王德高

安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥，230051

淮南煤田煙煤中鈾元素豐度及其淋濾特征研究

王德高

安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥，230051

以淮南煤田煙煤(13-1和4-1)為研究對象，分析了兩者主要煤質(zhì)特征(水分、灰分、揮發(fā)分、膠質(zhì)層厚度和鏡質(zhì)組反射率)，結(jié)合電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)分析技術(shù)，測定了兩者鈾豐度值；采用淋濾模擬試驗方法，闡明了兩者鈾的淋濾行為。研究結(jié)果表明：(1)13-1、4-1煙煤U豐度值分別為2.55 ppm和3.19 ppm，兩者U豐度差異受控于煤質(zhì)組成、黃鐵礦含量和沉積環(huán)境；(2)在淋濾時間相同的條件下，隨淋濾液pH值降低，兩種煙煤U淋出率均呈現(xiàn)出增高趨勢，但具有一定的差異性；(3)在pH值相同的條件下，隨著淋濾時間的延長，4-1煙煤中U淋出率較13-1的明顯增高。

鈾；豐度；淋濾；煙煤；淮南煤田

1 問題的提出

近年來，淮南煤田煤中微量元素研究是國內(nèi)學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點領(lǐng)域之一[1-3]，且更加關(guān)注煤中具有伴生資源化潛力的微量元素的調(diào)查，如鈾(U)元素等[3]。

從地質(zhì)研究角度說，淮南煤田是華東地區(qū)重要的煤炭生產(chǎn)基地，開采強度還會繼續(xù)加大，但開采將向深部延伸，許多礦區(qū)面臨深部開采，而以往的研究成果多局限于老礦區(qū)及其淺部煤層。由于深部煤層地球化學(xué)場和其他地質(zhì)條件與淺部煤層有較大差異，前者煤中賦存的U可能不同于后者，所以有必要根據(jù)煤炭資源具體開采情況，深入研究正在生產(chǎn)和今后即將動用的煤中U的環(huán)境效應(yīng)和開采使用過程中U的綜合利用，對此進行研究；從元素研究程度角度說，目前對淮南煤田煤中U的理論研究不深，研究成果相對零散，主要集中在U的豐度及其資源化利用方面，缺乏針對煤中U在淋濾條件下所表現(xiàn)出的地球化學(xué)行為研究。尤其是淮南地區(qū)原煤露天堆放頻繁，其中的U在雨水和其他介質(zhì)長期淋濾下，對周邊環(huán)境介質(zhì)的釋放潛力需要深入研究。

鑒于此，本文將對淮南煤田典型煙煤中U的淋濾行為進行深入研究，一是查明原煤中的U釋放潛力，二是探討原煤中U淋濾后的地球化學(xué)行為。

2 研究區(qū)概況

淮南煤田位于華北克拉通聚煤盆地東南隅，坐落于安徽省淮河兩岸(圖1)[4]。淮南煤田在平面上呈北西向的長橢圓狀，東部毗鄰滁州地區(qū)、西部延展至阜陽地區(qū)，長約180 km，寬約20 km，覆蓋面積3654 km2。

圖1 淮南煤田區(qū)域位置圖

淮南煤田主要含煤巖系為晚古生代二疊系山西組、下石盒子組和上石盒子組，其主要可采煤層為早二疊世山西組1煤層、中二疊世4-1煤層和晚二疊世13-1煤層。已有研究表明[5]，1煤層鏡質(zhì)組反射率值為0.7%～1.1%、揮發(fā)分值為19%～40%、膠質(zhì)層厚度為9%～25%，4-1煤層鏡質(zhì)組反射率值為0.8%～1.5%、揮發(fā)分值為31%～40%、膠質(zhì)層厚度為9%～24%，13-1煤層鏡質(zhì)組反射率值為0.8%～1.0%、揮發(fā)分值為36%～45%、膠質(zhì)層厚度為8%～19%。根據(jù)《中國煤炭分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB5751-86)，1煤層為肥氣煤二號，4-1煤層為肥氣煤一號，13-1煤層為氣煤二號?？傮w來說，淮南煤田主要煤層煤變成程度為煙煤。

