天然水化学成分的人工模拟配置

史维浚, 祝永进

(1.东华理工大学,江西抚州 344000;2.江西 265大队,江西鹰潭 335001)

天然水化学成分的人工模拟配置

史维浚1, 祝永进2

(1.东华理工大学,江西抚州 344000;2.江西 265大队,江西鹰潭 335001)

本文介绍了天然水化学成分的人工模拟配置方法。介绍了根据水化学成分计算天然水中盐组份的方法,提出用地球化学模式 PHREEQCI和M I NTEQA2来计算平衡状态的天然水化学组份,应用于吐哈盆地砂岩铀矿地浸试验含矿层地下水及高放废物地质处置研究所需用水的人工模拟配置取得较好效果。

模拟;配置;化学成分;地球化学模式

1 天然水化学成分人工模拟配置的要求

在科学研究和实验室试验工作中,有时需要大量的天然水,但由于经济和技术条件,不可能将其大量取回实验室。这就需要模拟天然水的化学成分,然后配置与其化学成分相同的人工模拟水,以满足试验研究的需用。

天然水的人工模拟配置应符合两个要求:一是人工模拟水应与天然水的化学成分相同;二是人工模拟水应能具有较好的稳定性,以满足试验研究的要求。

2 ZK15W3人工模拟水的配置

2005年在东华理工大学实验室进行吐哈盆地砂岩铀矿的地浸试验研究工作,需要大量侏罗系砂岩含矿层地下水。由于现场试验的钻孔还没有施工,因此需要根据前人勘探工作获得的含矿层地下水的水化学成分数据来配置试验所用的人工模拟水。天然水化学成分的盐组份便是配置人工模拟水的配方。

钻孔 ZK15W3的砂岩含矿含水层抽水的化学成分见表 1(焦学然,2006)。

根据含矿含水层钻孔水样水化学分析的结果,利用地球化学模式 PHREEQCI计算该水样的饱和指数及其在平衡状态下各离子的含量①谷存礼等.1993.花岗岩裂隙水推荐配方稳定性研究.年高放废物处置研究学术交流会会议资料.,计算结果见表2。

从表 2可以看出,水样 ZK15W3抽的 Calcite,Dolomite,Gypsum饱和指数都大于零,它们在水样中是过饱和的,即该水样长时间存放时可能会沉淀。为了使人工模拟水配置工作顺利完成,可按ZK15W3抽平衡的计算结果 (平衡状态下各离子的含量)配制水样。

根据由 PHREEQCI模拟水样 ZK15W3抽的结果定名为 ZK15W3抽平衡。表 3将 ZK15W3抽平衡的计算结果进行单位换算(mol/L→g/L→N/L)。

根据表 3的计算结果,对钻孔水样的盐份进行计算。计算规则为易溶盐优先计算,即盐类的计算顺序为氯化物—硫酸盐—重碳酸盐,各盐类中的盐组份的计算顺序为钾盐—钠盐—镁盐—钙盐。ZK15W3抽平衡人工模拟水中盐组份计算见表 4。

根据盐组分计算表,在实验室配制水样。在 1升蒸馏水,按计算结果加入各种物质,加入顺序与其计算规则相同。这样可以通过盐效应增加物质的溶解度。配制水样加入物质详细列表见下表 5。

在配制上述各水样时,实验室要现配 Ca(HCO3)2,称取等物质量的 CaCO3,然后向水样中充入CO2使其与CaCO3反应转化为Ca(HCO3)2溶解于水中,最后在敞口烧杯中使过量的 CO2逸出。当其 pH值到达 6.83左右时,把其转入密闭容量瓶中。放置过夜,在实验室测 K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Cl-,SO4

2-,HCO3-等离子,比较其与配水样时加入量,验证其是否完全溶解。ZK15W3抽平衡人工模拟水离子成分监测结果与实际加入量比较见表 6。由表 6可以看出所测结果与实际加入量相差不大,其相对误差为:

Ca2+<5 mg·L-1(-1.0%),Mg2+<9 mg·L-1(3.75%),Cl-<130 mg·L-1(-4.01%),说明加入物质完全溶解,水样配制工作完成。

表1 ZK15W3含矿含水层地下水水化学分析结果Tab.1 Chem ical compo sitions of ground water of ore bare zone in ZK15W3

表2 ZK15W3含矿含水层地下水地球化学模拟结果Tab.2 Si mulated chem ical compo sitions of ground water of ore bare zone in ZK15W3 mol/L

