本发明属于土壤检测，具体涉及一种轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置及实验方法。
背景技术：
1、轮胎磨损颗粒(tire wear particles，twp)是轮胎与地面接触后摩擦滚动剪切而产生的微细颗粒，是环境轮胎磨损颗粒的重要来源之一。汽车轮胎胎面磨损所脱落的微、纳米级twp会通过不同的方式在环境中发生迁移，微小颗粒通常会扩散到空气中，而大颗粒一部分会沉积在道路两侧的土壤中，另一部分则通过雨水冲刷随径流进入地表水和沿海海域或者以污泥形式在河道或湖底中沉积。通过建模和化学标记等方法，研究者已证实，轮胎在道路磨损生成twp后，极大多数twp直接排放到公路两侧的土壤沉积物中，进而通过道路径流和雨水直接或间接地进入河流、雨水处理系统或其他环境介质中，部分twp最终进入海洋。
2、轮胎磨损颗粒作为一种新型污染物，对生态和土壤安全都造成了重大安全隐患。土壤不仅是twp等轮胎磨损颗粒的汇，还可能是地下水和水生环境中轮胎磨损颗粒的源，土壤中twp自身及释放的重金属等污染物可能会对土壤微生物和动植物的生长和繁殖产生不良影响。twp以不同方式进入土壤中，很有可能使土壤自身的理化性质(土壤容重、持水量、土壤孔隙度和土壤结构等)发生改变，对土壤生物产生危害，导致植物总生物量、组织元素组成和根系性状发生变化，甚至对土壤中动物和微生物的生存产生迫害。
3、twp和土壤的组成成分和物理化学性质均较为复杂，所以twp进入土壤这一环境介质中所发生的迁移扩散受到多种因素的影响。参考其他类型轮胎磨损颗粒，twp在土壤中的迁移很可能会受到水动力条件(流速)、水化学条件(ph和离子强度等)、颗粒特性(例如尺寸、密度、形状、化学成分、表面电荷、表面涂层)和介质性质(例如粒度分布、有机物含量)等各种因素的影响；除了环境条件的影响外，twp自身的粒径、密度和表面性质也是决定迁移能力的重要因素，目前相关的研究仍较为欠缺。
4、虽然人们已经认识到环境中难以计数的twp对整个生态系统造成的环境风险可能远超人类想象，并对其具体的源和汇进行了研究，但微、纳米尺寸的twp复杂的物理化学性质，导致对其进行定量示踪困难。
技术实现思路
1、本发明的目的为了有效观测轮胎磨损颗粒从土壤表面进入到土壤内部的过程，并有效检测轮胎磨损颗粒在土壤及水体中的含量，本发明提供了一种轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置及实验方法，通过将轮胎磨损颗粒动态老化与土柱渗流实验相结合，再检测土柱里处理过的土壤与土柱流出液中所含轮胎粉末颗粒浓度，从而清晰、准确地完成对轮胎磨损颗粒进入土壤的观测以及对轮胎磨损颗粒的定量示踪。
2、为达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，包括依次通过管道连接的臭氧发生器、老化单元、液体输送设备以及渗流单元；
3、所述老化单元包括具有连接通道的第一储液罐和第二储液罐以及搅拌组件；所述通道设置于第一储液罐和第二储液罐的下部位置相对应处且其上安装有控制阀；所述搅拌组件包括分别对应第一储液罐和第二储液罐设置的用于搅拌储液罐中液体的搅拌组件ⅰ和搅拌组件ⅱ；所述第一储液罐内还设置有紫外线发生器用于轮胎磨损颗粒的老化；
4、所述渗流单元包括土柱管以及与土柱管底部出液口通过管道连通的液体收集器，所述土柱管的上部和下部分别设置有布水器和带孔带孔隔板，布水器和带孔隔板之间填充有实验土壤；
5、臭氧发生器产生臭氧并通过管道进入第一储液罐中，第一储液罐中的液体可通过设置有控制阀的通道流入第二储液罐，再通过管道由液体输送设备输送至土柱管，并通过布水器流经土壤再进入液体收集器。
6、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，第一储液罐主要用于轮胎磨损颗粒加速老化，臭氧在紫外照射下先与水反应生成双氧水，双氧水进一步分解生成羟基自由基(·oh)，常温常压下，羟基自由基的标准电位为2.80v，可氧化轮胎磨损颗粒中部分与有机物，实现氧化轮胎磨损颗粒的表面老化。
