蒙古国油页岩热解燃烧过程中微量元素迁移特性研究

发布时间：2020-09-09 15:30

　　为了研究蒙古国油页岩在热解燃烧过程中微量元素的迁移规律,我们利用管式炉、微波消解仪、ICP-MS、比表面积分析仪等仪器设备,运用逐级提取法、微波消解法、比表面积测定法等实验方法探究了蒙古国油页岩中微量元素的含量、赋存形态及热解燃烧后微量元素的迁移规律和油页岩孔隙结构的变化。并将孔隙结构改变和赋存形态结合起来,对微量元素在热解燃烧过程中迁移规律的机理进行了分析。结果发现:蒙古油页岩样品中稀土元素含量普遍低于北美页岩中的稀土元素含量,但相较于煤仍有很明显的富集现象。油页岩样品中轻稀土元素较重稀土元素明显富集,轻重稀土元素分馏明显,为轻稀土中度富集型。蒙古国油页岩样品中重金属元素含量的变化趋势与其地壳丰度的变化趋势基本一致。蒙古国油页岩中U含量的算术平均值为8.16×10~(-6),Th含量的算术平均值为22.53×10~(-6)。这两种元素的含量远远高于地壳和沉积岩的丰度。这表明U和Th在蒙古的油页岩中富集。热解终温在900℃以下时,四种样品中8种重金属元素的迁移率均未达到100%,在500℃以下微量元素开始释放,随着温度的升高迁移速率呈现降低增高再降低的变化趋势。油页岩中同种元素的赋存状态相似。但不同元素之间的差异性明显。Cu、Zn两元素在热解过程中出现高温条件下迅速析出的现象就是因为二者的碳酸盐态含量明显高于其他元素。对于U和Th主要存在于无机矿物中,分布在碳酸盐,硫化物和硅铝酸盐中,它们是硫化态最丰富的物质。随着热解最终温度升高,交换性和有机物界面上的元素沉淀第一。随着最终热解温度的升高,U和Th元素的迁移率逐渐增加。但是,当最终热解温度低于900℃时,迁移率不能达到100%,一般在40%和80%之间。两种元素都是更易挥发的元素,Th的挥发性显着高于U的挥发性。油页岩在热解过程中内部结构发生变化,当最终热解温度达到400℃时,油页岩的内部孔隙开始发育,比表面积和总孔体积开始快速增长。因此,U和Th在此温度下开始快速析出。燃烧终温在900℃以下时,四组样品中8种重金属元素的迁移率均未达到100%。8种微量元素在燃烧过程中迁移率随燃烧终温的改变规律相似,说明燃烧终温对微量元素的迁移有很强的相关性。燃烧终温对油页岩半焦吸附量影响明显,最大吸附量呈现先增大后减小的趋势,在700℃时达到最大值。四组油页岩原样及半焦的比表面积随温度的变化具有很强的一致性。与热解过程不同,在燃烧过程中,微量元素迁移和孔隙发育正相关。
【学位单位】：东北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O657.63;TD83
【部分图文】：

煤中微量元素,赋存状态

其分布广，含量低，提取分类困难。但，研究微量元素的赋存形态问题又是十分的，这不仅仅反映了一些地球化学特性方面的问题，更重要的是能够解释微量元素在利用过程中的迁移规律，有效指导防控微量元素的污染排放。国内外学者对微量元素在煤中赋存状态的认知推论较多，但由于直接证据不足因而推论只是在局部范围内可信。国外学者很早就开始从事微量元素赋存状态的研究[23-2经过长期实验研究。结合大量文献，有学者提出对微量元素赋存状态认识的可信度的方法，即用 1~10 的数字来表示可信度，其可信度随着数字增大而逐次降低[25]。根据已有研究结果显示[26-27]：在煤炭当中，微量元素的赋存形态具有复杂多样性。每种元素在各种赋存形态当中都有存在。但，由于元素亲和性的不同，不同元素在的赋存形态也有较大的差异，同一种赋存形态含某一种元素的量也往往相差悬殊。但总讲，微量元素在煤中主的赋存状态无外乎三类;赋存在矿物质里，被有机质束缚，溶于水里。三类赋存状态中，又以第一种为主，即煤中微量元素的大部分在矿物质里以类现象、吸附或者混入方式赋存[28]在总结前人研究的基础上，进一步将煤中微量元素的状态分为图 1-1 所示模式。

电感耦合等离子体质谱仪

图 2-2 电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）置，工业分析仪对蒙古国达莱布拉格矿测试。采用管式炉分别通氩气、通空气和不同终温下的热解半焦及燃烧所得灰法提取各赋存形态上清液，一起用 ICP-M态的各种微量元素，如稀土元素，重金量元素及在利用过程中的迁移转化规律

油页岩,重金属元素

第 3 章油页岩中微量元素含量及富集特性3.1 油页岩中重金属元素含量及赋存状态图3-1给出了四种油页岩样品中8种金属微量元素的含量及其浓度克拉克值(K 为元素的浓度克拉克值=元素含量/元素地壳丰度）。当浓度克拉克值大于 1 时，该元素相对集中；当该值小于 1 时，则意味着分散[55]。克拉克浓度值是衡量元素集中或分散程度的良好标尺。通过本研究中所计算得到的克拉克浓度值可见，元素在不同油页岩样品中所表现的富集程度不同。除 10807 号样品的 Ge 和 Pb 元素外，其余元素普遍的都较岩石中同类岩石中元素富集程度不高（㩳4）。地壳丰度表示地壳中化学元素的平均含量，是地球化学定量研究元素分散、富集与成矿条件的基本依据[56-57]。因此，油页岩中微量元素的地球化学特征可通过该元素的地壳丰度来判断。由图 1 可知：四种油页岩样品中微量元素含量的变化趋势与其地壳丰度的变图 3-1 油页岩中重金属元素含量及克拉克浓度值化趋势基本一致，地壳中丰度较高的元素在油页岩样品中的含量也较高，原因在于这两种油页岩中所测微量元素的分布主要受元素地球化学循环的影响。图 3-2 所示是四组油页岩样品中几种重金属元素的赋存形态

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