磷石膏渗滤液与岩溶含水介质作用机理研究

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磷石膏堆存过程中会产生大量渗滤液,若防渗措施不完善,就会导致含磷、氟的渗滤液污染周边地表水和地下水,破坏水生生态系统的稳定。福泉市地处黔中腹地,号称“亚洲磷都”,福泉市摆纪堆场由于之前防渗不力已造成污染,发财洞为污染地下水主要出水口。本研究采集了堆场附近岩溶含水介质较为发育和渗漏途径可能经过的青岩组、法郎组和娄山关组岩样,以磷石膏渗滤液为溶蚀介质开展室内动、静态溶蚀模拟试验,初始p H值为1.86和2.71,溶蚀时间1~60天,分析对比了试验变量对溶蚀作用的影响,并运用XRD、SEM-EDS手段观察分析样品表面形貌和物质成分变化,探究磷石膏渗滤液对其作用过程及机理。得出主要结论如下:1、磷石膏渗滤液对三个地层层组的岩样的失重率均较高,随时间的推移岩样的溶蚀速率由大变小,失重率的变化表现为对数型增长曲线。动静态试验失重率变化趋势表现出极高的一致性,在p H值为1.86的试验组中岩样失重率娄山关组>法郎组>青岩组,p H值为2.71的试验组中法郎组>青岩组>娄山关组。法郎组泥晶灰岩失重率整体上大于青岩组亮晶灰岩。动态试验失重率明显高于静态试验。Exp Dec1模型对失重率曲线的拟合程度较好,得到了失重率曲线的近似方程,通过对近似方程求极限可以预测溶蚀反应的终点。2、试验变量对岩样失重率的影响作用大小为水质参数条件>溶蚀时间>水动力条件>岩石层组类别,水质参数条件和水动力条件与其他变量的交互作用均表现强烈,溶蚀时间则以主效应影响为主。水质参数条件、水动力条件及二者间交互作用对岩样溶蚀的影响在试验前期发挥较大作用并随试验的进行影响减弱,而岩石层组类别在试验后期作用逐渐凸显。娄山关组白云岩在不同试验组中表现出较大的失重率差异可能与其溶蚀特性有关,p H值和水流冲刷作用对白云岩的影响可能比灰岩更大。部分水溶性离子(Ca2+、Mg2+、F-)浓度对失重率变化的贡献度大于p H值,p H值也可通过影响水溶性离子浓度而间接影响失重率大小。失重率的抑制可通过降低溶蚀液中Ca2+、Mg2+、F-的浓度和提升溶蚀液p H值等途径实现。3、青岩组、法郎组和娄山关组的岩样溶蚀特征各有不同。青岩组生物屑内碎屑亮晶灰岩岩样优先溶蚀亮晶方解石胶结物,溶蚀作用主要沿裂隙和晶体的解理面进行,阶梯状纹理的间隙出还生成少量硫酸钙晶簇。法郎组泥晶灰岩岩样溶蚀最为均一,表面光滑平整。娄山关组中晶白云岩岩样体现出方解石和白云石溶蚀速率的差异性,方解石脉溶蚀较快,晶间溶孔较为发育。青岩组较法郎组更易发育岩溶通道,是渗漏途径研究的重点关注对象,发财洞出水p H值随季节变化较大,娄山关组层组存在发育出新的溶蚀通道的可能性。4、基于能谱分析结果,对电镜中岩样的微观溶蚀特征做出分析。三个层组岩样的生成物成分相似,主要为Ca F2、磷酸钙盐(Ca(H2PO42、Ca HPO4和Ca3(PO42),Ca F2主要分布在生成物的外层和中层,内层裸露面和方解石晶体溶蚀区域磷酸钙盐占主要比重。在岩样内部磷酸钙和氟化钙存在沉淀的竞争,磷酸钙会优先于氟化钙生成,磷酸钙也有向氟化钙转化的可能性,溶蚀反应生成物中硫酸钙、氟化镁皆转化为更难溶的沉淀氟化钙和磷酸钙。碳酸盐矿物的交代作用和溶蚀作用同时进行,方解石、白云石和硫酸钙晶簇可能会首先被磷酸钙交代,然后继续被氟化钙交代。岩样表面的白色沉积物可能为磷酸铁和磷酸亚铁。
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