山东大学生物理科技创新大赛作品申报书.docx
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山东大学生物理科技创新大赛作品申报书
作品编号
山东省第七届大学生物理科技创新大赛
作品申报书
作品名称：
可变电场处理石油污染土壤实验的一体化测量装置
学校全称：
中国石油大学（华东）
申报者姓名：
?
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指导教师：
?
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类别：
□物理量的测试、分析仪器或装置（A类）
□物理实验教学的仪器或装置（B类）
■需用多媒体方式展示的无法拿到现场的作品（C类）
山东省第七届大学生物理科技创新大赛组委会制
2015年5月
申报者情况
申报者情况
姓名
?
?
?
性别
男
出生
年月
19**.07
学校全称
中国石油大学（华东）
专业
材料物理
现学历
本科
年级
13级
学制
四年
通讯地址
中国石油大学（华东）理学院材料物理1302
联系电话
***********
合作者情况
姓名
性别
年龄
学历
所在单位
王双优
男
20
本科
中国石油大学（华东）
王虹璎
女
20
本科
中国石油大学（华东）
指导教师情况和意见
指导教
师情况
姓名
***
性别
男
年龄
50
职称
教授
单位
中国石油大学（华东）理学院
联系电话
***********
对作品的真实性以及作品的意义、水平等评价
该作品设计制作过程真实，测试数据可靠，结果分析合理。
申报者的申报情况属实。
该作品采用一体式模块化设计制作思想，将土壤处理室、处理电极室、数据采集系统、处理液中和槽及处理液循环室等多个模块科学合理的设计成一个整体装置，具有提供灵活可控的匀强电场与非匀强电场、实时监测并控制处理液PH值、多参数实时显示与采集、多组实验同时处理等多项功能，为可变电场处理石油污染土壤的实验研究提供了功能齐全、操作方便、高效可靠的一体化实验装置。
申报者所在学院审核意见
年月日
申报作品情况（由申报者本人填写）
作品全称
可变电场处理石油污染土壤实验的一体化测量装置
展示形式及实物尺寸
□软件；
■实物及尺寸：
95cm×80cm×150cm
作品设计的目的和基本思路（相关资料作为附件，例如研究报告、实验数据、外观图、鉴定证书和应用证书等）
在参与完成大学生创新训练项目“土壤中石油污染物电磁场处理的实验研究”（编号20131271）时，发现采用目前文献中的实验装置进行实验，存在很多缺陷；为了研制新的实验装置，我们又申请立项了大学生创新训练项目“电动力学处理石油污染土壤的实验装置”（编号20142079）。
本作品是在上述创新训练项目研究工作的基础上取得的成果。
一、设计目的
1、解决实验室中传统的实验装置功能单一，无法提供灵活可控的匀强电场与非匀强电场，无法同时进行多组平行实验，无法自动采集实验数据，无法自动调节处理液PH值，无法实时反馈处理效果，无法实时显示土壤温度等问题；
2、新设计的实验装置，可同时进行多组平行实验，大幅降低土壤处理类实验的实验周期，提高实验效率以及对比实验的可靠性；
3、实现多物理量的一体化自动测量功能，在整个实验周期内不间断的对45组实验数据实时测量，极大的降低了实验操作的难度，提高了实验数据的准确性；
4、提供多种可变电场处理功能，通过改变电极盖板上的电极接入数目以及分布方式，来提供各种电场来满足实验处理需求；
5、实现PH值自动调节功能，减少人工调节PH的难度，减少化学试剂的加入，大幅降低实验成本；
6、实现处理与测量的一体化，为可变电场处理石油污染土壤的实验研究提供了功能齐全、操作方便、高效可靠的一体化实验装置。
二、基本思路
