一种基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置
阅读说明：本技术 一种基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置 (Marine oil spill repair simulation device based on magnetic nano composite oil absorption material ) 是由 龙运前 黄小荷 刘静 冷哲 陈立桥 王永政 王任一 宋付权 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及模拟装置领域,尤其涉及一种基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置。其包括：溢油蓄液池和基座,所述溢油蓄液池固定设置在基座上；所述溢油蓄液池由池壁和池底两部分组成,呈圆桶形；所述溢油蓄液池内同轴设置有一个圆柱形的内芯柱；所述溢油蓄液池内的池底上设有若干搅拌机构；所述基座内设有驱动搅拌机构的控制电机。本发明海水模拟流动与真实海水的相似度高；液体流动的流速稳定；能够使得流动距离延长至理论上的无限长。(The invention relates to the field of simulation devices, in particular to a marine oil spill repair simulation device based on a magnetic nano composite oil absorption material. It includes: the oil spill liquid storage tank is fixedly arranged on the base; the oil spill liquid storage tank consists of a tank wall and a tank bottom and is in a cylindrical shape; a cylindrical inner core column is coaxially arranged in the oil spill liquid storage tank; a plurality of stirring mechanisms are arranged at the bottom of the oil spill liquid storage tank; and a control motor for driving the stirring mechanism is arranged in the base. The similarity between the simulated flow of seawater and real seawater is high; the flow speed of the liquid flow is stable; the flow distance can be extended to a theoretically infinite length.)
技术领域
本发明涉及模拟装置领域，尤其涉及一种基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置。
背景技术
近年来，国外的吸油材料在向利用合成高分子化合物的方向发展，虽然能够将油污吸附，但是吸附后对该种材料的收集却成了一个令人头疼的问题。此外，某些具有特殊用途的有毒油相废液由于其毒性原因，人员根本无法接近，更不用说有效的收集或回收处理，故在吸附处理含油废水和水面溢油时，能够定向移动并易于回收的吸附材料尤为重要。因此，开发一种新型环境友好型吸油材料，该材料可保持吸附法处理溢油的优点，能避免带来新的环境问题，又可以实现溢油的定向回收，是解决海洋石油污染的迫切需要，具有广阔的应用前景。
