引用本文
崔爱明, 陆桂福. 运用TRIZ理论改进固体载体型元素提取器[J]. 物探与化探, 2016,40(4): 826-830.
CUI Ai-Min, LU Gui-Fu. The application of TRIZ theory to improving solid carrier element extraction[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(4): 826-830.
Doi:10.11720/wtyht.2016.4.30  
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运用TRIZ理论改进固体载体型元素提取器
崔爱明, 陆桂福
中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所,河北 廊坊 065000

作者简介: 崔爱明(1968-),男,本科,工程师,主要从事勘查地球化学研究工作。E-mail:cuiaimin@igge.cn

收稿日期: 2015-07-24
基金: 中国地质调查局地质矿产调查评价项目(12120113100400)
摘要

介绍了运用TRIZ理论改进固体载体型元素提取器的过程。首先找出现有元素提取器的优势与不足,提出理想解,再利用冲突矩阵提供的发明原理创新改进;改进后的球状元素提取器最大限度地扩展了其与周围土壤的接触面,更好地适应电场作用特性,为土壤中的电活动态物质进入提取器提供了更便捷、更广阔的通道,使得电提取作用过程的效率达到最大化。

关键词: TRIZ; 电提取法; 元素提取器; 技术冲突; 物质—场; 冲突矩阵
中图分类号:P632 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)04-0826-05 doi: 10.11720/wtyht.2016.4.30
The application of TRIZ theory to improving solid carrier element extraction
CUI Ai-Min, LU Gui-Fu
Institute of Geophysical and Geochemical Exploration, CAGS, Langfang 065000,China
Abstract

This paper introduces the application of TRIZ theory to improving the process of solid carrier element extractor. First the advantages and disadvantages of the existing elements extractors are pointed out, the ideal solution is proposed, and the invention theory is innovated to improve the design of the conflict matrix. The improved ball element extractor expands the contact surface with the surrounding soil to the maximum, and can be better adapted to the characteristics of electric field, thus providing a more convenient and broader channel for the electric active material in the soil to enter the extractor and hence maximizing the efficicney of the electric extraction process.

Keyword: TRIZ; techniques of CHIM; elements extractor; technological conflict; material-field; conflict matrix

TRIZ发明问题解决理论是由前苏联专家阿奇舒勒(G.S.Altshuller)及其领导的研究小组经历了50年的时间, 分析研究了世界各国近250万件专利, 从中获悉人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则, 并综合多学科领域的原理和法则后建立起来的理论体系。技术进化的9条定律、39个工程参数、40条发明原理、39× 39冲突矩阵、76个标准解、发明问题解决算法(ARIZ)以及工程知识效应库等一同构成了TRIZ的理论与方法体系[1]。

TRIZ理论认为, 产品进化过程就是不断解决产品所存在冲突的过程, 设计人员在设计过程中不断地发现并解决冲突, 是推动产品向理想化方向进化的动力。技术冲突是典型的工程妥协问题, 即当提高系统某一技术特性时, 另一特性会恶化。一旦技术问题抽象成技术冲突的形式, 就要用该问题所处的技术领域中的特定术语描述这个冲突, 然后将这个冲突转换成TRIZ理论的工程参数, 最后由工程参数在技术冲突矩阵中选择可用的发明原理[2, 3], 得出创新改革设计方案。笔者介绍了运用TRIZ理论对元素提取器的创新改进过程。

1 技术背景

电提取法是地电化学找矿方法的一种分支方法, 是由前苏联列宁格勒大学Ю · C雷斯等在20世纪60年代末创建推出, 在70年代研制出成套的野外工作设备, 并逐步在勘查找矿中得到广泛应用[4]。

20世纪80年代初以来, 该方法在我国引起广泛关注。科研人员先后在不同的矿床类型、不同的厚层覆盖区上开展了电提取法研究, 证实了电提取法利用金属(Au、Ag、Cu、Pb、Zn、Mo、Ni、U等)离子提取结果发现隐伏矿异常的有效性, 并取得了良好找矿效果 59。随着电提取法应用研究的深入, 科研人员对地电化学方法机理有了新的认识, 认识到外加电场在电提取过程中所起的重要作用, 否定了在通电时将深部矿体或来自深部矿体的离子直接提取到电极上的观点; 进一步认识到电提取的物质来自于近地表的电活动态物质, 是动态的, 否定了电提取的物质只是来源于电极周围的土壤中的观点, 以及室内电吸附法可取代现场电提取法的观点 1016。这些认识为电提取法仪器设备的创新改进提供了理论依据。

中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所科研组针对电提取法野外工作效率低、设备笨重、野外技术可操作性差以及缺乏统一标准等问题[17], 对电提取法的野外工作仪器设备轻便化、元素提取器的标准化进行研究改进, 并先后申请了固体载体型元素提取器(ZL200420007370.X)和具有时间控制功能的固体载体型元素提取器(ZL200920109896.1)两项专利[18]。

