一種基于旋流分離原理光釋光測年樣品制備方法

王首同， 王旭東， 楊 靖， 陳 洋

(1.中國科學院水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041; 2.四川農業大學，四川 成都 625041;3.遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006)

0 引 言

光釋光（OSL）是一種測年方法，自20世紀80年代提出以來，在地質、環境、考古等研究中得到廣泛應用[1]。OSL測年方法已成熟應用，測試數據準確可靠，測試范圍為幾百年至數十萬年，但在測試過程中，其前處理過程耗時耗力，樣品前處理的目的是去除雜質，提取純凈的測試用礦物顆粒（石英、長石）[2]。所有實驗步驟均在暗室紅光（中心波長約為655 nm±30 nm）條件下完成，整個制樣流程需要約40 d，因此測年樣品制備嚴重限制其時效性。

目前，土壤顆粒提取方法有吸管法、篩分法、離心法以及重液法[3-5]。應用的分離原理有重力沉降、過濾分離以及離心分離，每種方法均存在一定的缺陷，重力沉降主要應用為重力沉降量筒，雖然沉降量筒操作簡單，但由于吸取量有限，分離中等待的時間長，因此沉降吸管法的使用會消耗大量的人力、物力、財力。過濾分離則利用多孔介質來實現對不同粒徑顆粒的篩選，使用過濾分離技術，會隨著分離粒徑的減小，導致過濾阻力逐漸增大，過濾過程中易發生介質的堵塞，需要反復進行沖洗，過濾分離技術很難分離250 μm以下的顆粒[6]。旋流器是利用離心沉降原理將非均勻相混合物中不同密度或粒徑的組分機械分離的元件，主要作用可分為分離、澄清、濃縮、顆粒分級，顆粒分選等，旋流分離技術分為固-液分離、固-固分離、氣-液分離、液-液分離、氣-固分離等，其中用于分離氣-固兩相的旋流器稱為旋風分離器，用于分離固-液、液-液兩相流體的旋流器稱為水力旋流器，水力旋流器可以分離4～500 μm的不同粒徑的顆粒[7-8]，因其具有體積小、效率高、分離效率高等特點在化工、環保、礦物加工等領域中得到廣泛應用。

標準旋流分離器的最小直徑d=25 mm，旋流器直徑越大，處理能力越強，分級效果越好[9]，但是用于實驗室樣量有限，樣品提取需要小尺寸旋流器，為提高旋流器的分離性能，通過縮小旋流器的尺寸，采用3D打印技術，研制了直徑D=20 mm、10 mm以及帶篩網的新型旋流分離器，基于旋流分流原理，研發一套自動樣品前處理制備裝置，實現樣品的初選、物理化學處理、自動清洗以及后期分級篩選，通過本制樣方法，以期望縮短實驗周期，降低勞動強度，減少試劑耗材用量，提高光釋光測年測年效率。

1 固-液水力旋流器設計

1.1 水-砂旋流器基本原理

水-砂旋流器是土壤顆粒分離提取的核心元件，利用離心沉降原理將非均勻相混合物中不同密度或粒徑的組分機械分離[10-11]。將水-砂混合物兩相流體通過動力設備如機械泵、氣壓等外力作用輸出高速流體，使固-液混合物沿著入口切線方向進入旋流器內部，旋流器內部的流體高速旋轉形成旋轉流，在離心力、流體曳力、向心浮力等多種力的共同作用下，細顆粒從外旋流轉進內旋流，從溢流口排出，而粗顆粒重組分則由沉沙口排出，從而實現對不同粒徑和比重顆粒的篩選，圖1為旋流分離器結構示意圖及內部流場分布，圖2為帶外旋篩網的改進型旋流器結構示意圖，圖3為帶內旋篩網的旋流器。

圖1 旋流器結構原理及內部流場

圖2 帶外篩網的改進旋流器

圖3 帶內篩網的改進旋流器

1.2 水力旋流器設計數學模型及原理

水力旋流分離器性能的影響因數國內外已做過大量的研究，主要包括五個方面[9-11]：旋流器圓柱段的大小，圓錐段形狀、錐角大小，進料口的尺寸、形狀以及入料角度，底流口（排沙口）的大小，溢流口的大小及插入深度。根據布雷德利經驗公式[7]：

式中：d50——分離器效率為50%時的粒徑，μm；

D0——分離器直徑，cm；

μ——液體粘度，cP；

L——進樣流量，L/min；

ρS——固體密度，g/cm3；

ρL——液體密度，g/cm3。

方程式（1）給出分離粒徑d50所需要的分離器直徑，它代表進入旋流分離器內固-液混合物性質的函數，顆粒50%的概率出現在溢流液中，分離效率為50%，而其他顆粒的分離效率與d50的關系，根據貝內特公式：