但是，在实际应用过程中缺又存在着缺少使用经验，对于应对不同海域海况以及不同油种等采用何种磁性纳米复合吸油材料等问题缺少研究和试验，因此，需要专门制定一种能够良好地模拟海况环境并且能够适用于磁性纳米复合吸油材料模拟海洋吸油的模拟装置。现有并没有针对性的海况模拟装置，只能简单采用泵或搅拌离心的方式简单模拟，但模拟效果极差。
发明内容
为解决现有的海洋模拟装置过于简陋，仅是通过泵形成流速呈非线性下降的单向水流或直接简单搅拌形成离心水流，其模拟效果差，与实际海水流动存在较为显著的区别，并且普遍存在水体流动距离短、流速不稳定等缺陷，本发明提供了一种基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置。本发明的目的在于：一、通过对结构进行改进并结合合理的物理规律，利用简洁的结构实现高相似的海水流动模拟；二、进行海水流动模拟时，能够控制液体流速的稳定；三、提高流动距离，通过环流可使得流动距离无限延长。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
一种基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置，包括：
溢油蓄液池和基座，所述溢油蓄液池固定设置在基座上；
所述溢油蓄液池由池壁和池底两部分组成，呈圆桶形；
所述溢油蓄液池内同轴设置有一个圆柱形的内芯柱；
所述溢油蓄液池内的池底上设有若干搅拌机构；
所述基座内设有驱动搅拌机构的控制电机。
作为优选，
所述控制电机相适配设有PLC控制系统，基座外设有与PLC控制系统相适配的PLC控制面板，控制电机控制搅拌机构依次进行工作；
所述控制电机由若干分电机组成；
所述分电机设置数量与搅拌机构数量相等，每个搅拌机构对应设置一个分电机。
作为优选，
所述基座内还设有总电机；
所述PLC控制面板连接总电机，总电机连接并对分电机进行控制。
作为优选，
所述搅拌机构沿溢油蓄液池周向均匀设置；
所述搅拌机构为搅拌桨或固定转子。
作为优选，
所述所述池壁底部设有泄水口；
所述泄水口处设有排水栓。
作为优选，
所述池壁上设有若干周向均匀设置的外磁插槽；
所述内芯柱上设有若干周向均匀设置的内磁插槽；
所述外磁插槽和内磁插槽设置数量相等且一一对应。
作为优选，
所述池壁内壁和内芯柱外壁各设有一个卡槽，两个卡槽相互对应。
本发明的有益效果是：
1）海水模拟流动与真实海水的相似度高；
2）液体流动的流速稳定；
3）能够使得流动距离延长至理论上的无限长。
附图说明
图1为本发明溢油蓄液池部分的俯视图；
图2为本发明的剖视示意图；
图3为本发明溢油蓄液池插设磁块后的俯视图；
图4为本发明搅拌机构产生水波的示意图；
图5为本发明搅拌机构所产生的水波扩散的示意图；
图6为本发明搅拌机构所产生的水波干涉的示意图；
图7为本发明测速的示意图；
图8为本发明试验I的测试图；
图9为本发明模拟测试图；
图10为本发明试验II的结果图；
图中：1溢油蓄液池，11池壁，12内芯柱，13池底，14排水栓，15外磁插槽，16内磁插槽，17卡槽，18泄水口，2基座，21分电机，22主电机，23 PLC控制面板，3搅拌机构，4油水混合液体，5外磁块，6内磁块，7磁板，8漂浮物，A水波，B原始波，C增强波。
具体实施方式
以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
实施例
如图1至3所示的一种基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置，其包括：
溢油蓄液池1和基座2，所述溢油蓄液池1固定设置在基座2上；
所述溢油蓄液池1整体呈圆桶状，其设有池底13、圆环形的池壁11和内芯柱12，池壁11和池底13形成可蓄液的池体，内芯柱12的设置使得池体中形成环形的流道；
所述内芯柱12为圆柱形，并且与圆环形的池壁11同轴设置，即也相当于与溢油蓄液池1同轴设置，使得流道呈圆环形；
所述池壁11上设有若干外磁插槽15，外磁插槽15沿溢油蓄液池1的轴心线周向均匀设置；
所述内芯柱12上设有若干内磁插槽16，内磁插槽16同样沿溢油蓄液池1的轴心线周向均匀设置；
所述外磁插槽15和内磁插槽16设置数量相等，且一一对应，如图1～6所示，其各设有24个且一一对应，外磁插槽15和内磁插槽16用于插设磁块或磁板7，用以在溢油蓄液池1中形成模拟磁场；