3 樣品采集與測試分析

本次研究原煤樣選自于淮南煤田主采煤層4-1和13-1煙煤，其主要煤質(zhì)分析指標(biāo)見表1。對2個煙煤樣品中鈾(U)元素在不同時間和不同介質(zhì)條件下的淋濾特征進行深入研究。在淋濾實驗前，采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)測定原煤中U元素豐度(表1)。本次使用的ICP-MS儀器型號為Plasma Quad 3，配有Elan DRC Ⅱ測試系統(tǒng)(由美國熱電VG公司生產(chǎn))，射頻功率1100 W。

表1 淮南煤田煙煤煤質(zhì)分析和U元素豐度數(shù)據(jù)

本次淋濾實驗在中國礦業(yè)大學(xué)測試分析中心完成，具體實驗步驟參照相關(guān)文獻[4]執(zhí)行。本次研究分別用pH=2、pH=5和pH=9三種淋濾液進行淋濾，并分別于2、8、24和48 h時取出液體(待測液體)，并用ICP-MS測定其中U元素豐度，同時測定對應(yīng)淋濾液的空白值，兩數(shù)值之差值即為測定結(jié)果。

本次研究采用相對淋出率(φ)表征U元素淋濾特征，即：

φ=log(avc/AM)

式中,φ為U元素的淋出率,a為U元素在淋出液中的濃度值,v為淋濾液流速,t為淋濾時間；A為U元素在樣品中的濃度,M為樣品的總質(zhì)量。本次淋濾實驗測試結(jié)果見表2。

表2 淮南煤田13-1、4-1原煤中U淋濾實驗測試結(jié)果×10-9

淋濾液pH=2pH=5pH=9淋濾時間282448282448282448鈾(U)13-127.25.835.375.11.73.34.55.88.12.61.92.34-181.017.3108.6183.215.84.21.20.85.61.70.80.4

4 結(jié)果與討論

4.1 原煤中鈾元素(U)元素豐度特征

由表1可見，相比較于13-1煙煤中U豐度，4-1煙煤中的U豐度相對富集(高出20%)。已有研究表明，原煤中U豐度與煤中灰分含量有關(guān)，即煤中灰分含量高，則煤中U豐度亦相對較高，這與表1中13-1、4-1煙煤灰分測試結(jié)果相一致。此外，王運泉[6]認為，煤中U豐度除了與煤中灰分含量相關(guān)外，還與煤中黃鐵礦含量有關(guān)，這與黃文輝[7]得出的“煤中U的賦存與其硫化物含量有關(guān)”的結(jié)論相一致。采用XRD測試分析13-1、4-1煙煤中硫化物的含量，結(jié)果分別為0.95%和2.09%。該結(jié)果佐證了上述結(jié)論，進一步表明了不同的沉積環(huán)境是造成兩者原煤中U豐度差異的重要原因。前人研究表明，中二疊統(tǒng)4-1煤沉積相主要為三角洲前緣相，上二疊統(tǒng)13-1煤沉積相主要為下三角洲平原相，這從某種程度上說明沉積環(huán)境的微區(qū)性導(dǎo)致煤中硫化物不同程度的富集。

4.2 鈾元素(U)淋濾特征

圖2表明，隨著淋濾液酸性降低，U的淋濾效果整體上呈減弱趨勢。當(dāng)淋濾液的pH=2時，4-1原煤淋濾效果較13-1原煤的好，且其48 h的淋出率接近21%，并表現(xiàn)出隨著淋濾時間的延長，淋出率明顯增加。此外，13-1原煤淋出率的變化規(guī)律與4-1原煤的保持一致。當(dāng)淋濾液的pH=5時，13-1原煤淋濾效果較4-1原煤的好，且其48 h的淋出率接近6.0%，并表現(xiàn)出隨著淋濾時間的延長，淋出率明顯增加。此外，4-1原煤48 h的淋出率僅為3.0%，且基本達到平衡。當(dāng)淋濾液的pH=9時，兩者淋出率的變化規(guī)律與淋濾液的pH=5時基本保持一致；不同的是，13-1原煤淋出率在48 h才達到2.5%，4-1原煤的僅達到1.0%。

