【摘 要】
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宁东矿区多座煤矿均为高矿化度矿井水生产矿井,当前主要采用井上及井下相结合的膜处理法处理高矿化度矿井水,而煤矸石因其矿物成分具有天然的吸附能力,本文重点探索了利用矸石吸附作用预处理高矿化度矿井水的可行性,为降低膜处理法深度处理高矿化度矿井水及深度开发利用煤矸石探索一种新的技术路径。基于此,本文研究了宁东矿区灵新煤矿主采煤层典型煤矸石矿物成分、元素组成及微观形貌等吸附特征参数,搭建了矿井水-煤矸石淋溶
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宁东矿区多座煤矿均为高矿化度矿井水生产矿井,当前主要采用井上及井下相结合的膜处理法处理高矿化度矿井水,而煤矸石因其矿物成分具有天然的吸附能力,本文重点探索了利用矸石吸附作用预处理高矿化度矿井水的可行性,为降低膜处理法深度处理高矿化度矿井水及深度开发利用煤矸石探索一种新的技术路径。基于此,本文研究了宁东矿区灵新煤矿主采煤层典型煤矸石矿物成分、元素组成及微观形貌等吸附特征参数,搭建了矿井水-煤矸石淋溶实验系统,研究了高矿化度矿井水与煤矸石之间离子迁移机制。主要取得的研究成果如下:(1)确定了煤矸石类型、矿物组分及微结构特征。所选取的煤矸石为板理化泥质粉砂岩及中-粗粒长石砂岩;其主要矿物成分为石英、高岭石、白云母及长石,主要化学成分以Si O2、Al2O3为主;岩样表面存在大量层状结构及孔洞,为离子吸附提供了可能。(2)研究了煤矸石静态溶浸吸附净化高矿化度矿井水机制。通过研究PH值对煤矸石-矿井水离子吸附性能的影响发现,煤矸石对实验矿井水溶液的PH值具有显著影响,不同PH值矿井水溶液溶液与煤矸石发生离子交换反应后其PH值多在7.5-8.5之间;矿井水酸碱强度越小,离子吸附性能越强,煤矸石吸附率在3%-5%之间;矿井水中钙离子浓度与碳酸氢根离子发生沉淀反应,与阳离子交换后导致矿井水中钙离子浓度降低;碱性条件下,由于沉淀作用钙离子浓度吸附效果比酸性条件下好,钙离子去除率在75%左右;酸性条件下,钾离子较铁、铝离子更易溶于矿井水。中-粗粒长石砂岩浸泡后矿井水溶液中钾离子浓度明显大于相同实验条件下板理化泥质粉砂岩,主要由于中-粗粒砂岩钾离子更易与水溶液钙镁离子发生阳离子交换反应。(3)通过动态淋滤试验探讨了煤矸石动态吸附净化高矿化度矿井水机理。采用控制变量法研究了粒径、PH值、钙离子浓度几种因素对煤矸石吸附作用的影响;不同类型煤矸石对矿井水中离子都有不同程度的去除效果,调节PH值为弱碱性或弱酸性,矿井水中钙离子去除率达到70%以上;矿井水处于酸性或碱性条件下,矿井水中TDS值吸附效果较好;矿井水处于碱性条件下,淋滤溶液中钙离子浓度明显小于酸性条件下溶液钙离子浓度;板理化泥质粉砂岩淋滤后的钙离子浓度约为10mg/L,中-粗粒砂岩淋滤后的钙离子浓度约为1mg/L;不同钙离子浓度矿井水淋滤下,钙离子浓度越大,矿井水溶液TDS值下降幅度较大。钙离子浓度最终稳定在25mg/L。(4)水文地球化学模拟结果表明:高岭石、绿泥石、金属氧化物等发生不同程度的溶解,钙离子与碳酸氢根离子、硫酸根离子反应生成沉淀;由于高岭土等粘土矿物吸附矿井水中离子,矿井水总溶解离子浓度降低;岩样中的钠钾离子与矿井水中的钙镁离子发生阳离子交换反应,导致钙离子减少,钠离子增多。
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