表3 ZK15W3抽平衡计算结果的单位换算Tab.3 Unit conversion of chem ical compositions of ZK15W3抽平衡

表 4 ZK15W3抽平衡人工模拟水中盐组份计算表Tab.4 Calculating table of salt compositions in si m ulated water ZK15W3抽平衡

表 5 ZK15W3抽平衡人工模拟水盐组分列表Tab.5 Salt compositions of si mulated water ZK15W3抽平衡

表 6 ZK15W3抽平衡人工模拟水离子成分监测结果与实际加入量比较Tab.6 Compare of si mulated compo sitions w ith analyzed results for ZK15W3抽平衡

3 人工配置模拟花岗岩水的配方

我国高放废物地质处置的主要方案之一是储放在花岗岩中。实验室试验研究工作所需的大量用水需要人工模拟配置。为此需对花岗岩地下水进行了调研,然后取其平均值作为人工模拟花岗岩水的配方 (表 7)。中国核辐射环境研究院按该配方配置了人工模拟花岗岩水。但是很快发现这种人工配置的模拟花岗岩水不稳定,会不断沉淀 (表7)。

表 7 人工配置的模拟花岗岩水的稳定性观测Tab.7 Stability of si mulated granite water (mg·L-1)

从表 7可以看出,人工配置的模拟花岗岩水中有 10种元素含量减少,按推荐配方配制的溶液为过饱和溶液,即使经过 270 d稳定性观测,仍有多种矿物沉淀。

造成原配方溶液不稳定的的原因是:(1)配方中的 pH值(pH=9)太高,与大多数花岗岩水的 pH值(pH=8左右)偏离太大,不能简单地采用调研资料的平均值;(2)配方中的组份含量采用平均值方法,有些组份(如 Cl、Na等水化学稳定元素)是可以的,有些组份有可能会发生化学变化,如 HCO3-。由图 1可见,在混合过程中化学稳定性好的元素含量线形呈直线;而 HCO3-由于 pH的升高,可能导致碳酸盐沉淀,而使重碳酸根含量的变化曲线不呈直线 (Шв а р ц е в,1982)。

用地球化学程序MiNTEQA2来模拟计算原配方溶液中矿物质的饱和指数,计算结果与表 7完全一致。饱和指数大于零的矿物质达 22种。这些发生沉淀的化合物,主要是碳酸盐、氢氧化物以及硅铝酸盐等(表 8)。

用MiNTEQA2计算原配方溶液在 pH=7.8条件下,达到平衡状态时的水化学成分,计算结果见表 9。人工配置的模拟花岗岩水的化学平衡,在计算所得的理想平衡溶液中,一些化学稳定组分 (如Na+,C1-,F-,Br-,含氮化合物)的含量保持原配方的初始值,而另一些组分 (如 Ca2+,Mg2+,ΣFe,Mn2+,Al3+,Cu2+,H+,ΣCO3,H4SiO4等)的含量,明显地小于原配方溶液的含量 (表 9)(史维浚等,1995)。稳定状态条件下计算所得的组份含量相当于其边界值 (史维浚等,2005),原配方溶液中的组份含量若高于其边界含量,则这些组分将发生沉淀。因此用Mi NTEQA2计算出来的模拟花岗岩水配方来配置人工模拟花岗岩水将能较好地符合使用要求。

图1 水混合过程中离子含量的变化Fig.1 Variation of ion contents during m ixing

表8 MiNTEQA2模拟计算配方溶液中矿物的饱和指数(Sl>0)Tab.8 Saturati on indexes of si m ulated water calculated byM I NTEQA2

表9 原配方溶液化学成分与用MiNTEQA2计算所得模拟花岗岩水成分对比表Tab.9 Compare chem ical compositions of o riginal scriptw ith si mulated granite water calculated byM i NTEQA2 mg·L-1

焦学然.2006.十红滩砂岩铀矿地下水淡化少试剂地浸采铀室内实验研究[D].抚州:东华理工大学硕士论文.

史维浚,吕跃进,金立敏.1995.花岗岩裂隙水推荐配方稳定性模拟研究[J].华东地质学院学报,18(3):207.

史维浚、孙占学.2005.应用水文地球化学[M].北京:原子能出版社:86-139.

David L.Parkhurst and C.A.J.Appelo.1999.User’s guide to phreeqc(version 2)—a computer program for speciation,batch-reaction,one-dimensional transport,and inverse geochemical calculations[M],USA:USGS.

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

史维浚 (1937—)男,教授,水文地质与工程地质专业,主要从事水文地球化学研究。