燃煤產物中微量元素的淋濾實驗方案和淋濾特征

楊永昌，莘 星，紀冬平，杜文成，劉 鑫

（1.中國礦業大學（北京）地測學院，北京 100083；2.河北省地礦局第十一地質大隊，河北 邢臺 054002）

燃煤產物中微量元素的淋濾實驗方案和淋濾特征

楊永昌1，莘 星2，紀冬平1，杜文成1，劉 鑫1

（1.中國礦業大學（北京）地測學院，北京 100083；2.河北省地礦局第十一地質大隊，河北 邢臺 054002）

飛灰是最主要的燃煤產物，向水環境淋出的有害元素會對水和土壤等產生較大影響。隨著燃煤產物的排放量日益增加，評價其環境效應顯得尤為必要。淋濾實驗是探究燃煤產物中元素淋濾特征的重要手段。本文概括了各種淋濾實驗方案，重點介紹了美國環保局新推出的實驗方案——淋濾環境評價體系（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、淋濾時間條件下微量元素的淋出特征。

燃煤產物；淋濾實驗方案；微量元素；淋濾特征

燃煤產物包括飛灰、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，是最主要的燃煤產物。其向水環境淋出的有害元素對水和土壤等有較大的影響。隨著燃煤產物的排放量日益增加，評價其環境效應顯得尤為必要。

淋濾實驗是探究燃煤產物中元素淋濾特征的重要手段。淋濾試驗具有以下作用：（1）查明燃煤產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）為燃煤產物的科學處理提供依據；（4）為推斷元素在燃煤產物中的賦存狀態提供參考；（5）為提取利用有益元素或防治有害元素提供指導；（6）為燃煤產物中元素淋濾特性的數據模擬提供參數[1]。

1 淋濾實驗方案

1.1 淋濾實驗方案概述

因為淋濾實驗條件和灰處置現場的地質、地化、水文等不同，目前沒有一個可靠的淋濾實驗能準確預測現場環境中的微量元素濃度[2]。不同的淋濾試驗差異明顯，如表1所示。

表1 淋濾實驗方案

1.2 一種新淋濾實驗方案

大多數淋濾實驗方案是單一條件的，提供的數據量有限，其主要目的是檢測廢物對環境的危害程度，有一定的環保意義。美國環保局推出了一種新淋濾實驗方案——淋濾環境評價體系（LEAF），包括4個實驗。

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/min的速度翻轉振蕩24 h后，達到目標 pH：2，4，5.5，7，8，9，10.5，12，13，再液固分離測試。

1.2.2 Method 1314

將樣品填充長30 cm、寬5 cm的淋濾柱，兩端填滿石英砂。用蠕動泵將純水以每天0.75 mL/g的流速，自下而上通過淋濾柱。累計液固比達到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，收集液體，分析測試。

1.2.3 Method 1315

將整塊或壓實的顆粒物放入水槽，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，液固分離測試。

1.2.4 Method 1316

稱取不同質量樣品，加適量純水，使液固比達到目標值：10，5，2，1，0.5。以30轉/min的速度翻轉振蕩24 h，液固分離測試。

LEAF的優點：提供豐富的數據分析燃煤產物對水環境產生影響的原因；可根據現場情況設計實驗，如據酸雨限定pH值；可分析各淋濾條件下的元素淋出特性和賦存狀態。

2 分析討論淋濾特征

本文選取A、B、C三電廠飛灰，根據前文所述LEAF方案，進行實驗，得出以下規律。

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，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）大多數元素呈相似的特性，如Li，Be，B，F，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，無明顯規律的元素，如A電廠的F，Ge，As和B電廠的Ge。（5）無論液固比高低，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）不同電廠表現不同特征的元素：Li，B，F，V，Co，Ni，Ga，Ge，As，Se，Ba，W，U。

2.3 長時間持續淋濾實驗結果分析

選擇C電廠飛灰在Method1314基礎上，將淋濾時間延長至90 d，累計液固比達到68:1。淋出液中元素的變化規律分為：（1）隨時間持續，淋出液中元素含量一直下降，實驗結束時達到相對穩定的元素：Li，Co，Ni，Cu，Zn，Rb，As，Cs，Hg，Tl，Pb。（2）隨時間持續，淋出液中元素含量先短期升高再降低，實驗結束時達到相對穩定的元素：B，F，Cr，Ga，Se，Sr，Mo，Cd，W。（3）隨時間持續，淋出液中元素含量波動較大，實驗結束時尚未穩定的元素：Sc，V，Ge，Sb，U。（4）在全部淋濾過程中，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 結語

綜合來看，單點實驗多用于環境指標評價，操作簡單。LEAF方案不僅可用于環境評估，還可研究元素的淋濾特征，但數據量大，實驗繁雜。燃煤產物中元素的淋濾特性復雜，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，大多數元素的淋出量較大。隨著時間的持續，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，各淋濾實驗的淋出液中的Se、Mo、As幾種元素在不同程度上高于地下水三級標準值，環境危害可能性大[4]。淋濾特征與元素的富集層次、賦存狀態、物化性質、樣品的顆粒大小以及淋濾條件的選擇等因素都有很大關系。未來在積累大量數據的前提下，人們應嘗試計算機模擬研究。

1 趙峰華，任德貽.燃煤產物中有害元素的淋濾實驗的研究現狀[J].煤田地質與勘探，1998，26（4）：14-17.

2 王運泉，任德貽，尹金雙，等.煤及其燃燒產物中微量元素的淋濾試驗研究[J].環境科學，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.燃煤過程中元素的分異特征與淋濾實驗研究[J].中國礦業大學學報，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 文獻標識碼：A 文章編號：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：燃煤產物淋濾。

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