式中：η——分離其他顆粒粒徑為d時的效率，%；

d——所需分離顆粒的直徑，μm。

假設水力固液旋流分離器內的水為黏性且不可壓縮流體，進入旋流器內部的混合物，僅僅考慮重力和旋流器壁的影響，不考慮表面張力等其他因數，由于篩網的加入，流體區域中多孔介質對流體的產生阻力，多孔介質模型中，通過在流體的動量方程中增加源項的方式，源項計算方程式[12-14]：

式中：D——黏性阻力系數矩陣；

C——慣性阻力系數矩陣；

υ——流體速度，m/s。

帶篩網的旋流分離器設計中，由于多孔介質黏性阻力系數、慣性阻力系數和孔隙率是3個重要參數[12,15]，孔隙率由所選擇的過濾介質決定，黏性阻力系數和慣性阻力系數由顆粒平均直徑和孔隙率通過公式計算得到，黏性阻力系數和慣性阻力系數的計算公式可以采用半經驗的Ergun公式：

式中：DP——平均顆粒直徑，μm；

L——床層厚度，mm；

ε——孔隙率，%。

黏性阻力系數公式和慣性阻力損失系數公式：

帶過濾結構的旋流分離器，根據Poiseuille方程和Dracy定律得到過濾速率方程：

式中：A——過濾面積，cm3；

μ——過濾液粘度，cP；

L——濾餅厚度；

KP——滲透系數；

ΔP——過濾壓差，Pa。

由式（7）可以看出過濾面積、滲透系數和過濾壓差是影響過濾速率的主要因素，旋流器內過濾材料選用單層不銹鋼編織網，因為其具有阻力系數低、耐高壓、過濾精度高、耐腐蝕等特點，過濾介質的形狀設計為圓柱體，該形狀的優點是在保證盡可能大的過濾面積的前提下，不破壞旋流器內的流場，由于圓柱體過濾介質的存在，使得旋流器內的空氣柱更加穩定，旋流器流暢數字模擬已做過很多研究，包括流體介質及顆粒的軸向速度、切向速度、經向速度、空氣柱、固體顆粒的運動軌跡等[16-19]，圖4旋流器流場網格，圖5旋流器流程密度云。

圖4 旋流器流場網格

圖5 旋流器流場密度分布

1.3 水力旋流分離器結構參數

根據Fluent流體力學軟件模擬，假設液體介質粘度μ=1 cp，進樣速度0.5～3.0 L/min，液體ρl=1.0 g/cm3，固體ρs=2.5 g/cm3，結合改進型水力旋流器固液分離特點，采用3D打印技術，設計制作3種不同用途的旋流分離器，旋流分離器：1）用于粗選的帶外篩網的旋流器（圖6為粗選旋流器），圓筒外直徑Do=75 mm，內直徑d1=60 mm，圓柱高度L0=80 mm，錐角24°，底流口直徑Du=7.5 mm，進料口直徑Di=10 mm，溢流口直徑Dc=6 mm，測流口直徑Dk=6 mm，溢流管插入深度VFL=48 mm，篩網80目；2）用于粗選后水液分離的旋流器（圖7為濃縮器），圓筒外直徑Do=20 mm，圓柱高度L0=45 mm，錐角6°，底流口直徑Du=3 mm，進料口直徑Di=6 mm，溢流口直徑Dc=4 mm，溢流管插入深度VFL=24 mm；3）用于精選的帶內篩網的旋流器（圖8為精選旋流器），圓筒外直徑Do=75 mm，內直徑d1=36 mm，圓柱高度L0=85 mm，錐角35°，底流口直徑Du=7.5 mm，進料口直徑Di=10 mm，溢流口直徑Dc=10 mm，溢流管插入深度VFL=32 mm，篩網400目。

圖6 粗選器結構參數（單位：mm）

圖7 濃縮器結構參數（單位：mm）

圖8 精選器結構參數（單位：mm）

2 光釋光制樣裝置設計

2.1 初選濃縮模塊

本模塊包括超聲波分散裝置、孔徑為500 μm的不銹鋼篩筒、初選器、初選器循環泵、濃縮器、連接各裝置的循環泵管。待處理樣品放入帶孔(孔徑=500 μm)圓筒中，將圓筒放入超聲池中，在超聲波的作用下，粘結樣品顆粒被分散[20]，小于孔徑的顆粒進入超聲池，離心泵將水-砂混合物送入帶外篩網的旋流器（粗選器）中，小于200 μm的土壤顆粒穿過篩網從側流口排出，隨后進入濃縮器，濃縮器將固體-液分離，固體顆粒由底流口進入反應池，黏土細顆粒物在粗選器和濃縮器溢流口排出，粗選濃縮模塊可實現對土壤中顆粒的初步篩選。圖9為反應濃縮模塊分離原理。