实验装置的实物图如图1所示，针对传统实验装置在设计上存在的诸多问题，进行逐一解决，并对传统实验装置进行改进设计，基本步骤如下：
1、通过参研大量国内外文献资料及市场上相关仪器的状况和存在的问题，借鉴成功的案例，对比传统实验装置，制定出最佳、最合理的实验装置改进设计方案；
2、参考Alshawabkeh等研究者探讨电极的排列对土壤污染物处理实验的影响以及罗启仕等利用柱状电极代替片状电极研究非均匀电动力学处理技术的研究资料，确定电极室内的电极分布，并初定土壤处理室的基本尺寸；
3、使用软件对电场进行模拟分析，根据实际实验过程的电极板之间的电压确定相关参数，以确定空间中的电场的基本辐射范围，然后在满足土壤处理室的基本条件下，确定阴阳电极室以及土壤处理室的最佳尺寸参数；
图1实验装置的实物图
4、在传统实验装置的土壤处理室中进行感应电极的数目以及分布，然后根据改进设计的土壤处理室尺寸进行优化，最终确定9×9的感应电极分布；
5、考虑zeta电位对处理结果的负面影响以及传统实验装置对zeta的解决办法，然后使用传统实验装置进行重复实验，确定污染物在处理液中的存在状态，结合文献资料，采用原液中和的解决方案；
6、根据解决方案设计处理液的原液中和槽，然后重新确定处理液循环回路，并进行测试实验，确定处理液中污染物的滤过速度，并根据滤过速度以及循环泵的循环速度确定中和槽的合理尺寸；
7、分析整个实验装置需要采集的参数，并对数据采集系统的适用范围进行限定，然后对电路中所有单片机程序进行调节，使其与硬件部分完整结合，调节继电器的工作效率，保证自动化测量的可靠性，最后换下测试电源，加载电源完成实验装置。
作品的创新点、技术难点和实际应用情况
一、创新点
1、合理设计阴阳电极室中的电极分布，通过软件模拟，确定其产生的电场类型，然后结合实验装置进行修正，以提供灵活可控的电场满足实验需求；
2、基于电解反应自身产生的酸碱液，通过控制处理液循环泵的循环速度，使处理液在实验装置的中和槽进行中和，从源头降低zeta电位对实验的影响，保证处理液的PH在一定区间波动，从而实现PH值得自动调节；
3、可同时进行多组平行实验，并能够使各组平行实验之间电场不相互干扰，并同时对其进行数据测量采集，极大的降低了实验所需的时间成本和资金消耗；
4、全过程全自动采集实验数据并实时显示，该实验装置的数据采集系统运用２个１６路继电器模块、信号放大器和调理电路等模块实现了实验中数据采集的功能作用，达到了高精准测量的效果，有效地解决了实验测量中的核心问题。
二、技术难点
1、如何将构成复杂、操作不便、数据采集困难、效率低下的传统实验装置集成化；
2、如何实现对处理土壤中不同区域电场的测量；
3、如何控制实验处理过程中处理液PH的稳定；
4、如何实现实验数据测量、采集、显示的自动化；
5、如何减缓处理电极的腐蚀；
6、如何提高系统的抗干扰能力；
7、如何精准控制处理过程中的电场的微弱变化；
8、如何有效减少处理液中存在的污染物，以及进入处理液的循环泵中的污染物，提高循环系统的稳定性。
三、实际应用情况
1、本实验装置的设计主要是针对可变电场处理石油土壤污染领域设计制作，前期已经进行过相关实验，在15V直流电压条件下，采用匀强电场接入方式，2天的去油率达到46.9%，基本符合预期。
2、本实验装置具有良好的兼容性，能够兼容以下实验：
可变电场处理F-污染土壤的实验研究，可变电场处理重金属污染土壤的实验研究，可变电场处理重金属污染土壤的实验研究。
3、与传统实验装置相比，本实验装置在连续工作72小时的情况下，无需人为干预，具有良好的稳定性。
4、在72小时测试实验过程中，传统实验装置需要8小时测一次数据，而且在调节PH的过程中十分困难，新型实验装置采用自动化测量，精度更高，操作简单，自动调节PH，大幅缩减了时间消耗和资源浪费，较为适用于长周期实验。
