煤燃烧过程中钾同位素分馏特征
作者单位：长安大学
学位级别：硕士
导师姓名：张海东;贺茂勇
授予年度：2023年
学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术]
摘 要：钾(K)是地球中第15丰富的元素,其在地壳和海洋中的丰度分别为第8位、第6位,同时也是生物体中代谢和生理反应的必要营养素。随着多接收电感耦合等离子质谱仪(MC-ICP-MS)的快速发展,使得钾稳定同位素被越来越多的应用于地球化学领域。一直以来,煤炭是我国能源消费的主要来源,但其产生的大量污染物,如烟尘、有毒气体等,对环境造成严重的污染,危害到周围的生态系统安全以及人类的身心健康。由于稳定同位素拥有类似“DNA的示踪作用,被更加广泛地应用到煤炭研究中,煤炭燃烧前后元素变化也一直是重要的研究方向。K是中等挥发性元素,是煤中重要的无机组成部分,加强对煤燃烧过程中K元素随着温度改变的释放情况和K同位素分馏特征的深入探索,可以揭示不同煤种之间燃烧过程的异同,为对煤炭燃烧前后K元素和同位素变化研究具有重要的科学意义。本论文以榆林烟煤和石嘴山无烟煤为研究对象,对其进行不同温度下的燃烧实验,对燃烧前后的样品进行消解、常量和微量测定、K同位素测定与分析。取得以下研究结果:(1)使用马弗炉在不同的温度下开展两种煤的燃烧实验,比较了不同煤样在不同燃烧温度下的底灰形态,对比分析了在不同温度下两种煤的灰产率变化。实验结果表明,在不同的燃烧温度下,两种煤的形态和颜色都发生了改变。这与它们的煤质特性的差异有关。温度对煤炭的灰产率有着显著的影响,燃烧温度的升高会导致煤的灰产率下降。此外,煤炭的类型也会影响灰产率在相同的实验条件下,石嘴山煤的灰产率明显高于榆林煤的产率,指示了榆林煤比石嘴山烟煤更易燃烧。煤燃烧的温度对整个燃烧过程起着比较关键的作用,该实验表明了两种煤整体的挥发分含量较高,灰分含量较低,这对后续理解元素释放奠定理论基础。(2)对未燃烧的煤样和燃烧后的灰样进行消解处理,并利用电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)测定其中的常量元素,电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)测定其中的微量元素,发现两种煤中的K元素和温度并无明显的正负相关性。释放率和温度呈现正相关性,但榆林煤在1100℃的释放量突然降低这与K含量突增有关。(3)使用“等离子体法和“样品-标样间插法(SSB)可以满足K同位素的高精度测量要求。利用阳离子交换树脂对国际标准煤样中的K元素进行分离提纯,使用MC-ICP-MS的“冷等离子体-低分辨率模式对标准煤样中的K同位素进行测定。研究表明了,MC-ICP-MS技术和同位素纯化分离步骤能够有效实现煤样品中的K同位素的高精度测定,并为煤燃烧过程中K同位素的分馏研究提供重要的技术支持。(4)利用高精度钾同位素测试方法测定不同温度的底灰样品中的K同位素组成,实验结果表明,随着温度的逐渐升高,在煤燃烧的过程中K同位素产生了显著分馏。燃烧初期未产生分馏,但随着温度增高分馏程度在逐渐减小,700℃底灰中更富集轻同位素。在1200℃时δK值变大,此时轻同位素被优先吸附于气相中,底灰中更富集重同位素。产生此现象的原因除了温度的影响同时由于轻、重同位素的反应速率不一样而出现的动力学分馏。最后通过对比钾同位素在自然界的储库发现煤中的钾同位素显著区别于其他自然样品,因此对于作为示踪大气污染物的指示剂钾同位素拥有较好的潜力。
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