7、所述臭氧发生器与第一储液罐之间的管道，其位于第一储液罐的末端优选设置有曝气器。曝气器优选位于第一储液罐的中底部。臭氧通过管道进入第一储液罐，过曝气器可散发微气泡，气泡在上升的过程中臭氧可充分溶解于水。一般来说，臭氧和水接触的时间越长，混合越充分。
8、为了便于管道的插入以及紫外线发生器的安装，优选地，所述第一储液罐的顶部设置有进气孔、中间孔以及排气孔ⅰ，所述进气孔用于插入臭氧发生器与第一储液罐之间的管道，所述中间孔用于插设紫外线发生器。所述排气孔用于保持气压平衡，保证多余的臭氧不会滞留在储液罐内。所述紫外线发生器为紫外线光管。
9、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，所述紫外线发生器为紫外线光管。进一步，为保护实验者不受到辐射，第一储液罐的侧壁不透光。具体地，第一储液罐侧壁可采用不材质制备或采用不透光材料对第一储液罐侧壁进行包裹。
10、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，为了便于管道的插入，优选地，所述第二储液罐的顶部设置有排液孔和排气孔ⅱ，所述排液孔用于插入第二储液罐与液体输送设备之间的管道。
11、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，所述液体输送设备可以采用本领域常用液体输送设备，本发明中优选采用蠕动泵。
12、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，所述土柱管主要用于土壤渗流动态观测，使轮胎磨损颗粒悬浮液流经土壤后进入液体收集器，再满足该实验条件下，其具体的结构设置可采用本领域常规结果。本发明中优选地，所述土柱管包括筒体以及与筒体底部连接的呈圆锥形的分离收集器，分离收集器的底部出液口与液体收集器连接，筒体上部设置布水器，筒体与分离收集器连接处设置带孔隔板。
13、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，为了使水流均匀进入土壤层以及防止土壤流失、堵塞带孔隔板，土柱管内实验土壤的顶部和底部优选设置有石英砂层，石英砂层厚度不小于2cm。
14、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，搅拌组件ⅰ和搅拌组件ⅱ主要用于实现储液罐中液体的均匀搅拌，本发明对具体所采用的搅拌设备无特殊闲置，可以采用本领域常规搅拌设备。在本发明中，所述搅拌组件ⅰ和搅拌组件ⅱ均优选采用磁力搅拌器。磁力搅拌器通过磁力驱动旋转磁子，使其在容器内旋转，从而使容器内的液体获得均匀的搅拌和混合效果。
15、本发明还提供了一种轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，利用上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，具体包括以下步骤：
16、s1、第一储液罐和第二储液罐内加入设定量超纯水，第一储液罐加入设定量轮胎磨损颗粒，土柱管内填充未受轮胎磨损颗粒污染的实验土壤；
17、s2、开启液体输送设备以使第二储液罐中超纯水进入土柱管，并通过布水器流经土壤，补充第二储液罐中超纯水直至达到土壤饱和瞬变流实验条件；
18、s3、启动搅拌组件ⅰ使轮胎磨损颗粒在第一储液罐中混合均匀后，启动臭氧发生器和紫外线发生装置，臭氧进入第一储液罐并在紫外照射下与超纯水反应生成双氧水，双氧水进一步分解生成羟基自由基，羟基自由基氧化轮胎磨损颗粒从而实现轮胎磨损颗粒的表面老化；
19、s4、当实现轮胎磨损颗粒的表面老化且达到土壤饱和瞬变流实验条件后，补充第二储液罐中超纯水至与第一储液罐液面相平后，启动搅拌组件ⅱ，打开控制阀，轮胎磨损颗粒由第一储液罐向第二储液罐扩散，通过液体输送设备，保持进水流量不变，含有轮胎磨损颗粒的液体通过布水器流经土壤形成土壤渗滤液进入液体收集器；
20、s5、设定采集时间与步长，通过液体收集器在固定时间间隔内采集土壤渗滤液待测，当液体收集器收集到实验设定的液体通量时，关闭液体收集器与液体输送设备停止实验；