5、本实验装置是基于大学生创新实验项目制作，立足于实验室的需求，适用于在实验室进行推广，也适用于实际应用。
6、后期将尝试使用太阳能作为其驱动能源，并加入无线通讯模块，使其适用于野外实验。
其他说明
实用新型专利《可变电磁场处理石油污染土壤的实验装置》已授权
评审委员会意见
组委
会秘
书处
资格
审查
□通过审查□未通过审查
审查人（签名）
年月日
评审
小组
成绩
小组内排名：
得分：
组长（签名）
年月日
评审
会终
审建
议
□特等奖□一等奖
□二等奖□三等奖
□未获奖
主任（签名）
年月日
作品编号
山东省第七届大学生物理科技创新大赛
研究报告
作品名称：
可变电场处理石油污染土壤实验的一体化测量装置
学校全称：
中国石油大学（华东）
申报者姓名：
廖波
指导教师：
王殿生、杨喜峰
类别：
□物理量的测试、分析仪器或装置（A类）
□物理实验教学的仪器或装置（B类）
■需用多媒体方式展示的无法拿到现场的作品（C类）
第一章作品研究综述
1仪器研制项目简介
1.1团队简介
本团队是中国石油大学（华东）理学院组建的物理技能创新大赛竞赛团队，团队成员具有丰富的科研经历，其中团队负责人廖波：
承担国家级大学生创新性实验计划项目“电动力学处理石油污染土壤的实验装置（项目编号20142079）”；参加校级大学生创新实验项目“关于电动力学修复污染土壤技术改进的研究”（已结题）;在中文核心期刊发表一篇论文；申请国家实用新型专利1项。
团队的指导老师王殿生教授和杨喜峰博士主要从事物理实验教学与研究工作。
主持和承担校级以上教学研究项目30余项，获校级以上教学成果奖20多项。
主要科研方向有电磁理论及应用技术、油气渗流理论与应用和超导薄膜材料的制备与应用等，先后参加承担国家自然科学基金项目、省部级科研项目和其他科研项目10余项；获校级以上优秀科技成果奖7项，获国家发明专利1项。
多次指导学生参加科技活动并获得优异成绩。
1.2项目小结
项目名称：
可变电场处理石油污染土壤实验的一体化测量装置
项目开始时间：
2013年10月
项目主要解决问题：
解决实验室中传统的实验装置功能单一，无法提供灵活可控的匀强电场与非匀强电场，无法同时进行多组平行实验，无法自动采集实验数据，无法自动调节处理液PH值，无法实时反馈处理效果，无法实时显示土壤温度等问题；
项目主要创新点：
本作品基于可变电场处理土壤污染的原理，采用一体式模块化设计制作思想，将土壤处理室、处理电极室、数据采集系统、处理液中和槽及处理液循环室等多个模块科学合理的设计成一个整体装置，具有提供灵活可控的匀强电场与非匀强电场，多参数实时显示与采集，能同时进行多组平行实验以及远程监控与控制等多项功能。
为可变电场处理石油污染土壤的实验研究提供了功能齐全、操作方便、高效可靠的一体化实验装置，避免了繁琐的实验数据记录过程，提高了实验精度和实验的效率，对探究土壤的可变电场修复的相关影响因素意义重大。
2实验装置研究背景和发明目的
随着石油开采、利用的增加，石油对环境的污染倍受关注，而石油对土壤污染的危害尤为严重。
石油污染土壤后，通过食物链最终可在人体内积累，会导致人体畸形、突变甚至癌变。
石油成分复杂且为多组分的非极性分子，一旦进入生态环境，就需要几年甚至几十年的恢复期。
因此，开展快速、环保、有效的石油污染土壤修复方法的研究具有重要意义。
利用可变电场修复污染土壤是一种新兴的处理方法，具有成本低、耗能少、实用性强、可控性高、处理周期短、可实现原位修复等优点，从而最大限度的保护原有生态环境。
在参与完成大学生创新训练项目“土壤中石油污染物电磁场处理的实验研究”（编号20131271）时，发现采用目前文献中的实验装置进行实验，存在很多缺陷，；为了研制新的实验装置，我们又申请立项了大学生创新训练项目“电动力学处理石油污染土壤的实验装置”（编号20142079）。
在上述创新训练项目的基础上开展了本实验装置的研制工作。
