本文關(guān)鍵詞：煤田地質(zhì)學(xué)論文，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

宿州學(xué)院

地球科學(xué)與工程學(xué)院

學(xué)生姓名： 張志 學(xué) 號(hào)： 2011103232 班 級(jí)： 11地質(zhì)工程2班 學(xué)習(xí)課程： 煤田地質(zhì)學(xué) 論文題目： 煤中微量元素研究

授課老師： 李建樓

摘要：討論了煤中有害元素對(duì)環(huán)境和人體健康的危害及其作用途徑，總結(jié)了煤中伴生元素的含量分類和環(huán)境地球化學(xué)分類。詳細(xì)總結(jié)和歸納了煤中伴生元素的研究狀況、發(fā)展趨勢(shì)以及不足之處，根據(jù)以上分析和國(guó)家自然科學(xué)基金與煤炭科學(xué)基金任務(wù)的要求，提出了本次研究思路和技術(shù)路線，并對(duì)本次研究的主要工作量進(jìn)行了總結(jié)。

Abstract: This paper discusses the harmful elements in coal on the environment and human health hazards and pathways, summed up the content of associated elements in coal classification and environmental geochemistry classification. Detailed review and summarize the associated elements in coal research status, trends and shortcomings, according to the requirements above analysis and the National Natural Science Foundation of China Coal Science Foundation and the task presented in this research ideas and technology roadmap, and this the main workload study are summarized.

關(guān)鍵詞：煤中微量元素

前言

煤炭是我國(guó)最主要的一次能源，近年煤炭產(chǎn)量有所縮減，但2000年產(chǎn)量仍保持在10億噸。由于煤炭在我國(guó)化石能源資源量中占95%，石油和天然氣的儲(chǔ)采比低，分別為21和40，因此估計(jì)到二十一世紀(jì)中葉，煤炭在一次能源結(jié)構(gòu)中所占的比例仍難低于50%。所以煤的地球化學(xué)性質(zhì),特別是煤中有害元素及有害有機(jī)化合物及其對(duì)大氣、土壤和水域的環(huán)境危害，對(duì)人體健康的影響，日益受到重視。煤中伴生元素環(huán)境地球化學(xué)的研究可為我國(guó)煤炭資源、環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展的決策提供一定的科學(xué)依據(jù)。

一.煤中有害元素對(duì)環(huán)境和人體健康的危害

煤中有害元素引起的生物中毒和環(huán)境污染在許多用煤國(guó)家都已發(fā)生。如美國(guó)大氣硒污染主要來源是燃煤，燃煤引起的大氣硒排放量占總量的62％。燃煤過程向大氣的排汞量占了人為總量的大部分，成為大氣中汞的最大污染源。大氣汞通過干濕沉降返回到表生生態(tài)環(huán)境中，加速了汞在水生生態(tài)系統(tǒng)食物鏈中富集強(qiáng)度和速度，對(duì)人類的生存構(gòu)成了潛在威脅。在北歐和北美，酸雨沉降區(qū)的一些偏遠(yuǎn)湖泊中，一些魚體中汞含量高的驚人，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了世界衛(wèi)生組織建議的地區(qū)食用水產(chǎn)品的汞含量標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)近10年來集中研究了燃煤造成的汞污染。煤煙是大氣中砷的主要來源，著名的倫敦上空的煙霧，其大氣中的砷含量為0.04～

30.14?g/m。原捷克斯洛伐克燃煤電廠排放的Pb、As已造成附近兒童骨骼生長(zhǎng)延緩。美國(guó)近年正研究燃煤造成的As污染，并擬降低大氣及水域中可造成As污染的下限值。

煤中伴生元素可能通過多種途徑，即所謂的環(huán)境地球化學(xué)食物鏈對(duì)環(huán)境和人類健康造成影響（圖1.1）。As、F、Se、U、Hg、Cd等元素在多數(shù)煤中含量很低，但在特殊的地質(zhì)條件下可能富集在煤中。我國(guó)煤田地質(zhì)條件復(fù)雜，煤中的伴生微量元素分布不均，從我國(guó)一些地區(qū)檢測(cè)到的As、F、Se的特高含量值世界罕見，

