史維浚, 祝永進(jìn)

(1.東華理工大學(xué),江西撫州 344000;2.江西 265大隊(duì),江西鷹潭 335001)

天然水化學(xué)成分的人工模擬配置

史維浚1, 祝永進(jìn)2

(1.東華理工大學(xué),江西撫州 344000;2.江西 265大隊(duì),江西鷹潭 335001)

本文介紹了天然水化學(xué)成分的人工模擬配置方法。介紹了根據(jù)水化學(xué)成分計(jì)算天然水中鹽組份的方法,提出用地球化學(xué)模式 PHREEQCI和M I NTEQA2來(lái)計(jì)算平衡狀態(tài)的天然水化學(xué)組份,應(yīng)用于吐哈盆地砂巖鈾礦地浸試驗(yàn)含礦層地下水及高放廢物地質(zhì)處置研究所需用水的人工模擬配置取得較好效果。

模擬;配置;化學(xué)成分;地球化學(xué)模式

1 天然水化學(xué)成分人工模擬配置的要求

在科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)工作中,有時(shí)需要大量的天然水,但由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件,不可能將其大量取回實(shí)驗(yàn)室。這就需要模擬天然水的化學(xué)成分,然后配置與其化學(xué)成分相同的人工模擬水,以滿足試驗(yàn)研究的需用。

天然水的人工模擬配置應(yīng)符合兩個(gè)要求:一是人工模擬水應(yīng)與天然水的化學(xué)成分相同;二是人工模擬水應(yīng)能具有較好的穩(wěn)定性,以滿足試驗(yàn)研究的要求。

2 ZK15W3人工模擬水的配置

2005年在東華理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行吐哈盆地砂巖鈾礦的地浸試驗(yàn)研究工作,需要大量侏羅系砂巖含礦層地下水。由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的鉆孔還沒有施工,因此需要根據(jù)前人勘探工作獲得的含礦層地下水的水化學(xué)成分?jǐn)?shù)據(jù)來(lái)配置試驗(yàn)所用的人工模擬水。天然水化學(xué)成分的鹽組份便是配置人工模擬水的配方。

鉆孔 ZK15W3的砂巖含礦含水層抽水的化學(xué)成分見表 1(焦學(xué)然,2006)。

根據(jù)含礦含水層鉆孔水樣水化學(xué)分析的結(jié)果,利用地球化學(xué)模式 PHREEQCI計(jì)算該水樣的飽和指數(shù)及其在平衡狀態(tài)下各離子的含量①谷存禮等.1993.花崗巖裂隙水推薦配方穩(wěn)定性研究.年高放廢物處置研究學(xué)術(shù)交流會(huì)會(huì)議資料.,計(jì)算結(jié)果見表2。

從表 2可以看出,水樣 ZK15W3抽的 Calcite,Dolomite,Gypsum飽和指數(shù)都大于零,它們?cè)谒畼又惺沁^(guò)飽和的,即該水樣長(zhǎng)時(shí)間存放時(shí)可能會(huì)沉淀。為了使人工模擬水配置工作順利完成,可按ZK15W3抽平衡的計(jì)算結(jié)果 (平衡狀態(tài)下各離子的含量)配制水樣。

根據(jù)由 PHREEQCI模擬水樣 ZK15W3抽的結(jié)果定名為 ZK15W3抽平衡。表 3將 ZK15W3抽平衡的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行單位換算(mol/L→g/L→N/L)。

根據(jù)表 3的計(jì)算結(jié)果,對(duì)鉆孔水樣的鹽份進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算規(guī)則為易溶鹽優(yōu)先計(jì)算,即鹽類的計(jì)算順序?yàn)槁然铩蛩猁}—重碳酸鹽,各鹽類中的鹽組份的計(jì)算順序?yàn)殁淃}—鈉鹽—鎂鹽—鈣鹽。ZK15W3抽平衡人工模擬水中鹽組份計(jì)算見表 4。