4.3 淋濾條件對鈾元素(U)淋濾結(jié)果的影響4.3.1 淋濾液對淋濾結(jié)果的影響

圖2表明，隨淋濾液酸度逐漸增加，在淋濾時間相同的條件下U淋出率相對增高。結(jié)合前人研究成果[7-8]，該現(xiàn)象可能源于煤中U元素主要賦存于硅鋁酸鹽結(jié)合態(tài)中，當(dāng)淋濾液為酸性條件時，不易造成硅鋁酸鹽溶解，反而會使其賦存的U元素淋出；當(dāng)淋濾液為堿性條件時，可能造成氧化鋁或二氧化硅發(fā)生水解形成地球化學(xué)障，使得U元素難以淋濾出。

圖2 在pH=2、5、9的淋濾液下淮南煤田13-1、4-1原煤中U不同時間的淋出率

從圖2可以看出，在2 h和8 h時間段內(nèi)，隨著淋濾液酸性增強，13-1、4-1原煤淋出率增加，其中，在pH=2和pH=5時，隨著淋濾時間增長，4-1原煤中U淋出總量和淋出速率較13-1原煤的高，然而，在pH=9時，兩者淋出率所表現(xiàn)的規(guī)律正好相反；在8 h和24 h時間段內(nèi)，在pH=2時，隨著淋濾時間的延長，兩者淋出率繼續(xù)增加，且4-1原煤中U淋出總量和淋出速率較13-1原煤的高，在pH=5和pH=9時，隨著淋濾時間的延長，13-1原煤淋出總量和淋出速率在8 h和24 h時間段內(nèi)逐漸呈現(xiàn)出較4-1原煤高的趨勢；在24 h和48 h時間段內(nèi)，兩者淋出總量和淋出速率所表現(xiàn)出的規(guī)律與前一個時間段一致。特別值得關(guān)注的是，4-1原煤淋出率隨著酸性條件增加，其淋出率明顯降低，這表明在酸性溶液體系中，4-1煤中U可以得到快速釋放。

4.3.2 淋濾時間對淋濾結(jié)果的影響

淋濾時間是影響原煤中有害元素溶出的關(guān)鍵因素[9]。秦勇等研究表明，由于煤中部分有害微量元素性質(zhì)穩(wěn)定，在淋濾過程中較難析出，但在外界環(huán)境因素長期作用下，其理化性質(zhì)發(fā)生變化，造成較難釋放元素得以快速釋放[8]。考慮到在pH=2的淋濾液中U淋濾效果最好，所以選擇pH=2時的淋濾結(jié)果來分析淋濾時間對U淋濾效果的影響。

圖2還表明，在pH=2和pH=5時，隨著淋濾時間的延長，13-1、4-1原煤中U淋濾率逐漸增加且4-1原煤中U淋出總量較13-1原煤的高，但是，在淋濾時間達8 h后，13-1原煤淋出速率逐漸超過4-1原煤的。相較于13-1原煤淋濾規(guī)律而言，即在淋濾液和淋濾時間雙控的條件下，其中的U元素淋出率未到達淋濾平衡，仍然具有析出潛力；對于4-1原煤，在pH=9、淋濾時間大于8 h時，其中的U淋出率趨于穩(wěn)定(1%)，表明U元素在8 h后已經(jīng)達到淋濾平衡。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上對實驗結(jié)果的分析，可得出如下結(jié)論：

(1)13-1煙煤中U豐度值為2.55 ppm，4煙煤中U豐度值為3.19 ppm，兩者U豐度差異受控于煤質(zhì)組成、黃鐵礦含量和沉積環(huán)境；(2)隨淋濾液酸度逐漸增加，在淋濾時間相同的條件下，兩種煙煤U淋出率相對增高，但兩者表現(xiàn)出一定的差異性；(3)隨著淋濾時間的延長，兩種煙煤中U淋濾出逐漸增加且4-1原煤中U淋出總量較13-1原煤的高。

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(責(zé)任編輯：汪材印)

10.3969/j.issn.1673-2006.2017.01.033

2016-05-27

王德高(1985-)，江蘇徐州人，碩士，講師，研究方向：地質(zhì)測繪。

P618.11

A

1673-2006(2017)01-0122-03