21、s6、分别检测土柱管中土壤中残留的轮胎磨损颗粒浓度c1与土壤渗滤液中的轮胎磨损颗粒浓度c2，c1单位为mg/g，c2单位为ug/l。
22、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，步骤s1中，轮胎磨损颗粒的加入量并无特定要求，根据实际需求进行添加即可。
23、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，步骤s6中，所述土壤中残留的轮胎磨损颗粒浓度c1检测包括以下步骤：
24、s611、预处理：将实验土壤分层并自然风干后，按随机取样法每层取5个样品，每个样品1g，分别置于容器中，按固液比1g:20ml加入清水和分散剂，放置于恒温振荡器上振荡24h；
25、s612、沉降：将振荡分散后的样品，采用naoh调节ph至>7后，置于沉降管中，加入饱和nacl溶液至沉降管刻度线(1l)，用搅拌器上下搅拌后静置至固液完全分层(通常为58分钟以上)，关闭沉降管球阀，移取上层液体，得到含有轮胎磨损颗粒的溶液样品；
26、s613、获取滤膜：对溶液样品进行抽滤并获取到土壤渗滤液中的轮胎磨损颗粒，得到轮胎磨损颗粒滤膜；
27、s614、图片采集：对轮胎磨损颗粒滤膜进行照片拍摄，获得待测轮胎磨损颗粒滤膜图片；
28、s615、图像处理：对待测轮胎磨损颗粒滤膜图片采用图像处理软件进行去除图片背景处理，对去除背景后的图片进行二值化处理，再利用图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，根据土壤中轮胎磨损颗粒溶液浓度与轮胎磨损颗粒面积的对应关系——轮胎磨损颗粒质量浓度公式得土壤中残留的轮胎磨损颗粒浓度c1，c1单位为mg/g；
29、中，单位为mg/g，s为图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，b是标曲s＝kx+b中的截距，mm2，k为标曲中的斜率，无量纲，x为轮胎磨损颗粒的浓度mg/g，θ为土壤的含水率，标准曲线为：s＝1.43x-0.23。
30、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，步骤s611中，将土柱中土壤上下底面距离石英砂0.5～1.0cm的土壤去除，避免石英砂对质量称量的干扰，分层厚度按照本领域常规实验要求进行分层，为保证准确性，通常建议分层的土壤厚度不低于1cm。
31、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，步骤s6中，所述土壤渗滤液中的轮胎磨损颗粒浓度c2检测包括以下步骤：
32、s621、获取滤膜：对土壤渗滤液样品进行抽滤并获取到土壤渗滤液中的轮胎磨损颗粒，得到轮胎磨损颗粒滤膜；
33、s622、图片采集：对轮胎磨损颗粒滤膜进行照片拍摄，获得待测轮胎磨损颗粒滤膜图片；
34、s623、图像处理：对待测轮胎磨损颗粒滤膜图片采用图像处理软件进行去除图片背景处理，对去除背景后的图片进行二值化处理，再利用图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，根据轮胎磨损颗粒溶液浓度与轮胎磨损颗粒面积的对应关系——轮胎磨损颗粒质量浓度公式c体积＝(s-b)/k，得土壤渗滤液中的轮胎磨损颗粒浓度c2；
35、其中，c体积＝(s-b)/k中，单位为mg/l，s为图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，um2，b是标曲s＝kx+b中的截距，k为标曲中的斜率，x为轮胎磨损颗粒的浓度，mg/l；当ph＜7时，标曲为s＝113.632x+35802，r2＝0.96；当ph＝7时，标曲为s＝186.394x+68470，r2＝0.95；当ph>7时，标曲为s＝187.746x+33303，r2＝0.93。