目前具有时间控制功能的固体载体型元素提取器保障了各提取点供电时间的一致, 看似解决了电提取法的仪器装备笨重、载体标准化等问题, 但在实际电提取过程中, 电场作用的特性与元素提取器的结构形状存在密切关系, 现有的元素提取器存在电提取功能不足问题。因此, 笔者应用TRIZ理论, 针对电提取电场作用特性与元素提取器的结构关系, 对元素提取器进行创新改进设计, 以提高电提取工作效率。

2 问题描述与分析
2.1 问题背景

国内电提取法元素提取器进化过程如图1所示。电提取法最早使用金属棒(或石墨棒)作为元素提取器直接插入土壤中提取电活动态物质, 以刮取石墨棒上的固结物作为提取物进行化学分析, 这样的技术形式随意性、不确定性较大。随后技术人员在石墨棒上加上塑料泡沫作为提取器的样基, 但使用后发现塑料泡沫在含液量较大时其导电性较好, 随着电提取过程的推进, 塑料泡沫含液很快消失, 其导电效果变差, 致使提取效率降低。接着技术人员们又发展液式和固体载体元素提取器。液式元素提取器因提取器的过滤膜问题, 在不同的环境条件下液体渗失量差异较大, 致使各测点的电场差异明显, 降低了电提取结果的可靠性。同时出现的固体载体元素提取器以其固体载体、电提取电场的工作条件一致, 得到了很好的应用。随着技术人员对电提取技术的进一步认识, 又将固体载体元素提取器进行了技术方法的改进, 为了扩大电提取法的使用范围及轻便化, 采用了独立的“ 偶极子” 供电模式。

图1 国内电提取法元素提取器的进化过程

综上可见, 国内电提取法元素提取器的进化过程, 是一个由简单向复杂进化的过程, 其进化路线是围绕着充分利用电场作用, 有效将土壤中电活动态物质提取到元素提取器中而进行的, 为了达到规范标准化, 其外形结构也是逐步复杂化。

固体载体型元素提取器(图2)克服了液体罐式提取器提取液量无法控制, 运输、储存不便等问题, 同时也解决了普通石墨电极提取物量很难控制、污染较为严重的问题, 实现了元素提取器载体的规范化、标准化, 为提取物分析质量控制提供了基础保障。

图2 固体载体型元素提取器截面

具有时间控制功能的固体载体型元素提取器(图3)是在固体载体型元素提取器的基础上加上了供电时间控制装置, 其工作特点是:电场作用时间得到有效控制, 保障了各元素提取器提取时间的统一性; 充分提取了元素提取器上方土壤中的电活动态物质。

图3 具有时间控制功能的固体载体型元素提取器

2.2 问题描述

目前的固体载体型元素提取器, 在结构上只是允许上部有限的接收面和土壤介质接触, 而底面及周侧为塑料封闭壳体。因此元素提取器只是利用了其上方的电场, 未能完整地利用提取器周围的电场, 这对电活动态物质及示矿信息的广泛提取显然是不利的。

按照电提取电场作用的特性, 元素提取器四周应均有电场作用(图4), 均能形成电流回路, 如将元素提取器设计为四周均允许金属离子向其内部迁移的话, 其提取效率无疑会成倍提高。

图4 固体载体型元素提取器理想化工作模型

2.3 问题分析

2.3.1 TRIZ理论元素提取器的理想解

固体载体型元素提取器表面应设计为均有电活动物质迁移通道, 使其充分利用电提取电场作用特性, 提取其周边土壤中的电活动态物质。

2.3.2 电提取系统功能分析

电提取系统实质分为两个部分:电源供电控制部分和元素提取器提取富集电活动态物质部分。

电源供电控制部分相对简易可控, 而固体载体型元素提取器是由石墨电极、固体载体、导线及提取器外壳组成, 相对复杂, 其形状为圆饼状(图2), 外表只留取了一面作为电活动态物质迁移的通道(图3), 与理想解存在结构上的不足。

2.3.3 电提取可用资源分析

从电提取的工作原理可见, 电提取的工作电场是相对稳定的, 而现有的固体载体型元素提取器受其结构限制, 在电提取过程中只是利用了固体载体型元素提取器上部的电场, 未能充分利用提取器周围的电场作用特性, 这样对有效提取提取器周边的电活动态物质及示矿信息显然是不利的。

因此从电提取的效率来讲, 现有的固体载体型元素提取器未能充分利用电提取过程中的电场资源(只利用了50%左右的电场资源及土壤介质资源)。

2.4 发明问题确定

2.4.1 依据TRIZ理论分析电提取物质— 场模型

电提取物质— 场模型中, 物质包括正电极、土壤介质中的电活动态物质、元素提取器(负极)、电提取液; 场(FE)包括电场、化学场。

图5是电提取期望功能, 结合前面分析, 由于固体载体型元素提取器自身结构问题, 致使其未能完全利用电提取电场, 造成了元素提取器的功能不足。故分析固体载体型元素提取器电提取物质和场模型为无效完整系统(图6)。

