楊永昌，莘 星，紀(jì)冬平，杜文成，劉 鑫

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地測(cè)學(xué)院，北京 100083；2.河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054002）

燃煤產(chǎn)物中微量元素的淋濾實(shí)驗(yàn)方案和淋濾特征

楊永昌1，莘 星2，紀(jì)冬平1，杜文成1，劉 鑫1

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地測(cè)學(xué)院，北京 100083；2.河北省地礦局第十一地質(zhì)大隊(duì)，河北 邢臺(tái) 054002）

飛灰是最主要的燃煤產(chǎn)物，向水環(huán)境淋出的有害元素會(huì)對(duì)水和土壤等產(chǎn)生較大影響。隨著燃煤產(chǎn)物的排放量日益增加，評(píng)價(jià)其環(huán)境效應(yīng)顯得尤為必要。淋濾實(shí)驗(yàn)是探究燃煤產(chǎn)物中元素淋濾特征的重要手段。本文概括了各種淋濾實(shí)驗(yàn)方案，重點(diǎn)介紹了美國(guó)環(huán)保局新推出的實(shí)驗(yàn)方案——淋濾環(huán)境評(píng)價(jià)體系（LEAF），包括Method1313、Method 1314、Method 1315、Method 1316；基于LEAF方案，分析并討論了不同pH、液固比、淋濾時(shí)間條件下微量元素的淋出特征。

燃煤產(chǎn)物；淋濾實(shí)驗(yàn)方案；微量元素；淋濾特征

燃煤產(chǎn)物包括飛灰、爐渣等，其中飛灰占灰渣總量的80%～90%，所含元素最豐富，有80余種，是最主要的燃煤產(chǎn)物。其向水環(huán)境淋出的有害元素對(duì)水和土壤等有較大的影響。隨著燃煤產(chǎn)物的排放量日益增加，評(píng)價(jià)其環(huán)境效應(yīng)顯得尤為必要。

淋濾實(shí)驗(yàn)是探究燃煤產(chǎn)物中元素淋濾特征的重要手段。淋濾試驗(yàn)具有以下作用：（1）查明燃煤產(chǎn)物中淋出的元素種類及其淋出濃度和淋出率；（2）確定影響元素淋出的因素；（3）為燃煤產(chǎn)物的科學(xué)處理提供依據(jù)；（4）為推斷元素在燃煤產(chǎn)物中的賦存狀態(tài)提供參考；（5）為提取利用有益元素或防治有害元素提供指導(dǎo)；（6）為燃煤產(chǎn)物中元素淋濾特性的數(shù)據(jù)模擬提供參數(shù)[1]。

1 淋濾實(shí)驗(yàn)方案

1.1 淋濾實(shí)驗(yàn)方案概述

因?yàn)榱転V實(shí)驗(yàn)條件和灰處置現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)、地化、水文等不同，目前沒(méi)有一個(gè)可靠的淋濾實(shí)驗(yàn)?zāi)軠?zhǔn)確預(yù)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的微量元素濃度[2]。不同的淋濾試驗(yàn)差異明顯，如表1所示。

表1 淋濾實(shí)驗(yàn)方案

1.2 一種新淋濾實(shí)驗(yàn)方案

大多數(shù)淋濾實(shí)驗(yàn)方案是單一條件的，提供的數(shù)據(jù)量有限，其主要目的是檢測(cè)廢物對(duì)環(huán)境的危害程度，有一定的環(huán)保意義。美國(guó)環(huán)保局推出了一種新淋濾實(shí)驗(yàn)方案——淋濾環(huán)境評(píng)價(jià)體系（LEAF），包括4個(gè)實(shí)驗(yàn)。

1.2.1 Method 1313

將HCl和KOH溶液加入樣品，液固比均為10:1。以30轉(zhuǎn)/min的速度翻轉(zhuǎn)振蕩24 h后，達(dá)到目標(biāo) pH：2，4，5.5，7，8，9，10.5，12，13，再液固分離測(cè)試。

1.2.2 Method 1314

將樣品填充長(zhǎng)30 cm、寬5 cm的淋濾柱，兩端填滿石英砂。用蠕動(dòng)泵將純水以每天0.75 mL/g的流速，自下而上通過(guò)淋濾柱。累計(jì)液固比達(dá)到0.2 mL/g，0.5 mL/g，1 mL/g，1.5 mL/g，2 mL/g，4.5 mL/g，5 mL/g，9.5 mL/g，10 mL/g時(shí)，收集液體，分析測(cè)試。

