尾礦庫淋溶機(jī)理及滲濾液處理措施

尾礦庫淋溶機(jī)理及滲濾液處理措施張越【摘要】闡述了尾礦淋溶液的化學(xué)機(jī)理，并對其影響因素作了分析，同時提出了對尾礦滲濾液處理措施的幾點(diǎn)意見,供尾礦污染治理行業(yè)參考.【期刊名稱】《山西化工》【年(卷)，期】2018(038)004【總頁數(shù)】3頁(P210-212)【關(guān)鍵詞】尾礦;滲濾液;氧化;治理【作者】張越【作者單位】山西省煤炭規(guī)劃設(shè)計院,山西太原030045【正文語種】中文【中圖分類】X7521概述尾礦庫往往是較大的污染源，其主要污染形式一般是淋溶液中含有的重金屬離子對地表水、地下水和土壤的污染［1］。金屬離子進(jìn)入環(huán)境中很難去除，而且隨著食物鏈最終會轉(zhuǎn)移到人體內(nèi)，對人類健康造成很大影響。尾礦中含有大量金屬元素，長期堆積后在雨水、地表徑流以及空氣的共同作用下，重金屬離子會被活化，進(jìn)而通過化學(xué)反應(yīng)，以離子態(tài)進(jìn)入滲濾液，離子態(tài)的金屬離子更容易與其他陰離子反應(yīng)，生成各種無機(jī)物質(zhì)進(jìn)入環(huán)境，對環(huán)境進(jìn)行著持續(xù)污染［2-3］。2尾礦重金屬淋溶機(jī)理2.1金屬硫化物的氧化以黃鐵礦為例，在自然界中，其氧化過程一般發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)見式(1)~式(3)。Fe2++1/4O2+H+Fe3++1/2H2O(1)(2)⑶金屬硫化物的氧化機(jī)理隨著反應(yīng)條件的不同而不同，自然界中一般發(fā)生典型的三類反應(yīng)。以黃鐵礦為例：1)在中性條件下，其與空氣接觸后發(fā)生的氧化反應(yīng)原理：礦物質(zhì)當(dāng)中的二價鐵離子Fe2+會自發(fā)從晶格中溢出，在無催化劑的情況下，緩慢與空氣中的氧氣結(jié)合。硫化礦中的二價硫離子S2-和等陰離子活性較低，不像二價鐵離子Fe2+一樣溢出晶格，而是保持在晶格內(nèi)。在硫化礦物氧化的過程中，實(shí)際是陽離子Fe2+比陰離子等更快地與空氣中的氧氣結(jié)合，從而被氧化，氧化產(chǎn)生的Fe3+再與黃鐵礦反應(yīng)。2)在弱酸性條件下，三價鐵離子Fe3+在硫化礦的氧化作用下仍有重要作用，不同的是，在滲濾液中溶解氧飽和度不高時，三價鐵離子Fe3+與黃鐵礦的反應(yīng)不能維持。酸性條件下，在黃鐵礦的氧化過程中，二價鐵離子Fe2+優(yōu)先被吸附在黃鐵礦的表面，進(jìn)而與滲濾液中的溶解氧發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，使二價鐵離子Fe2+被氧化成三價鐵離子Fe3+［反應(yīng)式(3)］，之后，由于三價鐵離子Fe3+具有較強(qiáng)的氧化性，其從黃鐵礦中得電子的能力遠(yuǎn)強(qiáng)于溶解氧，從而以三價鐵離子Fe3+為氧化劑的氧化反應(yīng)發(fā)生在了黃鐵礦中，三價鐵離子Fe3+化合價降低被還原成二價鐵離子Fe2+［反應(yīng)式(2)］，吸附在黃鐵礦上的二價鐵離子Fe2+又作為還原劑繼續(xù)從溶解氧中得電子后再去氧化黃鐵礦，反應(yīng)如此循環(huán)下去，構(gòu)成了黃鐵礦的氧化機(jī)理。