком производстве подготовительных работ отобранные воды не могут быть представительными ввиду того, что произошло нарушение структуры грунта и поэтому вертикальная фильтрация вод по месту установки устройства будет происходить по нарушенной структуре грунта и по перемешенной почве. Другим недостатком является трудоемкость при отборе из отстойника пробы воды ручным насосом или пробоотборником с донным клапаном, который не позволяет полностью забрать воду из отстойника. Известно устройство для отбора почвенных вод, аналогичное по своей конструкции ранее описанному, но отличающееся тем, что вертикальная труба выполнена с отверстием 2 5084 1 в нижней своей части для слива лишней воды, а устройство снабжено пробоотборным сосудом, выполненным с вертикальным пазом и штангой. К недостаткам устройства следует отнести то, что для его установки в скважину необходимо произвести большой объем подготовительных работ, связанный с нарушением целостности грунта, лежащего вокруг скважины по месту установки перфорированных трубок и прикрепленных к ним коробов. Известно устройство для отбора почвенных вод, содержащее вертикально устанавливаемую в грунте трубу с закрытым нижним концом, фильтром с фильтрующим материалом на нижнем конце и колпаком на верхнем конце. Устройство снабжено закрытым снизу сосудом, установленным с кольцевым зазором на нижнем конце трубы, заполненным фильтрующим материалом, а нижний конец трубы выполнен перфорированным и при этом, фильтрующий материал насыщен водой 2. К недостаткам устройства следует отнести необходимость предварительного насыщения фильтрующего материала водой, которая может внести изменения в представительность отобранной пробы. Вторым недостатком является предварительное заполнение кольцевого зазора фильтрующим материалом, например песком, который естественно обладает поглощающей емкостью для химических веществ, находящихся в собираемой воде, что, естественно, вносит погрешность в представительность отобранной пробы. Третьим недостатком является то, что конструкция устройства в его нижней части имеет утолщение, образованное открытым сверху сосудом, заполненным фильтрующим материалом - песком. Установка устройства в грунт требует бурения скважины диаметром,большим диаметра установленной в грунте трубы, что требует заполнения скважины после установки устройства насыпным способом выбранным из нее грунтом, и в этом случае нарушается представительность отобранной пробы воды при изучении миграции вод в грунте. Наиболее близким по своей технической сущности является устройство для отбора проб почвогрунтового порового раствора. Устройство содержит полупроницаемый керамический зонд с укрепленным внутри стаканом с отверстиями, выполненным из инертного для воды материала, соединительную трубу с пробкой, водоподъемную трубку,опущенную в стакан, воздухопроводную трубку, зажимы, насос для создания разрежения или давления, манометр и водосборный сосуд с резиновой пробкой. Оно снабжено установленным в зонде стаканом, выполненным с отверстиями и закрепленным в верхней части зонда, причем водоподъемная труба установлена внутри стакана 3. Устройство работает следующим образом. Для отбора нормированного количества порового раствора устройство устанавливают на необходимую глубину в почвогрунт. Посредством тампонировки создается хороший контакт поверхности зонда с почвогрунтом. После насыщения сухой пористой керамики влагой грунта в зонде с помощью вакуумного насоса создают разрежение 80-95 кПа и под действием разрежения поровый раствор накапливается внутри зонда и через отверстия поступает в стакан. В момент отбора пробы порового раствора устройство разгерметизируется, почвогрунт впитывает лишний раствор из зонда, а в стакане остается лишь нормированное количество раствора, которое методом нагнетания или разрежения поднимается в водоподъемной трубке в водосборный сосуд. К недостаткам устройства следует отнести следующие. 1. Выполнение зонда из полупроницаемого керамического материала, обеспечивает поступление растворенных в воде химических веществ с наружной стороны зонда внутрь устройства, но при этом керамический материал имеет некоторую сорбционную емкость поглощает в объеме и сорбирует на поверхностях материала и его порах из раствора часть растворенных в воде химических соединений, и при этом проходящий через зонд раствор становится несколько обедненным и поэтому непредставительным. 