燃煤电厂脱硫海水中汞对排放海域影响的稳定同位素示踪研究

摘要

汞是一种易挥发、可生物富集的持久性有毒污染物。由于煤中含汞，燃煤成为最主要的汞排放源。我国沿海地区新建的大型燃煤电厂大多数采用海水脱硫工艺来净化燃煤烟气。燃煤烟气中的单质汞在脱硝过程中被氧化为汞离子，部分汞在脱硫过程中被海水溶解，最终随着脱硫海水排放至邻近海域，对海域环境造成极大威胁。故研究脱硫海水中汞的迁移及归宿、探究燃煤电厂的汞污染及影响，具有重要的科学意义和现实意义。
　　本论文以厦门SY电厂的脱硫海水中的汞为研究对象，以其排放海域为研究区域，以稳定同位素为技术手段;探索海水脱硫及排放过程中汞的迁移转化，研究脱硫海水对海域中汞的贡献，进而建立脱硫海水中汞对海域环境影响的定量模型。研究成果可为客观评价海水脱硫工艺给近岸海域环境带来的汞污染提供科学数据，为同类燃煤电厂的汞污染及其控制提供评估和预测技术。本论文的主要工作及结论如下:
　　1.海水中汞的富集方法、汞同位素分析系统的建立及完善。本研究的汞同位素分析系统由冷蒸汽发生进样装置、膜去溶装置及多接收电感耦合等离子体质谱仪组成。以改善冷蒸汽发生进样装置为突破口，完善汞同位素分析系统，提高方法的灵敏度及稳定性。在精度、准确度与原有系统一致的基础上，改进型汞同位素分析系统产生的汞信号强度是原有系统的两倍。此外，建立并完善了海水中溶解态汞(DHg)的预富集方法，着重研发了吹扫-捕集（金柱捕集和吸收液富集）系统。该富集方法对汞的回收率高，不受海水复杂基底的干扰，可完全分离海水中汞与铅，实现汞同位素204Hg的准确测定。
　　2.研究脱硫海水及其排放海域中各形态汞（颗粒态汞PHg、溶解态汞DHg、总汞THg）的浓度、同位素质量分馏和非质量分馏特征。结果发现脱硫塔出水口处海水的PHg、DHg、THg浓度最高，各形态汞的δ202Hg值最大，比新鲜海水的δ202Hg明显偏正，提示脱硫海水及其悬浮颗粒物易富集重的汞同位素。煤的燃烧、脱硝、静电除尘、脱硫过程中，汞的蒸发、扩散、吸附和氧化还原反应均会引起汞同位素的分馏。脱硫海水的曝气处理过程中，PHg的δ202Hg未改变，但DHg、THg的δ202Hg有所下降。脱硫海水排海后，PHg、THg的δ202Hg随着排污口距离的增加而变负，逐渐趋近当地的本底值，该结果的主要原因为新鲜海水的稀释作用。
　　比较排放海域海水与参考点的汞浓度、同位素组成的异同，推测脱硫海水中汞对排放海域的影响。含高浓度汞的脱硫海水从排污口排放后，受到新鲜海水的稀释，距排污口300～400 m的海域中THg浓度较参考点的高，而400～3000 m海域中THg浓度与参考点的差异已接近分析方法的误差。故利用传统的浓度比较分析方法无法判断400～3000m开外的海域是否存在脱硫海水的汞污染。而汞同位素示踪技术可评估更为广阔且低汞浓度的海域的污染状况、污染范围。距排污口3.0 km海域的THg、PHg的δ202Hg值仍高于参考点的，提示该海域存在脱硫海水的汞污染。利用海水汞同位素的质量分馏和非质量分馏特征、二元混合模型对研究海域中汞的来源进行解析，推断汞源自厦门SY电厂的脱硫海水及当地本底。脱硫海水对排放海域的影响波及排污口外3.0～4.5 km。
　　3.采集了九龙江流域及其河口区的表层水，分析了水样中THg浓度、同位素质量分馏和非质量分馏特征。九龙江流域（北溪和西溪）源头N1、W1处的THg浓度和δ202Hg较低。流域下游河段水体中THg浓度和δ202Hg比源头略高，说明下游河段水质受到一定的人为活动影响。河口区的水体中THg浓度、δ202Hg分布较宽，分别为2.71～40.56 ng/L、-3.26～-0.88‰。九龙江流域及其河口区的某些河段存在较为密集的汞污染源，携带着不同污染源汞同位素特征的河水及河口水可能相互混合，导致水体中汞的同位素组成可能相同也可能略有差异。故本研究无法追溯九龙江流域及河口区水体中汞的来源。