36、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，轮胎磨损颗粒浓度目前的检测方法主要有两种，其一为检测轮胎磨损颗粒种的添加剂zno，但由于各类轮胎中的添加剂含量不固定，所以示踪的准确性不高；其二可通过toc来示踪，需要专用仪器，并且成本较高。本发明对轮胎磨损颗粒浓度的检测基于无损的图像识别，不需要化学药剂，不需要燃烧等操作，直接检测轮胎颗粒，不需要内容的添加剂进行示踪，准确度较高，成本较低。
37、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，水体中轮胎磨损颗粒浓度标曲通过以下步骤获得：
38、s631、配置标准溶液：称取轮胎磨损颗粒配制标准浓度的轮胎磨损颗粒水悬浮液，得到n份不同浓度的系列轮胎磨损颗粒水悬浮标准液，所述系列轮胎磨损颗粒水悬浮标准液的浓度均分布在2ug/l～10mg/l内；
39、s632、过滤：将步骤s631制得的系列轮胎磨损颗粒水悬浮标准液中的轮胎磨损颗粒分别过滤到所述滤膜上，并干燥处理，得到n份系列轮胎磨损颗粒标准滤膜；
40、s633、图片采集：对步骤s632制得的轮胎磨损颗粒标准滤膜进行照片拍摄，获得n份轮胎磨损颗粒标准滤膜图片；
41、s634、图像处理：对步骤s633获得的轮胎磨损颗粒标准滤膜图片采用图像处理软件进行去除图片背景处理，对去除背景后的图片进行二值化处理，再利用图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，得到轮胎磨损颗粒水悬浮液浓度与面积的对应关系；
42、s635、建立质量浓度公式：运用origin软件绘制浓度标准曲线，使r2不低于0.9，根据测量的数据建立质量浓度和面积的关系，得到水体中轮胎磨损颗粒质量浓度公式为c体积＝(s-b)/k中，单位为mg/l，s为图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，um2，b是标曲s＝kx+b中的截距，um2，k为标曲中的斜率，x为轮胎磨损颗粒的浓度，mg/l；当ph＜7的标曲为s＝113.632x+35802，r2＝0.96，当ph＝7的标曲为s＝186.394x+68470，r2＝0.95；当ph>7的标曲为s＝187.746x+33303，r2＝0.93。
43、上述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，土壤中轮胎磨损颗粒浓度标曲通过以下步骤获得
44、s641、配置标准土壤：称取轮胎磨损颗粒配制标准浓度的轮胎磨损颗粒水悬浮液，得到n份不同浓度的系列轮胎磨损颗粒水悬浮标准液，所述系列轮胎磨损颗粒水悬浮标准液的浓度均分布在2ug～10mg/ml内；将系列轮胎磨损颗粒水悬浮标准液中的轮胎磨损颗粒分别注入未受轮胎磨损颗粒污染的土壤中，得到n份系列轮胎磨损颗粒标准土壤，所述系列轮胎磨损颗粒标准土壤的浓度均分布在2ug/g～10mg/g内；
45、s642、标准土壤预处理：将将实验土壤分层并自然风干后，按随机取样法每层取5个样品，每个样品1g，分别置于容器中，按固液比1g:20ml加入清水和分散剂，放置于恒温振荡器上振荡24h；
46、s643、沉降：将振荡分散后的样品，采用naoh调节ph至>7后，置于沉降管中，加入饱和nacl溶液至沉降管刻度线(1l)，用搅拌器上下搅拌后静置至固液完全分层(通常为58分钟以上)，关闭沉降管球阀，移取上层液体，得到含有轮胎磨损颗粒的溶液样品；
47、s644、获取滤膜：对溶液样品进行抽滤并获取到土壤渗滤液中的轮胎磨损颗粒，得到轮胎磨损颗粒滤膜；
48、s645、图片采集：对轮胎磨损颗粒滤膜进行照片拍摄，获得待测轮胎磨损颗粒滤膜图片；
49、s646、图像处理：对待测轮胎磨损颗粒滤膜图片采用图像处理软件进行去除图片背景处理，对去除背景后的图片进行二值化处理，再利用图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，根据轮胎磨损颗粒溶液浓度与轮胎磨损颗粒面积的对应关系；