根據(jù)鹽組分計(jì)算表,在實(shí)驗(yàn)室配制水樣。在 1升蒸餾水,按計(jì)算結(jié)果加入各種物質(zhì),加入順序與其計(jì)算規(guī)則相同。這樣可以通過(guò)鹽效應(yīng)增加物質(zhì)的溶解度。配制水樣加入物質(zhì)詳細(xì)列表見下表 5。

在配制上述各水樣時(shí),實(shí)驗(yàn)室要現(xiàn)配 Ca(HCO3)2,稱取等物質(zhì)量的 CaCO3,然后向水樣中充入CO2使其與CaCO3反應(yīng)轉(zhuǎn)化為Ca(HCO3)2溶解于水中,最后在敞口燒杯中使過(guò)量的 CO2逸出。當(dāng)其 pH值到達(dá) 6.83左右時(shí),把其轉(zhuǎn)入密閉容量瓶中。放置過(guò)夜,在實(shí)驗(yàn)室測(cè) K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Cl-,SO4

2-,HCO3-等離子,比較其與配水樣時(shí)加入量,驗(yàn)證其是否完全溶解。ZK15W3抽平衡人工模擬水離子成分監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際加入量比較見表 6。由表 6可以看出所測(cè)結(jié)果與實(shí)際加入量相差不大,其相對(duì)誤差為:

Ca2+<5 mg·L-1(-1.0%),Mg2+<9 mg·L-1(3.75%),Cl-<130 mg·L-1(-4.01%),說(shuō)明加入物質(zhì)完全溶解,水樣配制工作完成。

表1 ZK15W3含礦含水層地下水水化學(xué)分析結(jié)果Tab.1 Chem ical compo sitions of ground water of ore bare zone in ZK15W3

表2 ZK15W3含礦含水層地下水地球化學(xué)模擬結(jié)果Tab.2 Si mulated chem ical compo sitions of ground water of ore bare zone in ZK15W3 mol/L

表3 ZK15W3抽平衡計(jì)算結(jié)果的單位換算Tab.3 Unit conversion of chem ical compositions of ZK15W3抽平衡

表 4 ZK15W3抽平衡人工模擬水中鹽組份計(jì)算表Tab.4 Calculating table of salt compositions in si m ulated water ZK15W3抽平衡

表 5 ZK15W3抽平衡人工模擬水鹽組分列表Tab.5 Salt compositions of si mulated water ZK15W3抽平衡

表 6 ZK15W3抽平衡人工模擬水離子成分監(jiān)測(cè)結(jié)果與實(shí)際加入量比較Tab.6 Compare of si mulated compo sitions w ith analyzed results for ZK15W3抽平衡

3 人工配置模擬花崗巖水的配方

我國(guó)高放廢物地質(zhì)處置的主要方案之一是儲(chǔ)放在花崗巖中。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究工作所需的大量用水需要人工模擬配置。為此需對(duì)花崗巖地下水進(jìn)行了調(diào)研,然后取其平均值作為人工模擬花崗巖水的配方 (表 7)。中國(guó)核輻射環(huán)境研究院按該配方配置了人工模擬花崗巖水。但是很快發(fā)現(xiàn)這種人工配置的模擬花崗巖水不穩(wěn)定,會(huì)不斷沉淀 (表7)。

表 7 人工配置的模擬花崗巖水的穩(wěn)定性觀測(cè)Tab.7 Stability of si mulated granite water (mg·L-1)

從表 7可以看出,人工配置的模擬花崗巖水中有 10種元素含量減少,按推薦配方配制的溶液為過(guò)飽和溶液,即使經(jīng)過(guò) 270 d穩(wěn)定性觀測(cè),仍有多種礦物沉淀。

