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关闭煤矿地下水中铁的多源释放机理及调控模拟

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关闭煤矿地下水中铁的多源释放机理及调控模拟

作者：郑双双中国矿业大学

学位级别：硕士

关闭煤矿地下水多呈现高铁特征,闭坑淹井后残留铁质器件易锈蚀与原生矿物形成地下水多源铁释放体系,加大地下水污染风险,另一方面闭坑矿井水水热资源、空间资源等可以利用,本文针对绿色闭坑与关闭矿井资源利用中地下水污染防控的核心问... 详细信息

关闭煤矿地下水多呈现高铁特征,闭坑淹井后残留铁质器件易锈蚀与原生矿物形成地下水多源铁释放体系,加大地下水污染风险,另一方面闭坑矿井水水热资源、空间资源等可以利用,本文针对绿色闭坑与关闭矿井资源利用中地下水污染防控的核心问题,以关闭煤矿地下水中铁的多源为研究对象,基于关闭矿井水文地球化学环境调查与水化学模型刻画,利用水化学分析技术以及微观表征和分析测试技术,开展了水-岩-气三相反应模拟实验,利用电化学手段,开展了以黄铁矿与锚杆为地下水铁污染源代表的电化学模拟实验,系统研究了关闭煤矿地下水中多源铁释放的动态规律,并联合使用水文地球化学数值模拟研究了释放机理与原位调控路径。主要成果如下:(1)基于15 d水-岩-气三相多源反应的模拟实验研究,揭示了关闭煤矿地下水中多源铁释放规律,黄铁矿与锚杆同时在酸性矿井水中反应后两者的氧化程度较单独反应时均有明显加剧,反应后两种材料表面氧化态Fe(Ⅲ)及S(Ⅵ)占比更高,进一步证明黄铁矿与锚杆同时存在会加速彼此在酸性矿井水中的氧化进程。(2)关闭煤矿因开放体系和封闭体系的切换,引起井下的氧化还原环境改变,是诱发多源铁释放的重要因素,从关闭煤矿地下水中多源铁释放的电化学机制探索,获得开放条件下,黄铁矿在酸性矿井水中的氧化过程包括两个过程,即黄铁矿氧化为Fe及S并进一步氧化为SO,Fe同步氧化为Fe的过程。封闭条件下黄铁矿表面氧化过程不明显,在黄铁矿表面发生了S的还原作用。锚杆电极在两种气相条件下均发生了析氢腐蚀,但氮气环境中锚杆电极活性降低,不易发生氧化反应。处于酸性溶液中时,无论环境中氧气含量如何,锚杆均比黄铁矿更易发生氧化反应。(3)应用PHREEQC软件建立了关闭煤矿地下水多源铁释放模型,并与实验结果比对,验证模型有效性,模拟了温度、p H对关闭煤矿地下水中多源铁释放过程的影响,提出了关闭煤矿多源铁释放调控方法。结果显示,氧气(溶解氧)的匮乏极大抑制了黄铁矿在关闭煤矿地下水中的氧化反应;25℃时地下水环境的酸性可保持在较低水平,此时可通过降低环境中的氧气含量使溶液保持在弱氧化性状态;氧气充足的条件下,可调节水温至30℃以降低环境的氧化性。调节p H至4.0时可同时抑制铁、硫酸盐的产生,对控制酸性也有一定效果。锚杆与黄铁矿同时存在会大大加速二者氧化进程,可通过调控井下的温度、p H等参数,达到控制关闭煤矿闭坑条件下多源铁释放而产生污染的目的。该论文有图49幅,表17张,参考文献96篇

关键词：关闭煤矿水-岩-气作用地下水污染铁释放数值模拟

棕色固氮菌细菌铁蛋白释放铁的动力学方程和性质

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生物物理学报 1998年第1期14卷 13-20页

作者：张凤章黄河清林庆梅曾润颖邱雪慧黄南昌许良树曾定厦门大学生物学系国家第三海洋研究所

棕色固氮菌细菌铁蛋白铁核中的磷铁组成存在非均匀性。细菌铁蛋白释放铁的动力学特性表现出复杂性。通过动力学曲线分析，提出蛋白壳自身调节能力起着限制释放铁速率关键步骤的观点，建立分析铁蛋白释放铁的动力学特性方程并用它较合理... 详细信息