50、s647、建立质量浓度公式：运用origin软件绘制浓度标准曲线，使r2不低于0.9，根据测量的数据建立质量浓度和面积的关系，得土壤中轮胎磨损颗粒质量浓度公式为中，单位为mg/g，s为图像处理软件测量轮胎磨损颗粒的面积，b是标曲s＝kx+b中的截距，mm2，k为标曲中的斜率，无量纲，x为轮胎磨损颗粒的浓度mg/g，θ为土壤的含水率，标准曲线为：s＝1.43x-0.23。
51、本发明提供的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置及方法具有以下有益效果：
52、1、本发明创新地将轮胎磨损颗粒老化和土壤渗流动态进行耦合设计，可有效观测轮胎磨损颗粒从土壤表面进入到土壤内部的过程，通过土柱渗透，分别检测土柱中实验土壤与土壤渗出液中的轮胎磨损颗粒浓度，从而清晰、准确地完成对轮胎磨损颗粒进入土壤的观测以及对轮胎磨损颗粒的定量示踪。
53、2、本发明通过将土柱中实验土壤进行分层、分散、沉降、氧化等一系列操作，对处理完后的溶液进行抽滤和图像处理，运用准确的面积统计的计数方法，快捷准确的计算得出土壤中轮胎颗粒浓度，结果准确可靠，操作简单，容易实施。
54、3、本发明相较于现有方法，具有能耗低、成本低、稳定性强的特点。
1.一种轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，其特征在于：包括依次通过管道连接的臭氧发生器(1)、老化单元、液体输送设备(4)以及渗流单元；
2.根据权利要求1所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，其特征在于：所述土柱管(5)包括筒体以及与筒体底部连接的呈圆锥形的分离收集器，分离收集器的底部出液口(10)与液体收集器(11)连接，筒体上部设置布水器(12)，筒体与分离收集器连接处设置带孔隔板。
3.根据权利要求1所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，其特征在于：所述臭氧发生器(1)与第一储液罐(2)之间的管道，其位于第一储液罐(2)的末端设置有曝气器(13)。
4.根据权利要求1所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，其特征在于：所述第一储液罐(2)的侧壁不透光，第一储液罐(2)的顶部设置有进气孔(14)、中间孔(15)以及排气孔ⅰ(16)，所述进气孔(14)用于插入臭氧发生器(1)与第一储液罐(2)之间的管道，所述中间孔(15)用于插设紫外线发生器(9)。
5.根据权利要求1所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，其特征在于：所述第二储液罐(3)的顶部设置有排液孔(17)和排气孔ⅱ(18)，所述排液孔(17)用于插入第二储液罐(3)与液体输送设备(4)之间的管道。
6.根据权利要求1所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，其特征在于：土柱管(5)内实验土壤的顶部和底部设置有石英砂层，石英砂层厚度不小于2cm。
7.根据权利要求1所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，其特征在于：所述搅拌组件ⅰ(7)和搅拌组件ⅱ(8)均为磁力搅拌器。
8.一种轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，其特征在于：利用权利要求1-7所述轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验装置，包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，其特征在于：步骤s6中，所述土壤中残留的轮胎磨损颗粒浓度c1检测包括以下步骤：
10.根据权利要求8所述的轮胎磨损颗粒老化与土壤渗流动态观测实验方法，其特征在于：步骤s6中，所述土壤渗滤液中的轮胎磨损颗粒浓度c2检测包括以下步骤：