本作品采用一体式模块化设计制作思想，将土壤处理室、处理电极室、数据采集系统、处理液中和槽及处理液循环室等多个模块科学合理的设计成一个整体装置，具有提供灵活可控的匀强电场与非匀强电场，多参数实时显示与采集，多组实验同时处理以及远程监控与控制等多项功能。
为可变电场处理石油污染土壤的实验研究提供了功能齐全、操作方便、高效可靠的一体化实验装置。
3当前国内外同类实验测量装置研制水平概述
电动力学处理（Electrokineticsremediation）是一种新型土壤修复方法。
该方法是20世纪80年代末兴起的，可以用于清除污染土壤和地下水中的重金属、氯代烃、石油烃等污染物。
电动修复技术是由美国路易斯安那州立大学研究出的一种净化土壤污染的原位修复技术，主要是针对受污染的低透水系数土壤及地下水的修复。
通过电流的作用，在电场的作用下，土壤中的重金属离子和无机离子以电透渗和电迁移的方式向电极运输，然后进行集中收集处理。
研究发现，土壤pH、缓冲性能、土壤组分及污染金属种类会影响修复的效果。
该方法特别适合于低渗透的粘土和淤泥土，可以控制污染物的流动方向。
电动修复是一种原位修复技术，不搅动土层，并可以缩短修复时间，是一种经济可行的修复技术。
近年来电动力法修复重金属污染土壤得到了快速的发展，在一些欧美国家已进入商业化。
Lasagna技术是一种污染土壤原位电动力学修复技术，该技术已经应用在美国肯塔基州的Paducah现场，该技术的设施是由几个平行的渗透反应区组成,类似于烤宽面条。
在渗透反应区中加入了吸附剂、接触反应剂、缓冲液和氧化剂、外加电场使污染物质迁移到渗透反应区中进行物理化学处理。
它的形式有水平和垂直2种，如图1.3.1所示。
图1.3.1Lasagna技术水平形式与垂直形式示意图
此方法在我国还仅限于针对受到重金属污染的土壤修复的实验研究规模：
熊钡在研究土壤重金属污染及治理技术时，刘剑等人在研究电动力学修复铜污染土壤的研究时使用的是自行设计的实验装置，结构如图1.3.2所示。
图1.3.2熊钡与刘剑等人设计的实验装置结构示意图
任大军在研究喹啉污染土壤的电动强化修复研究时是自行设计的实验装置，结构如图1.3.3所示。
图1.3.3任大军设计的实验装置结构示意图
林增森研究了电动力学修复污染土壤的改进技术；杨欣欣电解液对直流电场处理石油污染土壤的影响，其设计的实验装置结构如图1.3.4所示。
图1.3.4林增森与杨欣欣所设计的实验装置结构示意图
张广鑫在研究有关重金属污染土壤的电动力学修复研究时所设计的实验装置结构如图1.3.5所示。
图1.3.5张广鑫设计的实验装置结构示意图
孟祥婕在研究电动法修复苯酚污染土壤的实验研究时的实验装置结构如图1.3.6所示。
图1.3.6孟祥婕设计的实验装置结构示意图
李泰平在研究电动力学修复对沉积物理化性质的影响时所设计的装置结构如图1.3.7所示。
图1.3.7李泰平所设计的实验装置结构示意图
有机玻璃圆筒（Φ5.0cm×10.0cm）作为反应柱，穿孔石墨（Φ5.0cm×0.7cm）为阴阳极。
阳极室（100mL）和阴极室（100mL）连接在两端，通过恒流泵连接储液瓶和极室。
实验中250g沉积物与150mL去离子水混合配成一定含水率（40.7%），充分拌匀后逐层填入树脂玻璃反应器并压实。
反应柱与电极之间用尼龙绢（0.105mm）和滤纸隔开，防止沉积物进入极室。
依次装好电极、极室及两极液循环系统，穿孔石墨电极用导线连接到电源，实验过程中电流的变化通过串连万用表记录。
研究中共设计三组实验，施加电压梯度为1.5V/cm，阴极循环液均为去离子水，阳极液冲洗液分别为：
0.05mol/LNa2CO3（E1）、0.05mol/LNa2CO3和300g/LOP-10（E2）、0.05mol/LNa2CO3和50g/LOP-10（E3），其中E2和E3的阳极储液瓶在运行2d后加入Na2CO3调节pH为碱性，实验处理时间为13.5d。