因此，研究我國(guó)煤中伴生微量元素在什么樣的地質(zhì)條件下可能形成異常富集顯得尤為重要。

土壤中有害植物食料和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

煤中有空氣中有害人和動(dòng)物的水中有中動(dòng)物性食料和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)

圖1.1 煤中化學(xué)元素從環(huán)境到有機(jī)體作用路線示意圖

Fig.1.1 Sketch map of ways of chemical elements on organism

二.元素的含量分類

在常見的地球化學(xué)文獻(xiàn)中，人們常將O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K和Ti等9種元素（它們的地殼豐度共占99％左右）稱之為常量元素或主要元素，而把這9種元素以外的元素統(tǒng)稱為微量元素或痕量元素、雜質(zhì)元素、副元素、稀有元素、次要元素等（Trace, Minor, Micro, Rare, Oligo Elements），它們?cè)趲r石中含量一般在1％或0.1％以下。

目前還沒有建立微量元素地球化學(xué)分類的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，分類方案也因研究對(duì)象和目的不同而異。目前普遍采用程介克（1986）的分類方案（表1.1）[1]。

表1.1 元素含量的術(shù)語(yǔ)及其含量界限(程介克，1986)

Table 1.1 Terms of elements and their content limits (Cheng Kejie, 1986)

然而，常量元素和微量元素的區(qū)分是相對(duì)的，常因研究的對(duì)象和目的而異。煤是物質(zhì)成分極其復(fù)雜的固體可燃有機(jī)巖，用現(xiàn)有的分析技術(shù)手段可以從煤中檢測(cè)到66種元素，從煤樣品、燃煤產(chǎn)物和煤層氣樣品中檢測(cè)到86種元素（地殼中可供統(tǒng)計(jì)的元素共88種），只有Ac和Pa這2種短壽命的放射性元素在煤、煤燃燒產(chǎn)物和煤層氣中未曾檢測(cè)到。在所檢測(cè)到的元素中，作者把H、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、S 、K、Ca和Fe等12種元素稱之為常量元素（major elements），它們?cè)诿褐械暮恳话愠^0.1％；其它元素在大多數(shù)煤中的含量低于0.1％，稱之為微量元素（minor elements）（圖1.2）。是間接檢測(cè)，尚未有一種行之有效的直接檢測(cè)方法，更談不上某元素在各種賦存狀態(tài)中各占的百分比例。二是研究煤炭在開采、運(yùn)輸、堆放、洗選加工、燃燒等過程中有害元素侵入環(huán)境的機(jī)制和規(guī)律，正如前所述，煤是一種特殊的巖石，在其加工利用過程中，可以使得本

來一些并不富集的元素得以富集后對(duì)環(huán)境或人類健康造成危害，特別是燃煤過程中有害元素在飛灰中的遷移和富集尤其引人注意。三是研究和開發(fā)脫除或降低煤中伴生有害元素的技術(shù)，從而達(dá)到控制和預(yù)防煤中伴生元素對(duì)環(huán)境和人類身體健康的危害，主要涉及到煤潔凈利用技術(shù)的工藝方面。