1.2.3 Method 1315

將整塊或壓實(shí)的顆粒物放入水槽，以液體體積和浸泡面面積比9 mL/cm2的比例加純水，在時(shí)間梯度：0.08 d，1 d，2 d，7 d，14 d，28 d，42 d，49 d，63 d更換淋濾液，液固分離測(cè)試。

1.2.4 Method 1316

稱取不同質(zhì)量樣品，加適量純水，使液固比達(dá)到目標(biāo)值：10，5，2，1，0.5。以30轉(zhuǎn)/min的速度翻轉(zhuǎn)振蕩24 h，液固分離測(cè)試。

LEAF的優(yōu)點(diǎn)：提供豐富的數(shù)據(jù)分析燃煤產(chǎn)物對(duì)水環(huán)境產(chǎn)生影響的原因；可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如據(jù)酸雨限定pH值；可分析各淋濾條件下的元素淋出特性和賦存狀態(tài)。

2 分析討論淋濾特征

本文選取A、B、C三電廠飛灰，根據(jù)前文所述LEAF方案，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出以下規(guī)律。

2.1 不同pH條件下的淋濾特征

2.1.1不同pH條件下，元素淋濾特征分類

（1）隨pH增加，元素淋出濃度降低，如三電廠的 Be，B，Sc，V，Co，Ni，Cu，Zn，Ge，Sr，Y，Cd，In，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Ta，Tl，Pb，U；A 電 廠 的Zr，Nb，Sn，Hf，Th；C 電廠的 Zr，Nb，Sn。（2）元素在堿性條件淋出量較高，如三電廠的元素Rb，Mo，W；A電廠的Se；B電廠的Bi，Th；C電廠的Se，Bi。（3）元素隨pH增大，淋出量先減小，后稍增大的元素，如三電廠的元素Li，F(xiàn)，Cr，Ga，Ba；A 電廠的 Cs，Bi；B 電廠的 Se，Zr，Nb，Cs，Hf；C電廠的Cs，Hf，Th。（4）淋出特征復(fù)雜的元素，如三電廠的As，Sb，Hg；B電廠的Sn。

2.1.2 不同pH條件，不同電廠同元素淋出特征異同

（1）大多數(shù)元素呈相似的特性，如Li，Be，B，F(xiàn)，Sc，V，Cr，Co，Ni，Cu，Zn，Ga，Ge，As，Se，Rb，Sr，Y，Mo，Cd，In，Sb，Cs，Ba，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Ta，W，Hg，Tl，Pb，U。（2）少量元素呈不同特征，如 Se，Zr，Nb，Sn，Hf，Bi，Th。

2.2 不同液固比條件下的淋濾特征

2.2.1 不同液固比條件下，元素淋濾特征分類

（1）隨液固比增加，淋出液的元素濃度降低，如三電廠的 Sc，Cr，Cu，Rb，Sr，Mo，Cd，Cs；A 電廠的Li，Co，Ni，Zn，Se，Y，Ba；B電廠的Li，V，W；C 電廠的 B，V，Ni，Zn，Ga，Ge，Se，Ba，W，Tl。（2）隨液固比增加，淋出液的元素濃度升高，如三電廠的Sb；A電廠的Ga，U；B電廠的B，As，Se，U；C電廠的Li，As。（3）隨液固比增加，淋出液的元素濃度先升高后降低，如A電廠的B，V，W；B電廠的F，Co，Ni，Ga，Ba；C電廠的F，Co，U。（4）隨液固比增加，無(wú)明顯規(guī)律的元素，如A電廠的F，Ge，As和B電廠的Ge。（5）無(wú)論液固比高低，元素淋出極少，不予討論的元素，如三電廠的Be，Zr，Nb，In，Sn，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb，Lu，Hf，Ta，Hg，Pb，Bi，Th。

2.2.2 不同液固比，不同電廠同元素淋濾特征異同

（1）淋濾行為相似的元素：Sc，Cr，Cu，Rb，Sr，Mo，Cd，Sb，Cs。（2）不同電廠表現(xiàn)不同特征的元素：Li，B，F(xiàn)，V，Co，Ni，Ga，Ge，As，Se，Ba，W，U。

2.3 長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)淋濾實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