圖9 粗選濃縮器模塊分離原理

2.2 樣品處理模塊

本模塊包括樣品處理池、加熱溫控裝置、進排液裝置、攪拌裝置、盛溶液容器以及各種循環泵管。上述初選濃縮后的水土混合液進入樣品處理池，自動控制器控制蠕動泵，將加有催化劑的濃度為20%的鹽酸和30%的雙氧水不斷泵入反應池中，加入適量的反應試劑，加熱并恒溫在60 ℃左右，攪拌器不斷攪拌，待反應完全后澄清，排除廢液，加蒸餾水清洗樣品，反復清洗3次。

2.3 精選模塊

本模塊包括2個旋流分離器、流量傳感器、旋流循環泵、盛樣皿以及連接各循環的甭管。將上述清洗干凈的水土混合物經旋流循環泵的作用下進入旋流分離器，通過控制旋流泵控制流量，流量傳感器反饋調節循環泵，通過控制進入旋流分離器的流速，以實現對特定粒徑的篩選。

2.4 自動控制模塊

本模塊包括變速電機、溫度傳感器、壓力傳感器、計時器及集成控制模塊。在整個系統運轉過程中，集成控制模塊根據設定程序，控制變速電機的轉停，以實現樣品在整個系統間運動，并結合壓力傳感器的信息反饋，達到精確控制旋流分離器的流速，從而完成對顆粒物不同粒徑的篩選。溫度傳感器可控制反應池的溫度，將溫度控制在60 ℃左右。計時器控制每個進程的開始和關閉時間，在整個系統運行過程中，提前設置好時間，以達到精確控制。

3 試驗驗證

3.1 供試土壤的基本情況

本試驗共選取5種理化性質各異，具有代表意義的沉積地層土壤，分別為S1黑土、S2黃潮土、S3紅壤、S4灰潮土、S5黃綿土，它們基本上能夠反映我國不同氣候區典型的土壤特點，采集地點分別遼寧沈陽、河南鄭州、湖南株洲、浙江紹興、陜西咸陽，表1為供試土壤的基本情況。

表1 供試土壤的基本情況

3.2 提取顆粒粒徑分布

通過制樣裝置提取土壤中38～63 μm的石英、長石顆粒，稱取0.5 g，用激光粒度儀檢驗顆粒粒徑分布范圍，測試結果表明，分離提取的顆粒集中分布在35～65 μm范圍內（圖10所示為石英、長石顆粒粒徑分布情況），提取得到的顆粒80%以上分布在該范圍內，分離效率分別為77.8%、90.4%、77.2%、80.3%、80.9%，粒徑均值為 40～50 μm，其中 S2～S4呈單峰分布，S1呈雙峰分布，分析可能由于S1樣品有機質含量較高導致。

圖10 石英、長石顆粒粒徑分布情況

3.3 對比驗證

將上述5個土壤樣品分別采用傳統制樣方法和制樣裝置方法制備光釋光測年樣品，制備后的樣品用德國research光釋光測年儀測定等效劑量，每種試樣重復測量20次，驗證結果如表2所示。1）S1～S5試樣，裝置制樣法所制樣品經重復性驗證，相對標準差為2.17%～3.27%，平均值為2.59%；2) 傳統制樣方法重復性驗證，相對標準差為2.91%～6.38%，平均值3.98%；3）傳統制樣方法和制樣裝置法制備的樣品橫向比較，相對偏差＜2%。

表2 不同制樣方法測試結果對比

4 結束語

本試驗方法以水力旋流原理為基礎，分析水力旋流器的分離性能，結合旋流分離與篩分分離的優缺點，選取合適的旋流器參數，打印制作3種旋流分離器，實現對38～63 μm顆粒的快速篩選。從硬件和軟件兩方面入手，設計一臺光釋光樣品制樣裝置，裝置各模塊協同工作，完成樣品的自動篩選。通過該裝置提取土壤中的長石、石英顆粒，驗證表明，提取的顆粒集中度高，滿足光釋光樣品制備的要求。驗證測試表明，兩種制樣方法相對偏差小，均能滿足光釋光樣品制備的要求，但制樣裝置重復測試相對標準差較小，因其降低了制樣過程的人為干擾，制備的樣品更均一。通過本實驗方法，可以提高光釋光樣品的制備效率，減小勞動強度，減少試劑的使用量，實現了快速測定釋光年齡的目的。