煤矸石潜在酸性释放的地球化学行为及环境效应

本申请项目拟采用实验模拟、地球化学模拟及理论分析等方法，分析煤矸石潜在酸性释放时污染物迁移、转化规律及影响因素，总结出煤矸石风化程度、硫化物含量、碱性缓冲物质的含量以及水岩作用等对酸性释放的影响规律；在此基础上，通过实验和模型模拟结果的对比，阐明酸性释放时污染元素的析出途径和变化规律，揭示煤矸石污染物质在不同地球化学效应（风化、氧化、溶解等）下的酸性释放机理，建立水岩相互作用过程中潜在酸性释放模型；最后，利用建立的潜在酸性释放模型模拟典型煤矸石山典型污染物的析出和迁移转化，分析煤矸石淋出液对地下水环境的影响程度。本研究成果不但从机理上深入研究煤矸石潜在酸性释放引起的有害元素析出机制和酸排水规律，而且能为矿区地下水环境污染防治等方面提供科学依据，具有十分重要的理论意义和实际应用价值。

本项目以中国陕西韩城矿区煤矸石为研究对象，采用室内实验模拟、地球化学模拟及理论分析等方法，在对煤矸石化学组分、理化性质进行测试分析的基础上，研究了煤矸石酸排水受风化程度、硫化物含量、碱性缓冲物质含量、水-矿物作用时间、液固比条件和不同作用介质的影响规律，指出煤矸石-水相互作用过程中由于含硫矿物的溶解排酸，碳酸盐和硅酸盐矿物溶解缓冲，以及矸石中碱性氧化物水解、重金属沉淀及解吸，缓冲和升高了煤矸石排酸水的pH值；识别了煤矸石潜在酸性释放时有害元素的析出过程，得出饱水浸泡条件下煤矸石酸性释放时污染元素的析出较开放淋滤条件下更易达到稳定，微量重金属的溶出明显受到酸排水中H+浓度的影响；通过分析煤矸石酸性释放的地球化学行为，明确了饱水浸泡条件下煤矸石酸性释放缓慢，矸石中重金属元素的溶解释放率较低；依据新鲜煤矸石和风化煤矸石的水岩相互作用机理，分别建立了煤矸石水岩相互作用过程中的潜在酸性释放模型，揭示了酸性释放后粘土矿物表面的解吸作用使重金属逐渐从煤矸石中溶出而进入周边环境中的作用过程；通过实验和模型模拟结果对比研究，揭示了煤矸石潜在酸性释放时煤矸石中矿物-水相互作用的地球化学机理，指出浸泡作用使新鲜煤矸石在排酸过程中形成石膏等次生矿物，而风化煤矸石在淋滤过程中由于淋滤环境中黄铁矿氧化产酸、石膏溶解和硫酸盐还原的共同作用，导致淋出液中SO42-保持在约1500mg/L的高浓度；结合淋出液中典型污染物迁移转化过程，评价了煤矸石酸性释放对地下水环境的污染风险，指出煤矸石酸性释放后污染物对地下水环境的潜在生态风险在短期内风险较低，但是随着污染物在环境中的累积，存在较大的潜在生态风险。上述研究成果不仅从机理上深入研究了煤矸石潜在酸性释放引起的有害元素析出机制，也为煤矸石堆放和综合利用提供了科学依据，具有重要的理论意义和实际应用价值。