2. Под действием разрежения, создаваемого вакуумным насосом при подготовке к отбору пробы, поровой раствор накапливается внутри зонда и через отверстия поступает в 3 5084 1 стакан. После разгерметизации устройства в стакане остается только нормированное уровнем отверстия количество порового раствора, остальная его часть, согласно описанию, впитывается обратно в грунт, и при этом химические вещества, сорбированные в порах керамики и на ее наружной поверхности, частично вымываются обратно в грунт, а осевшие на внутренних поверхностях зонда остаются. Таким образом, оставшиеся сорбированными на внутренних поверхностях и объеме керамики химические вещества мы не можем после их выщелачивания из керамики присоединить к отобранному раствору по причине их принадлежности к водам, поступившим обратно в почвогрунт, следовательно,раствор будет непредставительным. 3. Расположение устройства зондом вниз также является недостатком, т.к. не позволяет производить отбор пробы раствора из грунта, непосредственно расположенного над устройством, при вертикальной миграции раствора. 4. При установке устройства в скважине для обеспечения контакта зонда с грунтом производят тампонирование грунта, что приводит к разрушению естественного расположения слоев грунта и, следовательно, при этом происходят процессы вымывания солей из этих слоев грунта по неестественным для него путям и, следовательно, полученная проба раствора является непредставительной. Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства, которое бы исключало все недостатки прототипа и позволяло производить отбор представительных проб вод почвогрунтового порового раствора и вод, присутствующих в порах грунтов в виде пара. Поставленная задача решается тем, что устройство для отбора почвогрунтового порового раствора, включающее полый проницаемый для растворов зонд, скрепленный с ним стакан, соединительную трубу, водоподъемную трубку, воздуховодную трубку, насос для создания разряжения или давления в зонде или соединительной трубе и манометр. Отличительной особенностью устройства является то, что боковая и верхняя торцевая поверхность зонда выполнена из нержавеющей стальной сетки, внутренний объем зонда заполнен волокнистым материалом, а нижняя часть зонда выполнена в виде металлического кольца с выступами по периметру и с уклоном к отверстию в центре, в котором установлена соединительная труба с отбортовкой в ее верхней наружной части и резьбой в нижней, соединяющая между собой зонд в его нижней части с крышкой стакана изнутри при помощи гайки, при этом на крышке стакана вокруг отверстия имеется выступ, на который опирается металлическое кольцо зонда, причем в зазоре между зондом и крышкой стакана размещены подвижные короба с боковой режущей кромкой с наклоном внутрь устройства, установленные подвижно на стойках крышки стакана с возможностью поворота на угол 90 вокруг вертикальной оси устройства по часовой стрелке под действием выступов на нижней поверхности металлического кольца, причем водоподъемная трубка закреплена жестко на дне стакана, а воздуховодная трубка установлена в боковой стенке крышки стакана, отличается тем, что в крышке стакана со стороны зонда выполнена выточка с уклоном к соединительной трубе, образующая емкость для сбора поступающего раствора, а в дне выполнены отверстия, отличающееся тем, что в стакане закреплена капсула с серной кислотой, снабженная трубкой, достигающей уровня входа в стакан воздуховодной трубки, отличающаяся тем, что в качестве волокнистого материала используются ультратонкие волокна перхлорвинила или ацетилцеллюлозы. На фиг. 1 изображено устройство в разрезе, общий вид с развернутыми коробами. На фиг. 2 - разрез по линии А-А на фиг. 1. На фиг. 3 изображен зонд с коробами в исходном положении. На фиг. 4 - разрез по линии А-А на фиг. 2. На фиг. 5 изображено устройство в позиции отбора проб водных растворов. Устройство для отбора проб почвогрунтового порового раствора включает в себя полый проницаемый для растворов зонд 1, стакан 2, соединительную 3 трубу, водоподъем 4 5084 1 ную трубку 4, воздуховодную трубку 5, насос 6, манометр 