1、1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：Fe 3+, Fe2+, Mn2+, Al3+）、阴离子（如SO 42-）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
2、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 b
3、arrier, 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） 、 段出水口（B ） ，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
4、两段：前段尺寸为（1000300300 ）mm，沿长度方向等间距的设置 7 个隔板。后段尺寸为（ 1000200200）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 12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
5、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。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；盐酸（1+1） ；二水合氯化钡溶液（100g/L）：将 100g 二水合氯化钡（BaCl 22H2O）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 SO2-4；硝酸银溶液（
6、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；粒径不同的碳酸盐岩颗粒（200 斤） ；无水碳酸钠（2 盒） 、硫酸锰（2 盒） 、硫酸铁（2 盒） ；进 水 沉淀区 出水A B C进 水沉淀区 出水 进 水沉淀区 出水进 水 沉淀区 出水3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 离心管（100 个） ；定量滤纸（2 盒，0.45m, 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
7、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 2.50.2（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
8、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 ） 、段出水口（B） ，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 0.22m 的醋酸纤维滤膜过滤淋出液，取 10ml 过滤液，加 HNO3 酸化至 pH2，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：取 50-100mL 水样于烧杯中，加入
9、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)。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。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） 。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。将坩埚中的白色固体（BaSO 4）全部转移至电子天平上称重，根据以下公
10、式算出滤液中4SO42-含量。硫酸根(SO 42-)的含量m mg/L按下式进行计算：m = (m1411 .6 1000)/ v式中：m 1：从试料中沉淀出来的硫酸钡重量 ,g;v：试料的体积, mL;411 .6：BaSO 4,质量换算为的 SO42-因素。2.空白实验和平行实验空白实验，用去离子水代替试样，采用和（1.操作过程）相同的步骤和试剂，制备全程序空白溶液，并进行测试。每批样品至少制备 2 个以上的空白溶液。平行实验，每批试样中，随机抽取样品做重复实验（抽取个数视情况而定） ，检查样品的重现性。3.实验结果分析（1）用 PRB 技术处理酸性矿山水的实验记录表，见 表 1。表 1
11、PRB 处理酸性矿山水的实验记录表实验时间： 年 月 日 实验地点： 参数区段 T() Eh(mv) pH EC(s/cm) DO(mg.L-) HCO3-(mg/L)Fe（mg/l）Mn（mg/l）SO42-(mg/l)AB1CA2(平)装置5BC（2）分析 PRB 技术处理酸性矿山水的实验记录表，简述 AMD 的水化学参数（如pH、EC、Eh 等）随时间的变化特征及处理前后水体水化学特征的主要差异？七、 讨论1. 简述 AMD（酸性矿山水）的主要处理技术及其优缺点？2. AMD 的水化学组成有什么特点（主要与天然未受污染的水体比较）？3. AMD 主要对环境有哪些影响？4. 用可渗透反应墙技术(PRB)处理 AMD 需注意什么问题？5. 用“重量法”测量水中 SO42 -的浓度，需注意什么？