發(fā)展趨勢(shì)：一是開始研究全球煤中有害元素分布規(guī)律，如捷克著名學(xué)者Bou?ka等（1999）總結(jié)了全球31個(gè)國(guó)家褐煤中硫及微量元素含量的分布，主要有害元素的樣品都在千個(gè)以上（其中我國(guó)僅10個(gè)左右）[2]；美國(guó)著名的專家Finkelman正在力爭(zhēng)建立全球煤中毒害元素的地球化學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)；二是研究煤中有害物質(zhì)對(duì)人類健康的影響，美國(guó)Orem等（1999）對(duì)巴爾干半島上褐煤淋出的有害有機(jī)化合物對(duì)地方性腎臟病的影響等[3]；2001年在捷克召開的第9屆煤田地質(zhì)會(huì)議上，就有一些煤中有害元素與病理學(xué)關(guān)系方面的新研究成果，引起了與會(huì)學(xué)者極大興趣[90]。三是一些學(xué)者開始注重低溫?zé)嵋毫黧w作用下煤中伴生元素的地球化學(xué)行為，把流體動(dòng)力學(xué)的原理應(yīng)用于煤中物質(zhì)，特別是毒害元素的遷移、轉(zhuǎn)化和富集規(guī)律的研究。注重流/巖反應(yīng)、流/流反應(yīng)以及沉積有機(jī)物自身的有機(jī)反應(yīng)、有機(jī)物－水－巖石多相反應(yīng)和有細(xì)菌參與的生物有機(jī)化學(xué)反應(yīng)。流體是物質(zhì)遷移和轉(zhuǎn)化的主要載體，任德貽等（1999）剖析了幾種煤中伴生有害元素的富集成因特點(diǎn)[88]，無不與流體有關(guān)。近年來低溫地球化學(xué)的快速發(fā)展為此項(xiàng)研究提供了新的思路和可靠的理論參考。

總結(jié)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，作者認(rèn)為煤中伴生元素地球化學(xué)的研究在以下幾個(gè)方面需進(jìn)一步加強(qiáng)：

（1）我國(guó)學(xué)者比較系統(tǒng)、深入的研究煤中毒害元素局限于華北的東部和中部、貴州省、四川省及東北個(gè)別煤田，積累了不少煤中有害元素分布的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，掌握了一些有害元素的局部的富集規(guī)律，但與先進(jìn)國(guó)家相比，全國(guó)積累的系統(tǒng)研究數(shù)據(jù)較少，并且多數(shù)集中于煤中伴生元素高異常區(qū)，往往使人產(chǎn)生誤解，認(rèn)為中國(guó)煤中有害元素普遍偏高。因此，全面評(píng)價(jià)我國(guó)煤炭資源及其環(huán)境效應(yīng)，充分合理地利用豐富的煤炭資源，已有的研究成果和數(shù)據(jù)仍顯不足。

（2）對(duì)煤中有害微量元素在有機(jī)質(zhì)聚積、成巖、各種變質(zhì)作用、熱液作用過程中的富集機(jī)理及其地質(zhì)背景探討尚顯不足。對(duì)源巖、圍巖、巖漿熱液活動(dòng)產(chǎn)物的地球化學(xué)研究有待深入。我國(guó)黔西、滇東、湘南等地巖漿、構(gòu)造熱液作用是導(dǎo)致局部地區(qū)煤中有害元素富集的主要因素。華北地區(qū)區(qū)域巖漿熱變質(zhì)作用是決定煤級(jí)分布的主因，但其對(duì)煤中有害元素富集的影響研究甚少。所以從含煤盆地（煤產(chǎn)地）所處的區(qū)域地質(zhì)、地球化學(xué)背景和地質(zhì)發(fā)展史角度進(jìn)行理論總結(jié)，歸納出煤中有害元素富集的成因類型或地質(zhì)模式，尚須深入研討。

三.微量元素在煤中的賦存狀態(tài)

知道元素的賦存狀態(tài)第探討煤中元素的來源，及其在成煤作用全過程中的地球化學(xué)行為至關(guān)重要。元素的賦存狀態(tài)又決定了元素在表生作用中和加工利用過程中可能的運(yùn)移和轉(zhuǎn)化，所以了解元素的賦存狀態(tài)是評(píng)價(jià)元素的利用價(jià)值，評(píng)估元素的環(huán)境效應(yīng)的基礎(chǔ)。 已有研究成果表明：在一個(gè)煤樣里任何一種元素均可