棕色固氮菌细菌铁蛋白铁核中的磷铁组成存在非均匀性。细菌铁蛋白释放铁的动力学特性表现出复杂性。通过动力学曲线分析，提出蛋白壳自身调节能力起着限制释放铁速率关键步骤的观点，建立分析铁蛋白释放铁的动力学特性方程并用它较合理地阐明铁蛋白释放铁的动力学规律及储存铁的途径。用分光光度法和动力学方程研究细菌铁蛋白释放铁的全过程，其结果表明该蛋白以一级反应方式释放铁核表层的铁和以零级反应方式释放铁核内层的铁。外加磷酸盐能强烈地抑制释放铁的速率，引起释放铁的反应级数的转化，迫使铁蛋白以一级反应的方式释放铁核中的大多数铁。

关键词：棕色固氮菌固氮菌铁蛋白铁释放动力学方程

水中硫酸根及溶解氧质量浓度变化对管垢金属元素释放的影响

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环境科学 2013年第9期34卷 3480-3485页

作者：吴永丽石宝友孙慧芳张枝焕顾军农王东升中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室北京100085 中国石油大学(北京)地球科学学院北京102249 北京市自来水集团有限责任公司水质监测中心北京100192

针对出厂水水质化学组分变化可能引起管垢成分释放进而导致管网"黄水"的问题,利用管段反应器,研究了硫酸根(SO24-)质量浓度变化对长期通地下水的铸铁管段总铁释放的影响,同时分析了硫酸根质量浓度变化可能造成的金属元素锰(Mn)、砷(As)... 详细信息

针对出厂水水质化学组分变化可能引起管垢成分释放进而导致管网"黄水"的问题,利用管段反应器,研究了硫酸根(SO24-)质量浓度变化对长期通地下水的铸铁管段总铁释放的影响,同时分析了硫酸根质量浓度变化可能造成的金属元素锰(Mn)、砷(As)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)和镍(Ni)的释放行为.研究表明,实验管段进水中SO24-质量浓度的升高能导致管垢总铁、Mn释放量显著增加,且当SO24->400 mg.L-1时,出水呈现明显的"黄水"现象.对实验管段进出水中微量金属元素的检测发现,尽管随着进水SO24-质量浓度的升高,出水中As、Cr、Cu、Zn和Ni质量浓度也随之增加,但其多数情况下低于进水质量浓度,说明管垢对这些微量元素具有吸附作用.增加水中溶解氧(DO)质量浓度对铁的释放具有明显控制作用,但当超过一定值时,其抑制作用反而降低.

关键词：管网 “黄水” 硫酸根铁释放溶解氧金属

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独立计量分区截断管水质时空变化规律

浙江大学学报（工学版） 2019年第9期53卷 1704-1710页

作者：陈达柳景青陈环宇王若玮浙江大学建筑工程学院浙江杭州310058 浙江大学滨海产业技术研究院天津300301

为探究城市供水管网独立计量分区(DMA)建设过程中形成的分区截断管道和滞流区对供水管网水质的潜在影响,以管龄为9 a的实际供水管道为研究对象,设计并搭建试验平台,研究DMA分区截断管道内管网水关键水质理化指标、生物指标的时空变化规... 详细信息

为探究城市供水管网独立计量分区(DMA)建设过程中形成的分区截断管道和滞流区对供水管网水质的潜在影响,以管龄为9 a的实际供水管道为研究对象,设计并搭建试验平台,研究DMA分区截断管道内管网水关键水质理化指标、生物指标的时空变化规律.研究结果表明:随着截断管深度的增加,管壁生物膜和管垢脱落速度加快,水质恶化速率加快;铁释放、浊度和活菌浓度在不同管深处随时间的变化情况不同,12 h后,水质恶化速率明显加快;各水质指标恶化的相关性分析显示,截断管越深,水质受到主干管的扰动越少,各指标相关性水平越高.