周鸣等人在研究未脱水污泥中铅的电动力去除时设计的实验装置结构如图1.3.8所示。
图1.3.8周鸣设计的实验装置结构示意图
该装置由两部分组成，左侧为电解装置，其中阴极室与阳极室的电解液均采用去离子水。
右侧为阴极室电解液循环装置。
该循环装置的设计利用了虹吸原理。
如图1，右侧阴极室通过一根虹吸管连接电解液贮存室。
当阴极室液面下降时，贮存室的电解液（去离子水）在虹吸的作用下会沿虹吸管流入阴极室以保持两边液面一致。
这样，阴极室的电解液得以循环更新。
同时在贮存室适当位置开有一出水孔，多加入的电解液从此孔流出以保持液面的稳定。
该循环设计在保证阴极室电解液有效循环更新及液面稳定的同时，省去了实验对pH缓冲剂及蠕动泵的使用，简便节能且实验效果良好。
总之，目前在国内外进行此类实验时，大多数项目组都是采用自行设计的简易仪器来进行实验，缺少多功能一体化实验装置，本实验装置的制作会大幅改善这一情况。
第二章可变电场处理石油污染土壤实验的一体化测量装置研制说明
1仪器研制原理
1.1可变电场的产生原理
大量的文献资料表明，电极的间距、大小、形状以及排列方式都会对电动力学处理效果产生影响。
传统的电动力学处理装置中使用的是两块大小形状完全相同的电极板，得到均匀电场。
Alshawabkeh等研究者探讨电极的排列对土壤污染物处理实验的影响，罗启仕等利用柱状电极代替片状电极研究非均匀电动力学处理技术，得到非均匀电动力学处理过程可以提高2，4-二氯酚在土壤中的迁移速率。
因此在实验装置的改进设计上优先考虑可变电场的设置。
如图2.1.1所示，为本实验装置的阴阳电极室中的电极分布图。
图2.1.1阴阳电极室中的电极分布图
在图2.1.1中，1-5号为阳极电极室内的电极分布，6-10号为阴极电极室内的电极分布。
在中间的土壤处理室之中产生可变电场主要依靠调整1-10柱状石墨电极的接入以及加载在接入电极上的电压。
目前在实验过程中主要采用以下几种电极分布的接入方式。
图2.1.2对三式分布接入
图2.1.3对二式分布接入
图2.1.4对四式分布接入
图2.1.5三角形式分布接入
这四种接入方式为控制其产生的电场分布类型，而改变其加载的电压则是改变其电场强弱。
1.2PH自动调节原理
电解反应产生的H+和OH-，使得土壤中形成酸性带和碱性带，如果对此不加以限制，就会改变土壤性质，并且酸性带随着电渗析流的流动会导致电位降低，甚至使电位方向反转从而减弱电渗析流，影响处理效果。
pH的变化也会致使工作电压的升高和耗能的增大，影响电动力学处理效果。
在实验过程中酸碱液的形成主要来自电解反应，而电解反应主要是电极两端水的电解。
在电场作用下，阴、阳极发生如下反应：
2H2O-4e→O2↑+4H+（阳极）
（1）
4H2O+4e→2H2↑+4OH-（阴极）
（2）
由式
（1）、
（2）可见，电极反应在阴、阳极分别产生大量的OH-和H+，会导致电极附近的pH相应地升高和下降。
而且阴阳极产生的H+与OH-的量是相同的，因此将阴阳极处理液直接混合，即可完成处理液的中和，而无需再外加缓冲液或是酸碱液进行中和。
1.3数据采集系统的原理
数据采集系统主要有中央控制单元，A/D转换器，多路选通开关（继电器），调理电路，温度传感器，以完成实验处理过程中的阴阳极电压、电场电压、温度的测量，测量数据上传给电脑处理与显示的功能。
数据采集系统原理示意图如图2.1.7所示。
图2.1.7数据采集系统原理示意图（详图见附件）
如图2.1.7所示，数据采集系统的输入端接受实验装置产生的相关信号（主要是电压信号），然后经由3个16继电器进行选择，被选择的电压信号首先经过降压电阻进行降压，使其能够符合采集的初步要求，然后通过AD620模块进行2倍升压，之后通过OP07进行滤波以及放大，这些工作一方面是为了提高精确度，另一方面是为了使电压信号能够满足AD7705的测量要求，然后通过STM32以及RS232与PC端进行通讯，已实现数据的实时显示。