目录

声明

摘要

缩略语表

第一章 绪论

1．1 汞的性质、来源及危害

1．1．1 汞的物理化学性质

1．1．2 汞的来源及危害

1．2 汞在各环境介质中的迁移转化

1．2．1 大气中的汞

1．2．2 水体中的汞

1．2．3 土壤、沉积物中的汞

1．3 我国火力发电厂的燃煤及烟气净化设备中的汞

1．3．1 燃煤过程中汞的迁移转化

1．3．2 汞在燃煤电厂烟气净化设备中的迁移转化

1．3．3 脱硫工艺简介及脱硫过程中的汞

1．4 汞的同位素

1．4．1 汞同位素的基本概念

1．4．2 汞同位素研究的起源及发展现状

1．5 汞同位素分析方法的发展现状

1．6 稳定同位素示踪技术在水体中汞环境行为研究中的应用

1．7 研究背景、研究目标及技术路线

1．7．1 研究背景

1．7．2 研究目标和意义

1．7．3 研究内容及技术路线

参考文献

第二章 海水中汞同位素分析方法的建立

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 汞同位素及浓度的分析方法

2．2．3 样品的采集与预处理

2．2．4 数据分析方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 同位素分析测定系统的改进及参数优化

2．3．2 吹扫-捕集方法的参数优化

2．3．3 脱硫海水中DHg的同位素分馏

2．4 本章小结

参考文献

第三章 脱硫海水及排放海域中海水颗粒态汞、溶解态汞的浓度及同位素特征

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 分析方法

3．2．3 采样点介绍

3．2．4 样品的采集和预处理

3．2．5 数据分析方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 数据质量控制

3．3．2 海水中THg和PHg浓度的分布

3．3．3 环境因子与汞浓度之间的关系

3．3．4 海水中PHg的质量分馏MDF

3．3．5 海水中DHg的MDF及其与PHg的MDF之比较

3．3．6 海水中PHg的非质量分馏MIF

3．3．7 海水中PHg、DHg的MDF、MIF综合分析

3．3．8 海水中PHg污染源的双组份模型和质量平衡解析

3．4 本章小结

参考文献

第四章 脱硫海水及排放海域中海水的总汞浓度及同位素特征

4．1 前言

4．2 材料与方法

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 分析方法

4．2．3 研究区域介绍

4．2．4 样品的采集及预处理

4．3 结果与讨论

4．3．1 数据质量控制

4．3．2 海水中THg和DHg浓度的分布

4．3．3 常规水质参数与THg浓度之间的关系

4．3．4 海水中THg的同位素质量分馏MDF

4．3．5 海水中THg的同位素非质量分馏MIF

4．3．6 海水中THg的MDF和MIF特征的综合分析

4．3．7 海水中THg污染源的双组份模型和质量平衡解析

4．4 本章小结

参考文献

第五章 九龙江流域及河口区水体总汞浓度分布和汞同位素分馏特征

5．1 前言

5．2 材料与方法

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 分析方法

5．2．3 采样地点

5．2．4 样品的采集与预处理

5．3 结果与讨论

5．3．1 数据质量控制

5．3．2 总汞THg和溶解态汞DHg的浓度分布

5．3．3 环境因子与THg浓度之间的关系

5．3．4 THg同位素的质量分馏MDF

5．3．5 THg同位素的非质量分馏MIF

5．3．6 THg同位素的MDF和MIF综合分析

5．3．7 九龙江流域及河口区中汞与脱硫海水影响海域中汞的相关性

5．4 本章小结

参考文献

第六章 结语及展望

6．1 研究总结

6．2 研究的创新点

6．3 研究的不足

6．4 研究展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