关键词：独立计量分区(DMA) 截断管铁释放滞流工况时空变化

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给水管网中铁释放现象的影响因素研究

环境科学 2007年第10期28卷 2270-2274页

作者：牛璋彬王洋张晓健陈超王生辉清华大学环境科学与工程系北京100084

在实验室静态试验下,定量分析了给水管网中无机化学水质参数对铁释放现象的影响,包括酸碱条件、氧化还原条件和无机离子等不同类别的水质参数.研究发现,铁释放速率都随着pH值、碱度和氧化剂浓度的升高而降低,随着氯离子浓度的升高而升高... 详细信息

在实验室静态试验下,定量分析了给水管网中无机化学水质参数对铁释放现象的影响,包括酸碱条件、氧化还原条件和无机离子等不同类别的水质参数.研究发现,铁释放速率都随着pH值、碱度和氧化剂浓度的升高而降低,随着氯离子浓度的升高而升高.根据管网的一般条件,提出了控制铁释放现象的理论临界释放速率计算公式.根据理论临界铁释放速率,达到控制管网铁释放现象的必要条件时,管网水质条件满足的要求为pH大于7.6,碱度大于150 mg/L,溶解氧浓度大于2 mg/L,氯离子浓度小于150 mg/L.

关键词：铁释放腐蚀管垢 pH 碱度溶解氧氯离子

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水源更换对给水管网水质的影响研究

环境科学 2007年第10期28卷 2275-2279页

作者：王洋牛璋彬张晓健陈超何文杰韩宏大清华大学环境科学与工程系北京100084 天津市自来水集团有限公司天津300040

为了研究水源更换对给水管网水质的影响,对北方A市水源更换过程中管网水质理化指标进行了监测分析.通过33 h的监测发现,由于水源水质不同造成管网水质化学不稳定,管网水水质部分指标发生了明显的下降,pH从7.54降到7.18,碱度从188 mg.L-... 详细信息

为了研究水源更换对给水管网水质的影响,对北方A市水源更换过程中管网水质理化指标进行了监测分析.通过33 h的监测发现,由于水源水质不同造成管网水质化学不稳定,管网水水质部分指标发生了明显的下降,pH从7.54降到7.18,碱度从188 mg.L-1降到117 mg.L-1,氯化物从310 mg.L-1降到132 mg.L-1(以Cl-计),电导率从0.176 S.m-1降到0.087 S.m-1,钙离子和镁离子略有下降分别为15 mg.L-1和11 mg.L-1,这些都是由于滦河水质与黄河水质不同造成的;余氯在换水过程中发生了较复杂的变化,主要是由于水源更换造成耗氯量增加以及夜间用水量少造成管网水输配时间长引起的;pH、碱度、余氯的变化使得管网水中铁的含量增加,最高达到0.4 mg.L-1,超出饮用水标准规定的0.3 mg.L-1.通过分析水源更换过程中水质的变化,提出了控制管网水质稳定的方法主要有提高pH、增加碱度、投加缓蚀剂和严格保证出厂水及管网水水质指标特别是余氯等.

关键词：给水管网水源更换化学稳定性铁释放

铁蛋白在单壁碳纳米管修饰电极上的直接电化学过程研究

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分析化学 2013年第2期41卷 167-173页

作者：谢芬杨丽君刘诺亚熊华玉文为张修华王升富湖北大学化学化工学院

采用溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)分散的单壁碳纳米管(SWNTs)将铁蛋白(Ft)固定在玻碳电极(GCE)表面,制备了铁蛋白-单壁碳纳米管-溴化十六烷基三甲基铵膜修饰玻碳电极(Ft-SWNTs-CTAB/GCE)。透射电子显微镜和原子力显微镜用于该膜的形貌表... 详细信息