所述池壁11底部设有泄水口18，泄水口18处设有排水栓14，排水栓14拔出后可将溢油蓄液池1内所蓄的液体排出，实现溢油蓄液池1的排液；
所述溢油蓄液池1的池底13设有若干搅拌机构3，所述搅拌机构3包括但不仅限于搅拌桨、固定转子等能够任意能够实现搅拌功能的结构；
所述搅拌机构3设置在池壁11和内芯柱12之间，最优设置在池壁11内壁与内芯柱12外壁最短连线的的中点处，且所述若干搅拌机构3沿溢油蓄液池1周向均匀设置；
所述基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置还设有控制电机，控制电机优选设置在基座2内，控制电机相适配设有常规PLC控制系统并通过常规PLC控制系统对若干个搅拌机构3进行控制，控制若干搅拌机构3在同一时间内只有一个进行搅拌工作，且所有搅拌机构3沿顺时针或逆时针方向依次启动、关闭；
所述控制电机优选由若干分电机21组成，分电机21设置数量与搅拌机构3数量相等，每个搅拌机构3对应设置一个分电机21，通过常规PLC控制系统对分电机21进行启动和关闭的控制，控制若干分电机21在同一时间内只开启一个，且所有分电机21沿顺时针或逆时针方向依次启动、关闭；
设施多个分电机21相对于设置一个仅设置一个控制电机的方式，其更有利于简化控制系统，仅设置一个控制电机对PLC控制系统要求更高，需要进行复杂的运算，虽常规的PLC控制系统也能够实现该控制效果，但该种控制系统和电机的成本更高，而设置分电机21后，PLC控制系统仅需控制电机的开启和关闭，以及顺序性、间隔性，要求更低，对分电机21本身的要求也更低，仅要求简单搅拌电机即可；
所述基座2外部设有与常规PLC控制系统相适配的PLC控制面板23，PLC控制面板23可编辑分电机21开启的顺序、依次开启的方向（即顺时针或逆时针）、分电机21单次开启持续时间以及前个分电机21关闭后下个分电机21开启的时间间隔；
所述PLC控制面板23可直接连通分电机21，对分电机21进行控制，也可在基座2内设置总电机22，PLC控制面板23连接总电机22，总电机22再分别与分电机21连接，通过PLC控制面板23控制总电机22设定程序后由总电机22对分电机21的开启、关闭以及顺序、间隔等进行控制，设置总电机22后对分电机21的控制更加稳定，并且仅需总电机22接外部电路即可，无需每个分电机21均连接外部电路；
以上通过设置多个搅拌机构3并且通过相对应的控制电机对其进行程序化操作后，其工作原理主要为通过物质波干涉的原理，即溢油蓄液池1中所蓄液体在搅拌机构3的作用下产生的水波A相互之间进行干涉并逐渐增强形成稳定的环流，用以模拟海洋海水的流动环境，其具体如图4至图6所示，首先图4中第一个搅拌机构3工作，形成一个环形水波A，环形水波A逐渐扩散，转化为图5所示，部分水波A被内芯柱12外壁的池壁11的内壁所阻碍产生类似反弹的波，而在沿溢油蓄液池1内周向方向的液体会继续向相邻的两个搅拌机构3，随后第一个搅拌机构3停止工作，顺时针设定搅拌机构3的工作顺序后图5中第一个搅拌机构3右下侧的第二个搅拌机构3，第二个搅拌机构3经过一定时间间隔至第一个搅拌机构3所产生的水波A扩散至其顺时针方向（即图中第二个搅拌机构3的下方）后开始搅拌工作，此时如图6所示，第二个搅拌机构3工作同样会形成与第一个搅拌机构3相类似的水波A，此时将第一个搅拌机构3所产生的水波A记为原始波B、将第二个搅拌机构3所产生的水波A记为增强波C，原始波B和增强波C产生干涉，对逐渐减弱的原始波B进行补强、增强，提高原始波B的流速并稳定其流动方向，以此类推经过第三个搅拌机构3、第四个搅拌机构3、第五个搅拌机构3和第六个搅拌机构3所产生的水波A增强、完成一个工作循环后，第一个搅拌机构3再次工作，保持所形成的水波A流速和强度，形成稳定的环流；
常规的海水环境模拟装置通过泵形成流速呈非线性下降的单向水流或直接简单搅拌形成离心水流，其模拟效果差，与实际海水流动存在较为显著的区别，并且普遍存在水体流动距离短、流速不稳定等缺陷，而本发明通过搅拌机构3相互配合工作形成环流后，可非常完美地模拟海水流动，流动距离长，并且搅拌机构3进行若干工作循环后水体流速会更加趋于稳定，不会产生较大的波动，在海洋模拟试验中，尤其在需要长时间的模拟试验，如海洋降解、磁性纳米复合吸油材料吸油模拟等具有非常优异的效果；
