燃煤电厂脱硫海水中汞的测定与迁移转化研究

摘要

汞是公知的典型持久性有毒污染物。由于其对人类健康与生态环境的威胁，近年来越来越多地受到研究者的重视。煤的燃烧与矿物开采是人类活动主要的两种汞排放形式。其中由燃煤电厂排放的汞，已经被认为是环境中最主要的汞污染来源之一。因此，燃煤电厂汞排放对大气的污染研究得以广泛开展。然而，配备海水脱硫系统的燃煤电厂的汞排放对海域的污染情况却尚未引起足够的关注。
　　 本研究以厦门一座配备有海水脱硫系统的燃煤电厂（SY电厂）的曝气池与脱硫海水排放海域作为研究区域，调查了各形态汞在脱硫海水中的产生、分布、迁移与影响因素。并对单质汞的海-气迁移通量进行了估算。研究结果为脱硫海水中汞对海洋与大气影响的评估与控制提供了重要的实验数据。具体研究内容和成果如下:
　　 (1)基于美国环保总署(USEPA)1631方法，利用吹扫-捕集-冷原子荧光系统建立了环境样品中总汞（totalmercury,TM）、溶解态总汞(dissolvedtotalmercury,DTM)及反应态活性汞(reativemercury,RM)的测定方法。在最优条件下，仪器检出限为1.0pg。海水与固体样品（土壤与沉积物）的方法检出限分别低于0.50ng·L-1与1.0ng·g-1。样品的加标回收率均符合USEPA1631方法的要求。建立了溶解态气态汞（dissolvedgaseousmercury,DGM）离线与在线的测定方法，检出限分别为1.4pg·L-1与0.174pg·L-1。两种方法空白样品的测值分别低于5pg·L-1与1.1pg·L-1。
　　 (2)将流动分析系统与原子荧光仪连用，建立了海水中TM的现场快速采集、消解与富集的流动式系统。方法检出限低至0.04ng·L-1;连续12次测定浓度为5.2ng·L-1海水样品的相对标准偏差(RSD)为1.9％;样品回收率范围为99.4％～109％;分析速度为6.5min/样。应用该方法与USEPA1631方法对同一批样品进行测定，两者结果的拟合度达到0.9762。
　　 (3)在曝气过程中，有部分汞由曝气池向大气迁移。池中表层脱硫海水中DGM的浓度高达1.14±0.17ng·L-1，池上方大气中气态单质汞(gaseouselemmercury,GEM)为10.94±1.89ng·m-3。考察由曝气池扩散的汞对周边环境的影响，发现池边的尘土与表土样品中的汞浓度显著高于参考点。除光照强度之外，其他环境参数对池中各形态汞浓度无明显影响。利用自制的模拟装置，实验估算汞由曝气池向大气迁移的通量，结果表明每年有超过0.59kg、占脱硫海水中TM0.3％的汞发生迁移。
　　 (4)脱硫海水将燃煤电厂烟气中的汞排放入海。本研究调查了脱硫海水排水口周边海域28个站点表层海水中TM、DTM和DGM，以及海面上方GEM等的周日变化与季节性变化。在七月与十二月份，监测区域的DGM与GEM浓度分别为183与4.48ng·m-3和116与3.92ng·m-3，显著高于参考点。基于通量计算，脱硫海水中的汞的迁移方向为由海水表层向大气扩散。每年有超过4.4kg、占脱硫海水中总汞2.2％的汞从其排放海域进入大气。该结果表明，除进入沉积物与被海水稀释的情况之外，进入大气也是脱硫海水中汞的重要归宿之一。
　　 (5)本研究考察了紫外强度、悬浮颗粒物浓度与pH等因素对脱硫海水中DGM生成量的影响。结果表明，紫外辐照能显著促进DGM的生成，尤其是UVB的促进效果要远高于UVA。在模拟监测海域最强的紫外辐照下，脱硫海水中DGM生成速率达6.323pg·min-1(30mL)。利用浓度梯度法与试算法计算得到脱硫海水中汞光致还原的一级动力学常数分别为1.39×10-3和1.45×10-3min-1。
　　 悬浮颗粒物浓度是另一个能促进DGM生成的参数，但未观察到pH与亚硫酸盐浓度对DGM浓度的影响。此外，本研究还观测到，当脱硫海水排海、与新鲜海水混合时，部分汞发生迅速还原，生成了DGM。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 汞的基本概念

1．1．1 汞的性质与来源

1．1．2 汞的毒性与危害

1．2 汞的生物地球化学循环

1．2．1 大气中汞的迁移转化

1．2．2 水体中汞的迁移转化

1．2．3 土壤与沉积物中汞的迁移转化

1．2．4 汞的界面通量

1．3 中国燃煤电厂的汞排放

1．3．1 燃煤中的汞以及排放现状

1．3．2 燃煤电厂的海水脱硫技术

1．3．3 烟气海水脱硫技术对海洋环境的影响

1．4 本课题的提出与研究内容

1．4．1 本课题的提出

1．4．2 研究目标、内容和技术路线

参考文献

第二章 大气样、水样与固体样品中汞测定方法的建立

2．1 前言

2．2 方法与材料

2．2．1 主要仪器与试剂

2．2．2 样品中TM、DIM与跚的实验室测定

2．2．3 水体中TM的现场在线测定

2．2．4 表层海水中DGM的测定

2．3 结果与讨论

2．3．1 TM、DTM和刚实验室测定的参数优化

2．3．2 TM在线测定方法的参数优化

2．3．3 DGM测定方法的参数优化

2．4 本章小结

参考文献

第三章 脱硫海水中溶解态单质汞在燃煤电厂曝气池中的扩散与迁移转化

3．1 前言

3．2 方法与材料

3．2．1 采样点的分布

3．2．2 样品测定

3．2．3 模拟装置的建立

3．3 结果与讨论

3．3．1 各形态汞浓度的测定结果

3．3．2 DGM的浓度分布与潜在影响

3．3．3 汞通量的影响因素

3．3．4 汞迁移过程的模拟与通量估算

3．4 结论

参考文献

第四章 脱硫海水中汞在排放海域的分布与迁移转化

4．1 前言

4．2 方法与材料

4．2．1 采样与现场测定

4．2．2 各形态汞样品与环境参数的采集与分析方法

4．2．3 单质汞在水-气两相间迁移通量的估算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 SY电厂汞的对海排放

4．3．2 汞浓度的季节与周日变化

4．3．3 监测海域DGM与GEM浓度的分布

4．3．4 单质汞的水-气通量

4．4 结论

参考文献

第五章 脱硫海水中DGM生成的影响因素

5．1 前言

5．2 方法与材料

5．2．1 水样的采集与试剂的配制

5．2．2 所研究的环境影响因子的选择和样品的制备

5．2．3 反应装置的建立

5．2．4 实验操作

5．2．5 汞与其他参数的分析

5．3 结果与讨论

5．3．1 紫外辐照对DGM生成的影响

5．3．2 悬浮颗粒物、pH与亚硫酸盐浓度对DGM生成的影响

5．3．3 脱硫海水中汞光致还原的动力学速率常数

5．3．4 脱硫海水中“初始汞”的生成

5．4 结论

参考文献

第六章 结语与展望

6．1 研究总结

6．2 本研究的创新点

6．3 不足与展望

攻读博士学位期间发表的论文

致谢