采用溴化十六烷基三甲基铵(CTAB)分散的单壁碳纳米管(SWNTs)将铁蛋白(Ft)固定在玻碳电极(GCE)表面,制备了铁蛋白-单壁碳纳米管-溴化十六烷基三甲基铵膜修饰玻碳电极(Ft-SWNTs-CTAB/GCE)。透射电子显微镜和原子力显微镜用于该膜的形貌表征,红外反射吸收光谱表明复合膜中的Ft保持原有的天然结构。采用循环伏安(CV)法研究了Ft在此修饰电极上的直接电化学和Ft中铁储存和铁释放的机理:在电化学还原过程中,Fe3+从蛋白质中还原出来,并在电化学氧化过程中重新进入到蛋白质内,CV曲线上有较好的氧化还原峰,峰电流较大,响应信号较好。利用去铁铁蛋白进行对比实验,进一步证实了Ft在SWNTs-CTAB修饰电极上的铁储存和铁释放过程。

关键词：铁蛋白单壁碳纳米管铁储存铁释放直接电化学

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腐蚀铸铁管中饮用水水质变化规律试验研究

华中科技大学学报（自然科学版） 2013年第6期41卷 117-121页

作者：姜文超蒋晖吴津津田胜海重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室重庆400045 重庆交通大学河海学院重庆400074 重庆水务集团股份有限公司重庆400045

为了研究管网腐蚀、管垢对供水管网水质的影响,以28aDN350无内衬灰口铸铁管为对象开展了腐蚀饮用水管道中水质变化规律的试验研究.研究表明:腐蚀管道中浊度、总铁等水质指标随水力停留时间的增长而增加,且总铁与浊度呈良好正相关关系,... 详细信息

为了研究管网腐蚀、管垢对供水管网水质的影响,以28aDN350无内衬灰口铸铁管为对象开展了腐蚀饮用水管道中水质变化规律的试验研究.研究表明:腐蚀管道中浊度、总铁等水质指标随水力停留时间的增长而增加,且总铁与浊度呈良好正相关关系,水中铁质量浓度升高取决于水中悬浮态铁的升高;且以上指标的变化均与水流速度有关,当水流速度大时,管中水质变化加速;用扫描电子显微镜(SEM)对C市供水管道腐蚀瘤结构进行微观形貌分析,可以将腐蚀瘤分为表面层、硬壳层和内核层3层;采用能量分散光谱法(EDS)和X荧光光谱仪(XRF)对腐蚀瘤化学成分进行分析,腐蚀瘤主要组成成分为铁的氧化物,即α-FeOOH,γ-FeOOH和Fe3O4.以上结果表明:管道腐蚀瘤的物理形态和力学强度易受水力条件的影响,其腐蚀成分在水流扰动下容易脱落释放,是导致管网水质二次污染的重要原因.

关键词：铸铁管管道腐蚀铁释放水质二次污染

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给水管网内铁离子的释放

天津大学学报 2008年第2期41卷 137-141页

作者：郑毅彭晨蕊谭浩赵新华天津大学环境科学与工程学院天津300072 中水北方勘测设计研究有限责任公司天津300222

通过实验室构建的实验管网,模拟了实际给水管网的水力、水质条件,对各项水质指标进行了监测和相关性分析.结果表明余氯、浊度、pH值与总铁含量相关性较高.改变水力、水质条件,根据不同条件下实验管网中总铁含量的变化情况,分析了浊度、... 详细信息

通过实验室构建的实验管网,模拟了实际给水管网的水力、水质条件,对各项水质指标进行了监测和相关性分析.结果表明余氯、浊度、pH值与总铁含量相关性较高.改变水力、水质条件,根据不同条件下实验管网中总铁含量的变化情况,分析了浊度、余氯、pH值、流速与铁释放现象的相互影响机理,提出了控制铁释放的方法.监测实际给水管网的水质,量化水中总铁含量与余氯、浊度和pH值之间的关系,分别建立了基于Excel的多元线性回归模型和基于Matlab的BP人工神经网络模型,对水中总铁含量进行了预测.

关键词：给水管网铁释放相关性分析预测模型