造成原配方溶液不穩(wěn)定的的原因是:(1)配方中的 pH值(pH=9)太高,與大多數(shù)花崗巖水的 pH值(pH=8左右)偏離太大,不能簡(jiǎn)單地采用調(diào)研資料的平均值;(2)配方中的組份含量采用平均值方法,有些組份(如 Cl、Na等水化學(xué)穩(wěn)定元素)是可以的,有些組份有可能會(huì)發(fā)生化學(xué)變化,如 HCO3-。由圖 1可見,在混合過(guò)程中化學(xué)穩(wěn)定性好的元素含量線形呈直線;而 HCO3-由于 pH的升高,可能導(dǎo)致碳酸鹽沉淀,而使重碳酸根含量的變化曲線不呈直線 (Шв а р ц е в,1982)。

用地球化學(xué)程序MiNTEQA2來(lái)模擬計(jì)算原配方溶液中礦物質(zhì)的飽和指數(shù),計(jì)算結(jié)果與表 7完全一致。飽和指數(shù)大于零的礦物質(zhì)達(dá) 22種。這些發(fā)生沉淀的化合物,主要是碳酸鹽、氫氧化物以及硅鋁酸鹽等(表 8)。

用MiNTEQA2計(jì)算原配方溶液在 pH=7.8條件下,達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)的水化學(xué)成分,計(jì)算結(jié)果見表 9。人工配置的模擬花崗巖水的化學(xué)平衡,在計(jì)算所得的理想平衡溶液中,一些化學(xué)穩(wěn)定組分 (如Na+,C1-,F-,Br-,含氮化合物)的含量保持原配方的初始值,而另一些組分 (如 Ca2+,Mg2+,ΣFe,Mn2+,Al3+,Cu2+,H+,ΣCO3,H4SiO4等)的含量,明顯地小于原配方溶液的含量 (表 9)(史維浚等,1995)。穩(wěn)定狀態(tài)條件下計(jì)算所得的組份含量相當(dāng)于其邊界值 (史維浚等,2005),原配方溶液中的組份含量若高于其邊界含量,則這些組分將發(fā)生沉淀。因此用Mi NTEQA2計(jì)算出來(lái)的模擬花崗巖水配方來(lái)配置人工模擬花崗巖水將能較好地符合使用要求。

圖1 水混合過(guò)程中離子含量的變化Fig.1 Variation of ion contents during m ixing

表8 MiNTEQA2模擬計(jì)算配方溶液中礦物的飽和指數(shù)(Sl>0)Tab.8 Saturati on indexes of si m ulated water calculated byM I NTEQA2

表9 原配方溶液化學(xué)成分與用MiNTEQA2計(jì)算所得模擬花崗巖水成分對(duì)比表Tab.9 Compare chem ical compositions of o riginal scriptw ith si mulated granite water calculated byM i NTEQA2 mg·L-1

焦學(xué)然.2006.十紅灘砂巖鈾礦地下水淡化少試劑地浸采鈾室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究[D].撫州:東華理工大學(xué)碩士論文.

史維浚,呂躍進(jìn),金立敏.1995.花崗巖裂隙水推薦配方穩(wěn)定性模擬研究[J].華東地質(zhì)學(xué)院學(xué)報(bào),18(3):207.

史維浚、孫占學(xué).2005.應(yīng)用水文地球化學(xué)[M].北京:原子能出版社:86-139.

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Шв а р ц е вСЛ.1982.Г и д р о г е о х и м и я[M].И з д а т е л ь с т в о Н а у к о:73.

Simulation and Configulation of Chem ical Compositions of NaturalWater

SH IWei-jun1, ZHU Yong-jin2
(1.East China Institute of Technology,JX Fuzhou 344000,China;
2.Research Institute No.265,YingTan,JX 335001,China)

This paper introduces the methodsof geochemistry the chemical composition of naturalwater,and introduces the methods of calculating the compositions by using the geochemical modeling(PHREEQCI and MinteQA2)in the equilibrium conditions.The methodswas applied on experi mentation of in-situ leaching uranium and high-level radioactive waste geological disposal repository.The effect is preferable.

simulating;configuring;chemical composition;geochemistry model

T641.3

A

1674-3504(2011)02-178-05

10.3969/j.issn.1674-3504.2011.02.014

2010-11-22

史維浚 (1937—)男,教授,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),主要從事水文地球化學(xué)研究。