煤矸石中砷的淋溶析出规律

苏华美,　王　智,　刘志斌

(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000;2.牙克石市安全生产监督管理局, 内蒙古 牙克石 022150)



煤矸石中砷的淋溶析出规律

苏华美1,王智2,刘志斌1

(1.辽宁工程技术大学 环境科学与工程学院, 辽宁 阜新 123000;2.牙克石市安全生产监督管理局, 内蒙古 牙克石 022150)

为了得到煤矸石中砷的析出规律,采用模拟天然降水的淋溶实验法对其进行研究。结果表明,淋溶液的pH值对煤矸石中砷的淋溶析出量影响较大,淋溶液的酸性越强,煤矸石中砷的析出量越大。初始淋溶时,砷的析出量相对较大,随着淋溶量的增加,砷的析出量逐渐降低。裸露堆放煤矸石的淋溶是砷污染的重要途径和影响生态环境的重要因素。

煤矸石; 砷; 淋溶实验

砷是一种蓄积性元素,通过呼吸和消化系统进入人体,经血流分布于全身各部位,可引起慢性中毒、致畸、致癌、致突变[1],严重危害人体健康。由有关煤中砷的文献[2-7]统计分析可知,我国煤中砷的分布范围在0～10 μg/g,算术平均值为5 μg/g左右,与世界煤中砷平均值相近。砷元素从煤中析出的途径不同,其影响的对象和程度也不同。如煤燃烧过程中,砷元素随飞灰、微颗粒物进入大气,首先对大气造成影响,露天堆放的煤矸石不仅占据大量土地,而且极易发生风化,加之长期降雪、降雨淋溶和自身所载水分的作用,发生一系列物理化学变化,其含有的有害杂质主要是硫化物、碳酸盐类化合物及汞、铅、砷等重金属,随淋溶液渗入地表,污染了地表水体和农田,给附近居民和牲畜的生存造成了威胁。

淋溶是微量元素从煤矸石中析出的重要途径,在具有游离氧的大气降雨作用下,会使煤矸石中的硫化铁发生氧化反应,生成硫酸和硫酸铁,使水溶液更加酸化,被胶体吸附的砷元素释放出来,更使砷元素的氢氧化物和碳酸盐溶解,使其进入地表水、土壤及地下水,被动物、植物及人体吸收后,通过食物链形成长期性的、累积性的危害。其影响程度取决于淋溶液中有毒害元素的排放情况及所在地的环境地质条件等因素。文中采用模拟天然降水的淋溶实验方法研究了煤矸石中砷的析出规律。

1　研究区概况

研究区地处陕西、内蒙古交界处,属华北聚煤区,煤质主要为烟煤。地层主要为三叠系、侏罗系、白垩系和第四系。矿区分为两个井田,境内有乌兰木伦河,气候属北温带半干旱大陆性气候,冬寒夏热,多季风,降雨集中在秋季。土壤主要为砂岩风化土、风沙土,土体结构松散,土壤养分含量缺磷,少氮,钾有余,有机质含量低,肥力极低,pH值为7.5～9.0。植被属草原植被类型。

2　材料与方法

采用“蛇形布点法”对所研究矿区现使用的排矸场采样,所采试样为新排放未风化的煤矸石,共取10个样点,并采用“四分法”使试样达到实验所需质量。根据煤中砷的测定方法对煤矸石试样中砷的质量分数进行测定,结果为16.142 μg/g。

实验装置为高25 cm,内径5 cm的有机玻璃管淋溶柱。淋溶柱底部依次铺1 cm厚细砂、1 cm厚粗砂、约5 cm厚煤矸石(根据大量研究[8-9],选择粒度小于3 mm的煤矸石100 g)和1 cm厚粗砂(图1)。研究区降雨pH 平均值在 5.0～5.6[10],考虑不同酸碱度对煤矸石中砷元素淋出率的影响,模拟雨水选择pH值为5的盐酸水溶液和pH值为7的蒸馏水分别淋溶煤矸石。实验所有器皿用酸浸泡,去离子水冲洗。根据矿区所在地年均降雨量415 mm,确定淋溶总量V为900 mL,每次淋溶100 mL,淋溶流速控制在20滴/min,淋溶装置见图1。按国标GB 7485—87《二乙基二硫代氨基甲酸银分光光度法》测定淋出液中砷的质量浓度ρ。