1.3.1数据采集系统的采集参数
实验装置的数据采集系统需要对三个处理室，共计36路数据进行采集，其中对于一个处理室包含12路数据，包括9个土壤电极电压，1个支路电流，1个支路电压，1个土壤温度。
现在对上述部分参数设置进行解释：
9个土壤电极电压的测量是为了实现近似的模拟出土壤中电场的分布的功能，支路电流是为了配合处理电压实现测量土壤电阻变化的功能。
在前期大量的实验中，我们发现对于实验所测变量基本在一定的区域是变化，比如实验过程中的电流最大值没有超过1.5A，在整个实验过程中土壤温度并没有超过45℃，而目前进行实验所使用的电压一般没有超过35V，所以在前期实验数据的基础上，我们确定了大致的测量范围。
在大量的数据以下是参数测量范围和精度：
1）温度测量范围：
0~50℃，精度：
±1℃
2）电流测量范围：
0~2A，精度：
5mA
3）电压测量范围：
0~36V，精度：
0.1V
1.3.2数据采集系统的内部电路图详解
1.3.2.1水泵供电及控制电路原理图
图2.1.8水泵供电及控制原理图
如图2.1.8所示为水泵供电及控制原理图，其由1个220V转12V的开关电源供电，然后接输入为2V-40V，输出为1.4V-30V的降压模块，并由降压模块转接水泵。
通过控制降压模块上的电位器实现对水泵循环速度的控制。
1.3.2.2电极柱供电、电压控制及外设电压检测电路原理图
图2.1.9电极柱供电、电压控制及外设电压检测电路原理图
如图2.1.9所示为电极柱供电、电压控制及外设电压检测电路原理图，其由1个220V转36V的开关电源供电，然后接输入为5V-50V，输出为1V-45V的降压模块，并由降压模块转接供电电极。
通过控制降压模块上的电位器实现对供电电极电压的控制，并通过在降压模块输出端并联一个数字电压表，以实时显示输出电压。
2仪器实施方式
2.1仪器的装置和技术特点
本实验装置采用多功能、模块化、一体式设计制作思想，将土壤处理室、处理电极室、数据采集系统、处理液中和槽及处理液循环室等多个模块科学合理的设计成一个整体装置，具有提供灵活可控的匀强电场与非匀强电场，实时反馈土壤处理室各点大致处理效果，实时监测并控制处理液PH值，多参数实时显示与采集，多组实验同时处理以及远程监控等多项功能。
2.2仪器测量的具体实施方式
图2.2.1实验装置单一处理室上侧面1/2横向剖开示意图
附注：
1-6电压表测量电极，7-9供电接线柱，10温度计，11土壤处理室，12阴极室，13循环泵，14-15导管，16阴极泄流口，17-18石墨板，19-中性处理液储存室，20-处理液中和室，21-22石墨板，23-阳极泄流口，24-25导管，26-循环泵，27阳极室，28-阴极室PH计探头，29-阳极室PH计探头，30-32供电接线柱，33-数据采集系统，34-43碳棒，44-电解槽，45-46硬质孔状隔板.
实验装置的组成结构如图2.2.1，在正式实验处理前做如下准备工作，首先将双层滤纸分别放置在硬质孔状隔板（45、46）靠土壤处理室（11）的一侧，再将待处理的土壤装入土壤处理室（11）中，压实并保证待处理的土壤上部与阴、阳极的等高泄流口（16、23）基本对齐，并保证滤纸与土壤接触良好，然后将数据采集系统（33）底部的供电接线柱（8、9、30、31、7、32）依次与阴阳极内的石墨板（17、18、21、22）及循环泵（13、26）上的接线柱对应连接，通过阴极室（12）和阳极室（27）上的开口注入去离子水，使去离子水从阳极泄流口（23
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