選擇C電廠飛灰在Method1314基礎(chǔ)上，將淋濾時(shí)間延長(zhǎng)至90 d，累計(jì)液固比達(dá)到68:1。淋出液中元素的變化規(guī)律分為：（1）隨時(shí)間持續(xù)，淋出液中元素含量一直下降，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的元素：Li，Co，Ni，Cu，Zn，Rb，As，Cs，Hg，Tl，Pb。（2）隨時(shí)間持續(xù)，淋出液中元素含量先短期升高再降低，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的元素：B，F(xiàn)，Cr，Ga，Se，Sr，Mo，Cd，W。（3）隨時(shí)間持續(xù)，淋出液中元素含量波動(dòng)較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)尚未穩(wěn)定的元素：Sc，V，Ge，Sb，U。（4）在全部淋濾過(guò)程中，很少被淋出的元素：Be，Y，Zr，Nb，In，Sn，La，Ce，Pr，Nd，Sm，Eu，Gd，Tb，Dy，Ho，Er，Tm，Yb， Lu，Hf，Ta，Bi，Th。

3 結(jié)語(yǔ)

綜合來(lái)看，單點(diǎn)實(shí)驗(yàn)多用于環(huán)境指標(biāo)評(píng)價(jià)，操作簡(jiǎn)單。LEAF方案不僅可用于環(huán)境評(píng)估，還可研究元素的淋濾特征，但數(shù)據(jù)量大，實(shí)驗(yàn)繁雜。燃煤產(chǎn)物中元素的淋濾特性復(fù)雜，不同電廠同類樣品中的同種元素也存在差別[3]。在酸性、液固比較大的條件下，大多數(shù)元素的淋出量較大。隨著時(shí)間的持續(xù)，淋出液的有些元素濃度一直下降，有些元素先短暫增加，再降低。綜合考慮，各淋濾實(shí)驗(yàn)的淋出液中的Se、Mo、As幾種元素在不同程度上高于地下水三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值，環(huán)境危害可能性大[4]。淋濾特征與元素的富集層次、賦存狀態(tài)、物化性質(zhì)、樣品的顆粒大小以及淋濾條件的選擇等因素都有很大關(guān)系。未來(lái)在積累大量數(shù)據(jù)的前提下，人們應(yīng)嘗試計(jì)算機(jī)模擬研究。

1 趙峰華，任德貽.燃煤產(chǎn)物中有害元素的淋濾實(shí)驗(yàn)的研究現(xiàn)狀[J].煤田地質(zhì)與勘探，1998，26（4）：14-17.

2 王運(yùn)泉，任德貽，尹金雙，等.煤及其燃燒產(chǎn)物中微量元素的淋濾試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)，1996，17（1）：16-19.

3 Hassett D J.Scientifically Valid Leaching of Coal Conversion Solid Residues to Predict Environmental Impact[J].Fuel Processing Technology，1994，（39）：445-459.

4 王文峰，秦 勇，宋黨育，等.燃煤過(guò)程中元素的分異特征與淋濾實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（4）：481-487.

Leaching Experiment Schemes and Leaching Characteristics of Trace Elements in Coal Combustion Products

Yang Yongchang1, Xin Xing2, Ji Dongping1, Du Wencheng1, Liu Xin1
(1.China University of Mining amp; Technology, Beijing 100083, China;2.Eleventh Geological Team of Hebei Bureau of Geology and Mineral Resources Exploration, Xingtai 054002, China)

Fly ash is the most important coal product, and harmful elements leached from the water environment have a great influence on water and soil.With the increasing emissions of coal products, it is necessary to evaluate their environmental effects.Leaching experiment is an important means to explore the leaching characteristics of elements in coal products.This paper summarizes the various leaching experiment scheme, focuses on the environmental evaluation system -- leaching experimental scheme of the new United States Environmental Protection Agency (LEAF), including Method1313, Method 1314, Method 1315, Method 1316; based on the LEAF scheme, and discussed the characteristics of trace elements with different pH, liquid-solid ratio, leaching time under the.

coal combustion products；leaching experiment schemes；trace elements；Leaching characteristics

TQ531 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1008-9500(2017)08-0011-03

2017-06-11

楊永昌（1990-），男，河北保定人，碩士研究生，研究方向：燃煤產(chǎn)物淋濾。

莘星（1992-），男，河北邢臺(tái)人，助理工程師，從事水文地質(zhì)工作和研究，Email：616214877@qq.com