所述基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置在溢油蓄液池1的池壁11内壁和内芯柱12外壁还各设有一个卡槽17，两个卡槽17相互对应、槽口相对，用以插设磁板7，磁板7可回收随水体流动的磁性纳米复合吸油材料，也可插设网板用以其他试验模拟对水体进行过滤。
本发明基于磁性纳米复合吸油材料的海洋溢油修复模拟装置的水流流速试验：
试验I：
溢油蓄液池1池壁11内径为5.15m、内芯柱12外径为1.15m，池深2.1 m，共设有六个搅拌机构3，六个搅拌机构3所对应的分电机21转速均设定为1300r/min，泄水口18塞紧排水栓14后进行蓄水；
设定如图4所示第一个启动的搅拌机构3为0°角（即等同于360°角），从0～345°每隔15°设置一个光感测速仪，在溢油蓄液池1内蓄1.5m深的油水混合液体4（水油体积比为8.5：1.5），启动第一个搅拌机构3至水波A稳定后，设置一个足够大且足够轻的漂浮物8（本实验采用矩形泡沫块，尺寸为120cm×50cm×40cm，重量为97.12g），漂浮物8的初始位置对0°角光感测速仪进行遮挡，并且如图7所示漂浮物8的横向方向一处三等分点处受光感测速仪照射，而漂浮物8在水流带动下向左移动，测定离开光感测速仪的时间，通过距离/时间的方式测定速度，进而简单测定水体流速，且漂浮物8后续依次通过15°角光感测速仪、30°角光感测速仪等，至180°角光感测速仪处基本停止，结束本次试验，计算各个光感测速仪流速并将其制为点状图，对点状图进行拟合后得到如图8所示的测试图，从图中可明显看出，单个搅拌机构3所产生的水体的流速明显随其流动至流道内的不同角度后呈非线性下降的趋势，根据该趋势模拟计算各个搅拌机构3在依次进行的情况下水体流速和角度的关系，得到如图9所示的模拟测试图，从图9中可明显看出其具有非常大的波动性，流速甚至最低可达约1.0m/s，而最高可达约2.0m/s，但该模拟测试图并未计算波干涉所带来的影响，因此进行试验II；
试验II：
通过PLC控制系统设定总电机22控制分电机21依照顺时针方向依次启动，每次启动35s，关闭前个分电机21后间隔5s再启动下个分电机21，六个搅拌机构3各工作一次为一个工作循环，进行五个工作循环后，指定任意一个搅拌机构3位置为0°角，每隔15°设置一个光感测速仪，从任意位置将一个重101.03g的球状（D=80cm）泡沫体放置任意位置的液体上（泡沫体不接触到内芯柱12外壁和池壁11的内壁），记录每个光感测速仪所测得的数据各十组，计算各个光感测速仪处泡沫体的流速取平均值并将其绘制为点状图，对点状图进行拟合后得到如图10所示的结果图，从图10中可明显看出，相较于单搅拌机构3和模拟计算的结果，实际试验结果显示溢油蓄液池1中的液体流速明显要远高于单搅拌机构3和模拟计算结果显示的最大流速，能够达到约2.2m/s左右的流速，这是因为通过波干涉后水波A会得到一定程度的增强，遏制其削弱，并且，从图10中也可明显看出，其流速具有极高的稳定性，基本能够保持在2.1～2.2m/s，可实现高流速海水的模拟，而低流速海水模拟可通过降低搅拌机构3转速简单地实现调整。
吸油模拟试验：
设定搅拌机构3转速为450r/min，同试验II通过PLC控制系统设定总电机22控制分电机21依照顺时针方向依次启动，但每次启动48s，关闭前个分电机21后间隔7s再启动下个分电机21，六个搅拌机构3各工作一次为一个工作循环，进行五个工作循环后，将150g磁性纳米复合吸油材料撒入油水混合液体4中，持续工作模拟4h后分别在内磁插槽16和外磁插槽15内插设内磁块6和外磁块5、将磁板7***至卡槽17内，关闭总电机22，使得磁性纳米复合吸油材料在磁场作用下被吸附在内芯柱12外壁、池壁11内壁和磁板7上，观测磁性纳米复合吸油材料的分布状况，并对所排出的油水混合液体4进行成分分析，可模拟海洋环境中磁性纳米复合吸油材料的应用，进而在应对不同海洋溢油污染问题时能够提前做好更加充分的准备，快速且有效地解决海洋溢油问题。