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关闭煤矿酸性矿井水热能利用中水质调控模拟实验研究

关闭煤矿酸性矿井水热能利用中水质调控模拟实验研究

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作者：李松子中国矿业大学

学位级别：硕士

由于资源枯竭、落后过剩产能化解等因素,全国已有大量煤矿关停和闭坑。煤矿关闭后可能诱发地下水串层污染,引起地区地下水水质安全问题。另一方面,研究表明关闭煤矿矿井水可进行有效热量利用,抽出处理后可实现闭坑矿井水污染防控与水热... 详细信息

由于资源枯竭、落后过剩产能化解等因素,全国已有大量煤矿关停和闭坑。煤矿关闭后可能诱发地下水串层污染,引起地区地下水水质安全问题。另一方面,研究表明关闭煤矿矿井水可进行有效热量利用,抽出处理后可实现闭坑矿井水污染防控与水热能源联用。在“双碳”目标下,水热型地热资源的开发利用有着减污降碳协同治理的双重意义。本文针对矿井开环水热利用模式(抽采换热),以山东某关闭煤矿酸性矿井水水质为参考,模拟开展了关闭煤矿酸性矿井水在水热利用情境下的保温水质保障模拟实验,重点开展静态、动态中和与絮凝处理实验并基于分形理论和多种表征手段,研究了不同温度下絮体及沉积物的变化规律,研究了温度与絮凝处理中絮体生成的互耦机理,优化了关闭煤矿酸性矿井水热型地热资源利用中质热协同保障的关键工艺,探讨了关闭煤矿矿井水处理工程中温度改变的主要过程和影响要素,为我国开展关闭煤矿水热利用提供理论指导,主要结论如下:(1)开展了静态中和-絮凝沉淀实验,以Ca O作为中和剂、聚合氯化铝(PAC)作为絮凝剂、聚丙烯酰胺(PAM)作为助凝剂进行不同投加量、p H、温度等条件下中和、絮凝沉淀静态序批实验。结果表明,两种浓度的模拟关闭煤矿酸性矿井水最佳中和剂投加量分别为0.75g/L和1.23g/L、絮凝剂(2%PAC)和助凝剂(0.2%PAM)投加量分别为20mg/L和3mg/L、最适p H值约为8、最佳反应温度为30℃,该工艺使模拟关闭煤矿酸性矿井水中总铁含量降低至0.3mg/L以下、硫酸盐去除率达到70%左右。(2)开展了动态中和-絮凝沉淀实验,模拟现场温度条件,对中和与絮凝沉淀实验的温度、TDS进行实时采集,探讨反应温度对于模拟关闭煤矿酸性矿井水处理的影响,结果表明:当起始反应温度为30℃时,TDS去除率最高,达到60%,当进水温度从20℃上升至50℃时,TDS去除率呈现先上升后下降的趋势。(3)联合使用化学样品表征手段、絮体分形理论方法研究了中和与絮凝反应中水质-水温的互耦机理。采用X射线衍射(XRD)研究关闭煤矿酸性矿井水中和沉淀反应除铁的机理,得出:p H值会影响铁离子形态转化的含量和铁系矿物的产生,p H约为8时,溶液中的总Fe和Fe即可被大量去除;运用SEM-EDS技术观察絮体沉积物的微观形貌和元素组成,发现反应起始温度为30℃时Fe元素去除率最高,S元素、Ca元素含量也是随着温度的升高呈现含量先增加后降低的现象;运用分形理论开展絮体的微观形态学研究,得到不同药剂投加量和反应温度均会影响絮体分形维数的大小,在最佳药剂投加量和温度下,絮体的分形维数稳定在1.9左右。该论文有图50幅,表11个,参考文献159篇。

关键词：关闭煤矿地热资源酸性矿井水快速保温处理分形理论

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