图5 电提取期望功能

图6 电提取无效完整系统

2.4.2 系统物质和场模型问题的确定

依据TRIZ理论分析确定电提取系统物质和场模型冲突是:固体载体型元素提取器的结构致使其未能充分利用电场作用和提取器周边土壤介质中的电活动态物质以增强示矿信息, 是产生系统功能不足的根源。

为此, 在利用现有电场的作用下, 应将固体载体型元素提取器的结构进行改进, 使电场、提取器周边土壤中的电活动态物质得到充分利用。

技术冲突:元素提取器的结构; 元素提取器更大的电场作用面积。

应用TRIZ理论中的39个工程参数确定冲突是:改善特性, 即运动物体的面积; 恶化特性, 即装置的复杂性。

由39× 39冲突矩阵, 对应得到40条发明原理中的创新原理有:分割原理, 即将一个物体分成相互独立的部分, 或是使物体分成容易组装机拆卸的部分, 或是增加物体相互独立部分的程度; 反向原理, 即将一个问题说明中所规定的操作改为相反的操作, 或是使物体中的运动部分静止, 静止部分运动, 或是使一个物体的位置颠倒; 曲面化原理, 即将直线或平面部分用曲线或曲面代替, 立方形用球形代替, 采用辊、球、螺旋, 或是用旋转运动代替直线运动, 采用离心力。

分析上述原理, 曲面化原理中的球形代替与目标理想解的设计原理相似。

3 拟采取的解决方法和解决方案
3.1 改进方法

经过上述的分析, 电提取法元素提取器的改进主要是为了更好地适应电提取过程中的电场作用, 旨在增大电场作用有效面积, 更有效地提取元素提取器周边的电活动态物质示矿信息。依据技术冲突分析, 拟采用曲面化原理中球形代替方法改进现在的固体载体型元素提取器。

3.2 改进方案

将元素提取器设计为球状, 这样就增加了提取器与周围土壤介质的有效接触面积, 更好地适应了电场作用, 为提取元素提取器周边的电活动态物质提供更多的通道。改进后的球状结构元素提取器理想工作模型见工作原理示意 (图7)。

图7 球状结构固体载体元素提取器工作原理示意

将固体载体型元素提取器设计为球状的制造工艺较为复杂。依据TRIZ理论分析其技术冲突为:提取器形状的改善; 提取器装置复杂恶化。

由39× 39冲突矩阵, 对应得到40条发明原理中的创新原理有:分割原理, 即将一个物体分成相互独立的部分, 或是使物体分成容易组装机拆卸的部分, 或是增加物体相互独立部分的程度; 未达到或超过的作用, 即如果100%达到所希望的效果是困难的, 稍微未达到或稍微超过预期的效果将大大简化问题; 机械系统的替代, 即用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统, 用电场、磁场及电磁场完成与物体的相互作用, 将固定场变为移动场, 将静态场变为动态场, 将随机场变为确定场, 将铁磁粒子用于场的作用之中; 气动与液动结构, 即物体的固体零部件可用气动或液压零部件代替。

经分析, 本次采用分割原理中的“ 使物体分成容易组装机拆卸的部分” 原理进行方法改进。

4 最终问题解决方案

经过上述技术冲突分析, 固体载体型元素提取器的改进采用曲面化原理中的球形代替方法改进, 将元素提取器设计为球状, 改进后的固体载体型元素提取器仍是由石墨电极、固体载体、导线及保护装置组成。

采用分割原理将球状提取器分割为两个能容易组装的半球状提取器装置(图8、图9)。

图8 球状结构固体载体元素提取器截面示意

图9 球状结构固体载体元素提取器外观

5 结束语

元素提取器作为电提取法的主要构成部分, 其功能的优劣尤为重要, 决定着电提取工作的效率。

球状固体载体型元素提取器(ZL 2012 2 0675999.6) 使用的载体和原固体载体型提取器载体相同, 其结构设计从理论上讲, 打破了原有提取器与土壤介质单接触面的局限, 使其与土壤介质的接触面变为球面接触, 更好地适应了电场作用特性, 为提取器周边土壤介质中的电活动态物质全方位进入提取器载体中提供了更便捷、更广阔的通道, 从而使得电提取作用过程的效率达到最大化。

球状固体载体型元素提取器有待和原固体载体型元素提取器进行对比试验, 期待其在同一地质条件、相同电场作用条件下所需要的提取时间能够成倍缩短; 或者说, 相同的提取时间内, 球状固体载体型元素提取器将比原提取器提取到的电活动态物质信息量更大。

相信随着球状固体载体型元素提取器在电提取法中的试验成功, 将进一步推动电提取方法的完善, 从而为电提取法参与大面积、快速的矿产勘查提供重要的保证条件, 同时将使电提取法在我国得到更好的推广应用, 加快我国隐伏矿勘查工作的突破。

尽管TRIZ理论为解决问题提供了较为成熟的理论体系和方法, 但TRIZ理论的研究应用不是一蹴而就的, 如何将科研方法产品问题描述为标准工程参数是一个难点, 随着TRIZ理论在我国不断的实践完善, 其理论对我国科研生产的创新发展更具有现实意义。

The authors have declared that no competing interests exist.

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