7, волокнистый материал 8, металлическое кольцо 9 с выступами 10, отверстие 11, отбортовку 12, резьбу 13, крышку 14,гайку 15, зазор 16, выступ 17, подвижные короба 18 с боковой режущей кромкой 19, стойки 20, выступы 21 на нижней поверхности кольца, выточку 22 с уклоном, отверстия 23,капсулу 24 с серной кислотой и трубкой 25, плоские пружинные фиксаторы 26, кольцо 27 затвора 28. Выполнение боковой и верхней торцевой поверхности зонда 1 из нержавеющей стальной сетки с ячейками размерами меньше наименьших частичек грунта исключает забивку отверстий сетки и обеспечивает высокую проницаемость для проникающих через нее растворов и низкие сорбционные свойства для химических соединений. Заполнение зонда 1 волокнистым материалом 8, имеющим высокую гигроскопичность и плотный контакт с металлической сеткой зонда 1 и частичками почвы, создает условия,исключающие барьер между почвой, металлической сеткой зонда 1 и волокнистым материалом 8 для просачивающихся растворов. Выполнение металлического кольца 9 с уклоном и отверстием 11 в центре исключает образование в зонде 1 застойных зон для воды. Выполнение соединительной трубы 3 с отбортовкой 12 в ее верхней наружной части и с резьбой 13 в нижней обеспечивает соединение зонда 1 с крышкой 14 стакана 2 изнутри при помощи гайки 15. Выполнение выступа 17 на крышке 14 стакана 2 вокруг отверстия 11 обеспечивает зазор 16 между зондом 1 и крышкой 14. Размещение в зазоре 16 между зондом 1 и крышкой 14 подвижных коробов 18 и закрепление их подвижно на стойках 20 с наклоном внутрь устройства обеспечивает сбор и слив растворов в стакан 2. Обеспечение возможности поворота на 90 подвижных коробов 18 с режущей кромкой 19 на осях стоек 20 под действием цилиндрических выступов 21 на нижней поверхности кольца 9 делает возможным их вывод за габариты стакана 2 и легкое внедрение в грунт. Выполнение выточки 22 в крышке 14 стакана 2 с уклоном к соединительной трубе 3 образует емкость для сбора растворов, а в ее дне отверстий 23 обеспечивает слив, отобранных растворов в стакан 2. Закрепление внутри стакана 2 капсулы 24 с серной кислотой и трубкой 25, достигающей уровня входа в стакан 2 воздуховодной трубки 5 и размещение ее конца в центре стакана 2 под отверстием 11, обеспечивает выход паров серной кислоты и проникновение их в волокнистый материал 8, где и происходит присоединение к парам кислоты паров воды с примесями химических соединений и образование аэрозолей. Заполнение зонта 1 волокнистым материалом 8 из ультратонких волокон перхлорвинила (ФПП) или ацетилцеллюлозы (ФПА) обеспечивает высокую химическую стойкость волокнистого материала 8 при воздействии на него химических соединений, растворенных в воде. Закрепление водоподъемной трубки 4 в дне стакана 2 обеспечивает возможность отбора всей пробы воды, собранной в стакане 2. Применение плоских пружинных фиксаторов 26, прикрепленных ко дну стакана 2,обеспечивает фиксацию устройства в скважине при подъеме кольца 27 затвором 28. Работа устройства. На выбранном участке для отбора проб почвенного раствора грунтовым цилиндрическим пробоотборником отбирают пробу грунта на заданную глубину. Из пробоотборника почву не извлекают, а откладывают его в сторону. Устройство в сборе с введенными под зонд 1 коробами 18 устанавливают в скважину на заданную глубину и затвором 28 поднимают кольцо 27 и тем позволяют фиксаторам 26 внедриться в грунт под действием силы тяжести устройства. Торцовый ключ надевают на зонд и приводят его вырезы в соединение с выступами 10 кольца 9, поворачивают зонд 1 по часовой стрелке 5 5084 1 на угол 90 и тем самым внедряют короба 18 в грунт. Берут пробоотборник, извлекают из него часть пробы высотой равной, высоте устройства, и обрезают ее, а оставшуюся в пробоотборнике часть помещают в скважину дерниной вверх и слегка прижимают в направлении к устройству. Такая подготовка к отбору пробы обеспечивает хороший контакт зонда 1 с верхним слоем грунта и позволяет при поступлении почвогрунтового порового раствора из боковых и верхних слоев грунта получать достоверную и представительную пробу порового раствора. При отборе пробы вод, находящихся в порах грунта в виде пара, в стакан 2 предварительно помещают капсулу 24 с серной кислотой, которая имеет высокую гигроскопичность