3)在強(qiáng)酸溶液中，三價鐵離子Fe3+具有更強(qiáng)的氧化性和溶解性，因其具有氧化能力成為主要的氧化劑，對黃鐵礦進(jìn)行著強(qiáng)氧化作用。實(shí)際上，金屬硫化物的氧化作用是一種陰-陽極的電化學(xué)反應(yīng)。黃鐵礦等金屬硫化物被氧化后，其含有的重金屬元素活性也相應(yīng)提高，與硫化礦物質(zhì)表面氧化后生成的物質(zhì)反應(yīng)后進(jìn)入滲濾液中。主要反應(yīng)作用：1)物理吸附與靜電吸附；2)化學(xué)吸附［見反應(yīng)式(4)］；3)沉淀與共沉淀［見反應(yīng)式(5)］；4)離子替換，其他金屬離子替換Fe2+。Fe(m)0H+M(0H)X-Fe(n)0M(0H)(X-1)+H+(4)(1-x)Fe3++xAl3++3H2O(Fe1-x,Alx)(0H)3(s)+H+(5)2.2金屬硫化物的溶解硫化礦物質(zhì)在被氧化后，在表面形成一層氧化殼，進(jìn)而對進(jìn)一步的氧化作用起到阻礙作用。在尾礦堆積后，尾礦庫中溶解氧的濃度隨著堆積的深度而逐漸減小。氧氣的不足會進(jìn)一步減弱尾礦氧化作用的發(fā)生。所以，尾礦污染的主要作用是金屬硫化物的溶解反應(yīng)，也就是尾礦的淋溶作用。磁黃鐵礦的溶解原理是，鐵元素首先富集在礦物質(zhì)表面，一方面，在酸性條件下與H+發(fā)生反應(yīng)，從而溶解，另一方面，與空氣中的氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，分別形成硫化氫和氧化亞鐵等。在黃鐵礦發(fā)生淋溶反應(yīng)時，首先溶解的是黃鐵礦的表面，然后才與溶解氧發(fā)生氧化反應(yīng)。在反應(yīng)速率方面，溶解速率往往快于氧化速率，而且只有在溶解反應(yīng)發(fā)生到一定階段后的生成物才會增強(qiáng)氧化反應(yīng)。3尾礦重金屬淋溶影響因素分析3.1淋溶液初始pH值的影響本文以冰醋酸(CH3CH200H)和氫氧化鈉配制成初始pH值分別為2.00、3.00、4.50、7.00、10.00、12.00的溶液，選取鉛鋅尾礦進(jìn)行靜態(tài)淋溶試驗(yàn)，測定一個月后淋溶液中鉛、鋅的金屬質(zhì)量濃度，記錄于表1中。表1不同pH值下重金屬溶出量pH值2.003.004.507.0010.0012.00p(Pb)/mg?L-12.122.081.031.031.021.07p(Zn)/mg?L-13.253.193.133.073.063.27由表1可以看出，用不同pH值的溶液淋溶尾礦，重金屬元素的浸出濃度有很大差別。在強(qiáng)酸條件下，隨著pH值的減小，Pb和Zn的浸出濃度都會增加；在強(qiáng)堿環(huán)境中，浸出濃度也符合以上規(guī)律，但在中性條件下，溶出量減少。通過以上研究可以證明，pH對尾礦的淋溶以及重金屬離子的析出有重要的影響，酸雨嚴(yán)重的地區(qū)，尾礦庫的鉛、鋅污染更易加重。3.2淋溶時間的影響尾礦庫中的尾礦長期堆積在自然環(huán)境中，雨水以及地表徑流對其長期侵蝕，因此研究時間對淋溶的影響很有必要。本文選用相同pH液對鉛鋅尾礦進(jìn)行淋溶，淋溶時間選為2、4、6、18、24、42、48d8個不同的浸出時間來進(jìn)行研究，具體結(jié)果見圖1。