图1　淋溶装置

3　结果与分析

模拟淋溶实验结果见表1。由表1可知,淋溶液pH=5时煤矸石中砷的淋出量高于pH=7时,说明煤矸石中砷的淋溶析出量随淋溶液酸性增强而增大,淋溶液pH值越低,淋出液中砷质量浓度越高。

表1　煤矸石中砷元素的淋溶析出量

实验结果表明酸雨会增加煤矸石中砷污染地下水的风险。大量研究结果证实,煤或煤矸石中的砷与三态硫密切相关[11]。砷与无机硫化物结合形成雄黄、雌黄、砷黄铁矿,并多存在于Cu、Zn、Pb等元素的硫化物矿物中,常和黄铜矿、黄铁矿、闪锌矿共生。淋溶过程中砷的硫化物将和黄铁矿一样,发生如下反应,使一部分As淋溶出来。

pH值越低,H+增多,会使得煤矸石中的可交换砷增多,从而有利于煤矸石中砷的淋出。

4　环境影响评价

煤矸石对环境的影响主要是通过雨水淋溶造成的,随淋溶液析出的微量元素进入土壤,或汇入河流,会对环境造成影响。淋溶液对土壤的危害具有一定的局域性,通常使排矸场周边的土壤有毒害微量元素得到富集,使局部地区土壤受到污染。淋溶实验煤矸石样品为100 g,含砷总量为1 614.2 μg。通过900 mL不同pH(5和7)的淋溶液淋溶,根据表1,得出煤矸石淋出液含砷总量分别为7.51和3.54 μg。煤矸石淋溶时砷的析出量与煤矸石中砷的总含量的比值即为煤矸石淋溶时砷的析出率。据此可计算出,新排放煤矸石经过 1 a雨水淋溶,煤矸石中砷的析出率,分别为0.539%和0.263%。

为计算矿区每年新排放煤矸石淋溶对环境的影响,引入煤矸石中砷的淋溶污染参数L,即1 kg煤矸石经过 1 a雨水淋溶释放的砷元素量。由污染参数可计算矿区年排放煤矸石经雨水淋溶一年向环境所释放的砷总量为

m=mcL,

式中:mc——矿区年排放煤矸石总量,t;

L——煤矸石中砷的淋溶污染参数,μg /(kg·a)。

所研究矿区年排放煤矸石174.2×104t,经计算可知,矿区煤矸石中砷的年释放量分别为130.82(pH=5)和61.67(pH=7)kg。

5　结束语

文中采用模拟天然降水的淋溶实验方法研究了煤矸石中砷的析出规律。结果表明,在煤矸石的淋溶过程中,淋溶液的pH值对煤矸石中砷的析出有很大的影响,淋溶液的酸性越强,煤矸石中砷的析出量就越大。初始淋溶时,砷的析出量相对较大,随着淋溶量的增加,砷的析出量逐渐降低。新排放煤矸石中砷通过淋溶方式的年析出率较低,仅为0.26%～0.54%,但释放总量较大,且析出过程是持续的,对矿区周边生态环境影响严重。

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(编辑王冬)

Leaching release law of arsenic in coal gangue

SUHuamei1,WANGZhi2,LIUZhibin1

(1.College of Environmental Science & Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, China;2.Yakeshi Administration of Work Safety, Yakeshi 022150, China)

Aimed at an insight into the law underlying arsenic release from coal gangue, this paper introduces the study of the law using leaching experiment marked by simulating natural precipitation. The results show that, the pH value of leaching liquor exerts a great influence on the arsenic amount leached from coal gangue, meaning that a higher acidity of leaching liquor produces a greater arsenic amount leached from coal gangue. The initial leaching triggers a relatively large arsenic content precipitated from coal gangue, followed by the gradually decreasing arsenic content due to the increase in leaching amount. The leaching of coal gangue exposed to air is the main contributor to arsenic pollution and an important factor affecting ecological environment.

coal gangue; arsenic; leaching experiment

2013-07-21

国家自然基金煤炭联合基金项目(51174266)

苏华美(1987-),女,辽宁省阜新人,硕士,研究方向:环境影响评价,E-mail:shm_2878@163.com。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.05.004

X752

1671-0118(2013)05-0421-03

A