天然水化學成分的人工模擬配置

史維浚, 祝永進

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

天然水化學成分的人工模擬配置

史維浚1, 祝永進2

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

本文介紹了天然水化學成分的人工模擬配置方法。介紹了根據(jù)水化學成分計算天然水中鹽組份的方法,提出用地球化學模式 PHREEQCI和M I NTEQA2來計算平衡狀態(tài)的天然水化學組份,應用于吐哈盆地砂巖鈾礦地浸試驗含礦層地下水及高放廢物地質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;化學成分;地球化學模式

1 天然水化學成分人工模擬配置的要求

在科學研究和實驗室試驗工作中,有時需要大量的天然水,但由于經濟和技術條件,不可能將其大量取回實驗室。這就需要模擬天然水的化學成分,然后配置與其化學成分相同的人工模擬水,以滿足試驗研究的需用。

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

2 ZK15W3人工模擬水的配置

2005年在東華理工大學實驗室進行吐哈盆地砂巖鈾礦的地浸試驗研究工作,需要大量侏羅系砂巖含礦層地下水。由于現(xiàn)場試驗的鉆孔還沒有施工,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成分數(shù)據(jù)來配置試驗所用的人工模擬水。天然水化學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成分見表 1(焦學然,2006)。

根據(jù)含礦含水層鉆孔水樣水化學分析的結果,利用地球化學模式 PHREEQCI計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術交流會會議資料.,計算結果見表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,它們在水樣中是過飽和的,即該水樣長時間存放時可能會沉淀。為了使人工模擬水配置工作順利完成,可按ZK15W3抽平衡的計算結果 (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抽的結果定名為 ZK15W3抽平衡。表 3將 ZK15W3抽平衡的計算結果進行單位換算(mol/L→g/L→N/L)。

根據(jù)表 3的計算結果,對鉆孔水樣的鹽份進行計算。計算規(guī)則為易溶鹽優(yōu)先計算,即鹽類的計算順序為氯化物—硫酸鹽—重碳酸鹽,各鹽類中的鹽組份的計算順序為鉀鹽—鈉鹽—鎂鹽—鈣鹽。ZK15W3抽平衡人工模擬水中鹽組份計算見表 4。

根據(jù)鹽組分計算表,在實驗室配制水樣。在 1升蒸餾水,按計算結果加入各種物質,加入順序與其計算規(guī)則相同。這樣可以通過鹽效應增加物質的溶解度。配制水樣加入物質詳細列表見下表 5。

在配制上述各水樣時,實驗室要現(xiàn)配 Ca(HCO3)2,稱取等物質量的 CaCO3,然后向水樣中充入CO2使其與CaCO3反應轉化為Ca(HCO3)2溶解于水中,最后在敞口燒杯中使過量的 CO2逸出。當其 pH值到達 6.83左右時,把其轉入密閉容量瓶中。放置過夜,在實驗室測 K+,Na+,Ca2+,Mg2+,Cl-,SO4

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

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

表1 ZK15W3含礦含水層地下水水化學分析結果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模擬結果Tab.2 Si mulated chem ical compo sitions of ground water of ore bare zone in ZK15W3 mol/L

表3 ZK15W3抽平衡計算結果的單位換算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)測結果與實際加入量比較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

我國高放廢物地質處置的主要方案之一是儲放在花崗巖中。實驗室試驗研究工作所需的大量用水需要人工模擬配置。為此需對花崗巖地下水進行了調研,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飽和溶液,即使經過 270 d穩(wěn)定性觀測,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,不能簡單地采用調研資料的平均值;(2)配方中的組份含量采用平均值方法,有些組份(如 Cl、Na等水化學穩(wěn)定元素)是可以的,有些組份有可能會發(fā)生化學變化,如 HCO3-。由圖 1可見,在混合過程中化學穩(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)。

用地球化學程序MiNTEQA2來模擬計算原配方溶液中礦物質的飽和指數(shù),計算結果與表 7完全一致。飽和指數(shù)大于零的礦物質達 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計算原配方溶液在 pH=7.8條件下,達到平衡狀態(tài)時的水化學成分,計算結果見表 9。人工配置的模擬花崗巖水的化學平衡,在計算所得的理想平衡溶液中,一些化學穩(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)條件下計算所得的組份含量相當于其邊界值 (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計算出來的模擬花崗巖水配方來配置人工模擬花崗巖水將能較好地符合使用要求。

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

表8 MiNTEQA2模擬計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 原配方溶液化學成分與用MiNTEQA2計算所得模擬花崗巖水成分對比表Tab.9 Compare chem ical compositions of o riginal scriptw ith si mulated granite water calculated byM i NTEQA2 mg·L-1

焦學然.2006.十紅灘砂巖鈾礦地下水淡化少試劑地浸采鈾室內實驗研究[D].撫州:東華理工大學碩士論文.

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

史維浚、孫占學.2005.應用水文地球化學[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

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