и пары которой служат центрами конденсации паров воды вокруг агрегатов молекул паров кислоты, и при этом молекулы воды вместе с присоединенными к ним химическими элементами или радиоактивными веществами конденсируются, оседая на дно стакана 2. Для ускорения поступления паров растворов из грунта в стакан 2 через зонд 1 на некоторое время возможно создание в зонде 1 разрежения. Отбор проб почвогрунтового порового раствора из стакана 2 устройства осуществляют при помощи вакуумного насоса 6, подключенного с помощью резиновой вакуумной трубки к водоподъемной трубке 4, при этом воздуховодная трубка 5 перекрывается вентилем. Вакуумным насосом 6 в емкости устройства создают разрежение порядка 80-95 кПа,которое измеряется манометром 7. Под действием разрежения поровый раствор накапливается внутри стакана 2, стекая из емкости зонда 1, и через отверстия 11 и 23 поступает в стакан 2. Отбор проб вод, находящихся в порах грунта в виде пара, осуществляют после того,как стакан 2 наполнится раствором, сконденсированных при помощи паров серной кислоты, разбавленной кислоты. На водоподъемную трубку 4 надевают резиновую вакуумную трубку и при помощи вакуумного насоса 6 через пробоотборный сосуд осуществляют откачивание воды из стакана 2 посредством создания разрежения в пробоотборном сосуде, в который помещены две коротенькие трубки, исключающие попадание раствора в вакуумный насос 6, одна из которых подсоединена к вакуумной резиновой трубке, а вторая к вакуумному насосу 6. При этом процессе вентиль воздуховодной трубки 5 открыт, обеспечивая в стакане 2 атмосферное давление. По сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет следующие преимущества 1) обеспечивает отбор проб почвогрунтового порового раствора на более высоком технологическом уровне. Так как изготовление зонда из нержавеющей стальной сетки обеспечивает отбор представительных проб почвогрунтовых растворов и исключает сорбцию растворенных в воде химических соединений и радионуклидов, поверхностью и объемной емкостью материала зонда, как в прототипе, и полученный раствор не обедняется растворенными в воде химическими соединениями 2) устройство обеспечивает отбор представительной пробы, так как не допускает потерь отобранных растворов из-за конструкционных недостатков устройства, связанных с невозможностью извлечь весь объем отобранной пробы 3) расположение устройства зондом вверх обеспечивает отбор проб растворов как боковой, так и верхней торцевой поверхностью зонда, то есть растворов поступающих вертикально через поверхность грунта 4) конструкция устройства исключает нарушение целостности верхних слоев грунта при установке устройства в грунт и при присоединении к нему коробов, предназначенных для увеличения площади отбора растворов, и не требует тампонировки скважины над верхней частью устройства там, где устанавливаются короба, увеличенной по причине установки коробов, как в аналоге,насыпанным грунтом на короба и на зонд 5) конструкция устройства, при установке в стакан капсулы с трубкой, заполненного серной кислотой, дает возможность производить отбор проб паров растворов, находящихся в порах грунтов, загрязненных радиоактивными веществами 6) заполнение зонда волокнистым материалом, способным противостоять агрессивным химическим растворам, обеспечивает возможность производить многоразо 6 5084 1 вую отмывку сорбированных на волокнах радионуклидов и присоединять обмывки к извлеченному из пор грунта грунтовому раствору для обеспечения хорошей представительности пробы 7) применение в устройстве подвижных, способных разворачиваться в скважине, коробов с режущей кромкой обеспечивает компактность устройства и облегчает внедрение коробов в грунт, и его установку в скважину со свернутыми коробами 8) применение в устройстве коробов обеспечивает как отбор проб почвогрунтового порового раствора, так и вод, поступающих в грунт в период паводков и половодий, т.е. в период полного насыщения ими грунтов укрепление водоподъемной трубки в дне стакана обеспечивает полное извлечение отобранной пробы раствора с помощью вакуумного насоса. Источники информации 1. А.с.638864, МПК 01 1/10, 1978. 2. А.с.983491, МПК 01 1/10, 1981. 3. А.с.1423935, МПК 01 1/16, 1988. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.