處于多種賦存狀態(tài)，若干種元素又可同處同一賦存狀態(tài)，同一種載體含某一種元素的量還相差挺大。微量元素在煤中的賦存狀態(tài)不外乎三種：賦存在礦物里，被有機(jī)質(zhì)束縛，溶于孔隙水里，其中第一種是最主要的。

1.微量元素賦存在煤中礦物

由于煤中礦物種類繁多，自然界煤中常見的礦物種類并不多，但少見和偶見的礦物種類繁多。但是研究這些少見偶見的礦物十分重要，Gluskoter(1965)把射頻低溫灰化法應(yīng)用于灰化煤樣，鑒定出鮮為人知的礦物。在《中國(guó)煤中微量元素》這本書里面作者匯集國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)得到的礦物名稱，記16類201種晶體礦物，蛋白石，玉髓，磷鈣土等非晶質(zhì)礦物，以及火山灰和火山玻璃。Finkelman和Stanton(1978)在煤層內(nèi)層發(fā)現(xiàn)來自宇宙的塵埃。然而，自然界常見的礦物種類卻有限，主要有：硅酸鹽里的粘土類礦物（高嶺石、伊利石、絹云母、蒙脫石等），硫化物利的黃鐵礦和較少量的白鐵礦，氧化物里的石英，，碳酸鹽里的方解石和菱鐵礦，以及較少量得白云石和鐵白云石，還有氫氧化物里的褐鐵礦和鋁土礦等。這幾種常見的礦物的數(shù)量占煤中礦物總量的絕大部分，其中又以粘土類礦物為主。

煤中礦物的產(chǎn)狀復(fù)雜，分布雜亂，其宏觀產(chǎn)狀有：分散的晶體顆粒、球粒、結(jié)核、透鏡體、條帶等：其微觀產(chǎn)狀有：?jiǎn)为?dú)的自形晶體、破碎的晶體碎塊、顯微結(jié)核、亞顯微晶體集合體等，由于一些亞微米粒徑的礦物微粒彌散在有機(jī)組分內(nèi)部，利用電子顯微鏡可以識(shí)別他們的存在但幾乎無法準(zhǔn)確分析其成分。 煤中礦物具有多種成因和多期生成的特點(diǎn)。按成因，煤中礦物可分為5類①植物成因的礦物②陸源碎屑成因的礦物③火山成因的礦物④化學(xué)成因和生物化學(xué)成因的礦物（自生礦物）⑤成巖交代作用形成的礦物。按礦物形成時(shí)期可分為同生和后生兩大類，同生是指在成煤作用第一階段泥炭聚集期和早期成巖作用階段形成的礦物，后生是指在成煤作用第二階段煤變質(zhì)作用階段形成的礦物還包括多期地下水或熱液活動(dòng)形成的礦物以及在表生作用下的風(fēng)化產(chǎn)物。

2，微量元素在煤中被有機(jī)質(zhì)束縛

Gluskoter(1977)利用浮—沉試驗(yàn)得到的煤可選性曲線計(jì)算“有機(jī)親合性指數(shù)”，定量表示微量元素的有機(jī)親合性。Finkelman(1995)論述25種微量元素賦存狀態(tài)時(shí)把浮沉試驗(yàn)結(jié)果作為討論元素是否與有機(jī)質(zhì)締合的重要依據(jù)。但是浮沉試驗(yàn)方法不可能分離出彌散在有機(jī)組分內(nèi)部的礦物微粒，則探討元素的有機(jī)結(jié)合態(tài)另一種常用的方法是化學(xué)提取，逐級(jí)化學(xué)提取方法雖然被國(guó)內(nèi)外研究者所利用但此方法的某些結(jié)果值得商榷。下面具體說一下各微量元素的賦存狀態(tài)。 煤中銀的賦存狀態(tài)，1995，F(xiàn)inkelman總結(jié)從1968年起國(guó)內(nèi)外見解后提出，煤中多數(shù)銀最可能賦存在硫化物的礦物里，還可以成為銀的硫化物，閃鋅礦，方鉛

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