由圖1可以得出以下結(jié)論：在pH值相同的溶液中，重金屬Zn的溶出速度在開始時最大，隨著時間的增加，溶出增加的勢頭逐漸緩慢；重金屬Pb的溶出速度則一直都處在緩慢增加的勢頭。分析其原因可能是，隨著滲濾液的滲出，溶出的Pb元素吸附并富集在尾礦表面，前期會隨著滲濾液排除，但隨著時間的增長，尾礦內(nèi)部中的Pb元素以硫化物形式存在。結(jié)合上面的分析，Pb吸附在尾礦表面后，氧化相當(dāng)緩慢，溶出增加率并不會很大。通過這一研究證明了尾礦滲濾液中的重金屬元素，尤其是鉛、鋅元素，具有很大的潛伏性和長期性。圖1不同淋溶時間對鉛鋅離子溶出的影響3.3淋溶液pH值的變化對滲濾液pH測定后，繪制了圖2。圖2淋溶液pH值的變化趨勢從圖2可以得出以下結(jié)論，通過不同pH值溶液浸泡后，尾礦淋溶液的pH值隨著淋溶時間的增長先升后降。分析其原因可能是，在淋溶初期，尾礦中含有較多的在溶液中呈堿性的物質(zhì)，隨著淋溶時間的增長，該部分物質(zhì)不斷溶于水，呈現(xiàn)出堿性，即，pH不斷升高，但隨著時間的增加，堿性物質(zhì)不斷被中和氧化，pH值逐步降低，并趨近與中性。4尾礦淋溶滲濾液處理措施分析4.1生物氧化法生物氧化法通過微生物的氧化作用或生物活性，對滲濾液中的重金屬進(jìn)行吞噬消化，從而使尾礦滲濾液中的重金屬元素轉(zhuǎn)移到微生物體內(nèi)，達(dá)到凈化滲濾液的作用。依據(jù)滲濾液中所含污染物而選擇不同的微生物泥來處理，分為好氧氧化和厭氧氧化。其去除原理為，微生物以滲濾液中的一部分污染物為營養(yǎng)生存，在對營養(yǎng)吸收的過程中，會將重金屬離子一同吸附在細(xì)胞表面，而重金屬離子則會通過微生物細(xì)胞壁不斷在其體內(nèi)富集，從而降低了滲濾液中重金屬元素的濃度。對吸附飽和的微生物污泥，一般有兩種處理方式，一種是通過一定的生物手段，將微生物體內(nèi)的重金屬離子脫離出來，達(dá)到循環(huán)利用；另一種處理方式則是對微生物污泥進(jìn)行焚燒填埋。值得注意的是，用該種方法處理滲濾液時，一定要預(yù)先去除可以使微生物中毒的物質(zhì)。4.2中和沉淀法中和沉淀法是通過對滲濾液pH值的調(diào)整，加入與重金屬反應(yīng)后能產(chǎn)生沉淀的物質(zhì)，使重金屬元素沉淀下來，達(dá)到與滲濾液分離的目的。目前，工業(yè)上采用的措施一般是加入廢酸或廢堿來完成。一般的尾礦滲濾液是呈堿性，工業(yè)上多采用添加煙道氣的方式來中和。值得注意的是，重金屬元素的堿性沉淀物是在一定酸堿度范圍內(nèi)呈現(xiàn)的，在超出合理pH值后，該沉淀物會再次溶解，因此，調(diào)整滲濾液的pH值是該方法的關(guān)鍵。4.3離子交換離子交換法是一種借助于離子交換劑的離子和水中的離子進(jìn)行交換反應(yīng)除去廢水中有害離子的方法。該方法在工業(yè)廢水的處理工藝中運(yùn)用最多，是一種有效處理液體中廢離子的方法。采用離子交換法，具有去除率高、可濃縮回收有用物質(zhì)、設(shè)備簡單、操作控制容易等優(yōu)點(diǎn)。但對離子交換膜的處理，是目前較為難解決的一個難題。5結(jié)語本文以尾礦重金屬淋溶機(jī)理為基礎(chǔ)，分析了影響尾礦淋溶重金屬析出的主要因素及各因素的影響結(jié)果；并提供了幾種滲濾液處理措施。通過以上研究，為從源頭