酸性矿山水的化学处理

实验四：酸性矿山水的化学处理

一、实验目的和意义

采煤活动使硫化物暴露于大气和水，氧化并释放酸和金属离子（如：Fe, Cu 和Zn）于水体、沉积物、土壤和生物区，产生酸性矿山排水（AMD）。受水文、地质、地球化学、物理化学和生物等因素的影响，AMD中含有高浓度的阳离子（如：Fe3+, Fe2+, Mn2+, Al3+）、阴离子（如SO42-）和痕量浓度的Cu、Hg、Pb、Zn、As等。有关资料显示，煤矿生产中每开采1吨煤排放废水1-1.5 m3，破坏水资源达 2.5 m3左右；煤矿废水pH值一般很低,最低为2-3，具有很强的腐蚀性。

天然水文系统复杂多变，水文地球化学特征独特、地球化学敏感性和生态环境脆弱性突出，一旦污染，治理与恢复将是一项复杂、困难且耗时的工程，因此矿山废水污染问题已经成为许多国家关注的焦点，国内外学者针对矿山废水的处理展开了大量的研究。酸性煤矿废水的处理方法主要有中和法、硫化物沉淀法、微生物法、湿地法等。由于这些方法都存在自身的一些缺点及适用条件的限制，因此我们选用可渗透反应墙技术（PRB）这种方便、可行的措施来净化AMD。

通过本实验主要达到以下目的：

1、初步掌握处理酸性矿山水的可渗透反应墙技术（PRB）；

2、了解酸性矿山水的水化学特征；

3、了解酸性矿山水的主要来源。

二、实验方法

利用可渗透反应墙技术（Permeable reactive barrier, PRB）对酸性矿山废水进行原位处理，以碳酸盐岩为反应介质。在装置（图1）的进水端，利用微型蠕动泵计量连续进水，流量控制在50mL/min。每天在各组装置的进水口（A）、Ⅰ段出水口（B），Ⅱ段出水口(C)分别取样，现场测试水样的易变参数（T,pH,EC,Eh,DO和HCO3-），对所取水样进行预处理后，分别测定Fe、Mn（用原子吸收分光光度法）以及SO42-含量(重量法)。

三、实验原理

以可渗透反应墙技术(PRB)为依托，使用碳酸盐岩颗粒为反应介质，将AMD中溶解态的污染物从水体中去除。

四、实验仪器

1.实验装置

模型装置由有机玻璃制成，呈长方体，分为前后两段：前段尺寸为（1000×300×300）mm，沿长度方向等间距的设置7个隔板。后段尺寸为（1000×200×200）mm，沿长度方向等间距的设置10个隔板，是为了较均匀的布水，同时增加水在装置中的滞留时间。与下底板相连的隔板高度沿水流方向依次降低，以形成一定的水力坡度。装置剖面示意图如图1

所示：

图1 实验装置剖面示意图

2.预处理所需仪器

（1）马弗炉（1个）；

（2）电热板（1个）；

（3）洗瓶（1个）；

（4）平底烧瓶（10个）；

（5）漏斗（10个）；

（6）瓷坩埚（10个）；

（7）粉碎机（1台）。

3.分析仪器

（1）电子天平（1台，精度0.0001g ）及称量所必须的实验用品（如：镊子、玻璃器皿等）；

（2）台秤（1台）；

（3）微型蠕动泵（2个）；

（4）便携式参数仪；

（5）原子吸收分光光度计（1台）。

五、 实验材料

所使用试剂除另有说明外，均使用符合国家标准的分析纯试剂和去离子水。

①甲基红指示剂（1g/L ）：将0.1g 甲基红钠盐溶解在水中，稀释到100ml ；

②盐酸（1+1）；

③二水合氯化钡溶液（100g/L ）：将100g 二水合氯化钡（BaCl 2·2H 2O ）溶于约800ml 超纯水中，加热有助于溶解，冷却溶液并稀释至1L 。储存于玻璃和聚乙烯瓶中。此溶液能长期保持稳定，该溶液1mL 可沉淀约40mg SO 2-4；

④硝酸银溶液（0.1mol/L ）：将1.7g 硝酸银溶解于80mL 水中，加入0.1mL 浓硝酸，稀释至100mL ，储存于棕色玻璃瓶中，避光保存长期稳定；

⑤粒径不同的碳酸盐岩颗粒（200斤）；

⑥无水碳酸钠（2盒）、硫酸锰（2盒）、硫酸铁（2盒）；

⑦保鲜膜（2个）、一次性手套（2盒）、橡胶手套（1盒）、玻璃纤维膜（1盒）、15ml 离心

出水

管（100个）；

⑧定量滤纸（2盒，0.45µm, 直径90mm，可根据需要选择直径适合的滤膜）

六、实验步骤

1.操作过程

（1）在实验室配置模拟酸性煤矿废水，水质指标如下表1所示：

表1 模拟酸性煤矿废水水质指标

水质指标Fe3+(mg/L) Mn2+（mg/L）SO42-(mg/L) pH

参数300 15 1600 2.5±0.2

（2）在粉碎机上将碳酸盐岩破碎成不同粒径的颗粒（4-6cm、3-5mm、5-8mm和8-10mm）。（3）在Ⅰ区各组装置均装填粒径为4-6cm的碳酸盐岩颗粒，以避免前端使用小颗粒时，沉淀物很快将反应介质孔隙堵塞而影响反应介质的使用寿命。在Ⅱ区分别装填三种不同粒径的碳酸盐岩颗粒：1＃（3-5mm）、2＃（5-8mm）、3＃（8-10mm），以对比不同粒径的碳酸盐岩颗粒对处理效果的影响。在装置的前面设有污水调节池，以保证装置进水水质均匀，在第二段反应装置前设有沉淀区。

（4）在装置（图1）的进水端，利用微型蠕动泵计量连续进水，流量控制在50mL/min。（5）每天在各组装置的进水口（A）、Ⅰ段出水口（B），Ⅱ段出水口(C)分别取样，现场测试水样的易变参数（T,pH,EC,Eh,DO和HCO3-）。

（6）用0.22µm的醋酸纤维滤膜过滤淋出液，取10ml过滤液，加HNO3酸化至pH<2，于原子吸收分光光度计上测定Fe,Mn的含量。

（7）剩下的滤液用“重量法”（GB 11899一89）测量里面SO42-含量，具体方法如下：

①取50-100mL水样于烧杯中，加入2滴甲基红指示剂，用适量HCl调至显橙黄色(消除CO32-的干扰，以免生成BaCO3沉淀)。

②将装有样品的烧杯置于电炉上加热至沸（以驱赶溶液中CO2），约15分钟后在不断搅拌下缓慢加入BaCl2溶液，直到不再出现沉淀，再多加2mL，继续加热几分钟后取下，静置过夜以陈化沉淀。

③静置好的试液用定量滤纸过滤，沿滤纸边缘缓慢加入超纯水冲洗滤渣，直至滤液不再含Cl-（用AgNO3滴加检测）。

④将包有滤渣的滤纸折好放入瓷坩埚，置于马弗炉中阶段性升温培烧：350℃、450℃、550℃，直至800℃，分别保持约1小时。

⑤将坩埚中的白色固体（BaSO4）全部转移至电子天平上称重，根据以下公式算出滤液中SO42-含量。