煤炭灰中有害物质测定与环境风险评估

煤炭灰中有害物质测定与环境风险评估

张羽

河北省邯郸市产品质量监督检验所  056000

摘要：煤炭灰作为煤矿、发电厂等燃煤行业的产物，含有多种有害物质，如重金属、多环芳烃等。这些有害物质对环境和人类健康可能造成潜在风险。因此，对煤炭灰中有害物质进行测定，并进行环境风险评估是非常重要的。

关键词：煤炭灰；有害物质测定；环境风险评估

煤炭灰是燃煤过程中产生的副产品，包含大量有害物质，对环境和人类健康造成潜在风险。因此，研究煤炭灰中有害物质的浓度和来源，并对其对环境的潜在影响进行评估，具有重要的科学和实践意义。它的有害物质主要包括重金属（如铅、镉、汞等）和多环芳烃类化合物（如苯并芘、苯并荧蒽等）。这些物质在燃煤过程中被释放到大气中，随后通过气溶胶、粉尘等途径沉积到土壤和水体中，引发一系列的环境问题。

一、煤炭灰中有害物质的测定方法

（一）原子吸收光谱法（AAS）

煤炭灰中有害金属元素的测定方法中，使用原子吸收光谱法（AAS）是一种常用的分析技术。该方法基于热原子化原理，通过对待测元素吸收特定波长的光线来测定其浓度。将煤炭灰样品进行溶解或消解处理，以提取出待测金属元素。处理方法可以选择酸溶、碱溶、高温氧化等不同方式，根据待测元素的化学性质和样品的特点进行选择。通过将样品溶液喷射进入火焰或电炉等高温环境中，使得金属元素原子化[1]。在火焰或电炉中，样品中的物质被蒸发并分解为原子态，这样才能对特定波长的光进行吸收。将原子化的金属元素暴露在原子吸收光谱仪中。该仪器会发射特定波长的光线通过样品，待测元素吸收部分光能，其吸收度与元素浓度呈正比关系。通过测定样品中特定元素的吸收度，可以计算出元素的浓度。

（二）感应耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）

将煤炭灰样品进行溶解或消解处理，以提取出待测元素。处理方法可以选择酸溶、碱溶、高温氧化等不同方式，根据待测元素的化学性质和样品的特点进行选择。通过将样品溶液进入感应耦合等离子体（ICP）中，利用高频电场和感应电流将样品中的分子或原子激发产生等离子体。在等离子体中，样品中的元素被转化为带电离子，且带有特定的激发态能级。利用ICP-OES仪器测量样品中多种元素的发射光谱强度。在激发态能级向基态跃迁的过程中，元素会发出特定波长的光线进行发射。ICP-OES仪器会调整光栅和检测器，选择并测量特定波长的光线，通过测定光谱强度来确定元素的浓度。根据标准曲线和内部标准等方法，将测得的发射光谱强度值转换为元素浓度。标准曲线是通过一系列已知浓度的标准溶液进行建立的，利用这些标准曲线可以校正样品的测量结果，获得准确的元素浓度。

（三）X射线荧光光谱法（XRF）

该方法使用X射线荧光光谱仪对煤炭灰样品中的元素进行快速定量分析。将煤炭灰样品直接放置在XRF仪器的测量台上，不需要特殊处理。可以使用块状、粉末状或片状的样品形式。为了保证测量准确性，样品表面应当光滑、均匀。XRF仪器会通过X射线管产生高能X射线，这些X射线在样品中相互作用后，使得样品中原子内部电子被激发。激发后，样品中的元素会发射出特定能量范围内的荧光X射线。XRF仪器使用峰位分析来确定荧光发射的特定能量和波长。根据事先建立的标准曲线和校准样品，通过测量荧光光谱强度来计算待测元素的含量。标准曲线是通过一系列已知浓度的标准样品进行建立的，根据荧光峰的强度与元素浓度之间的关系确定。

二、煤炭灰中有害物质的环境风险评估

（一）化学分析

通过化学分析技术，测定煤炭灰中有害物质的种类和含量。包括重金属元素、有机污染物、水溶性盐类等。常用的分析方法包括光谱分析、质谱分析、离子色谱等。光谱分析包括原子吸收光谱（AAS）、原子发射光谱（AES）和紫外-可见光谱（UV-Vis）等。这些方法可以用于测定煤炭灰中的重金属元素含量。比如，原子吸收光谱可以测定铅、镉、汞等重金属元素的含量。质谱分析包括质谱仪、气相色谱-质谱联用（GC-MS）和液相色谱-质谱联用（LC-MS）等。质谱分析可以用于鉴定煤炭灰中的有机污染物，如多环芳烃、多氯联苯等，并测定其含量。离子色谱适用于煤炭灰中水溶性盐类的分析。离子色谱可以测定煤炭灰中的阴离子和阳离子成分，如硫酸盐、氯化物、氮酸盐等的含量。

（二）生态毒性测试

通过生物学实验评估煤炭灰中有害物质对生态系统的毒性。常用的测试方法包括细菌抑制实验、水生生物毒性测试、植物生长抑制试验等。利用特定的细菌株，如大肠杆菌或耐盐耐酸菌等，在含有不同浓度煤炭灰样品的培养基上进行培养，观察细菌的生长情况和抑制效果。这个实验能够初步评估煤炭灰中对微生物的抑制作用[2]。使用水生生物，如水藻、浮游生物和底栖动物等，暴露在不同浓度的煤炭灰溶液中，观察其生存率、繁殖情况以及生活史参数的变化。常用的指标包括LC50（半数致死浓度）和EC50（半数致效浓度）等，用于评估煤炭灰对水生生物的毒性。通过将植物种子或幼苗暴露在含有不同浓度煤炭灰的培养基或土壤中，观察植物生长情况、根系发育、叶色变化等指标的变化。这个测试方法可以评估煤炭灰对植物生长的抑制效果。

（三）土壤和水体环境模拟实验

利用模拟实验评估煤炭灰中有害物质在土壤和水体环境中的行为和迁移规律。例如，土柱实验可以模拟有害物质在土壤中的迁移和转化过程。首先，选择代表性的土壤样品，并制备土柱。然后，在土柱的顶部注入含有煤炭灰中有害物质的溶液，并以一定的水流速度通过土柱底部排出。在实验过程中，收集土柱底部排出液和不同深度土壤样品，分析其中的有害物质浓度和形态变化，以评估有害物质在土壤中的迁移和转化特性。水槽实验可以模拟有害物质在水体中的输运和转化过程。通常采用透明的水槽作为实验容器，在槽内加入一定量的水和煤炭灰样品。通过在水表面施加一定的水流速度或搅拌，模拟水体中的流动条件。在实验过程中，定期采集水样，并测定其中有害物质的浓度和形态变化，以评估有害物质在水体中的输运、稀释和转化过程。

总结

通过煤炭灰中有害物质的测定，可以确定其种类和浓度。常见的有害物质包括重金属（如铅、镉、铬等）和多环芳烃类化合物。准确测定这些有害物质的浓度，能够为环境风险评估提供基本数据。根据有害物质的浓度和毒性特征，结合土壤和水体环境的特点，进行风险评估。通过比较有害物质浓度与环境质量标准或生态风险评估指南的限值，可以判断煤炭灰对土壤和水体环境的安全性。如果浓度超过限值，则可能对生态系统产生不利影响。基于风险评估结果，制定相应的环境保护措施。例如，对于超过环境质量标准的煤炭灰，需要采取土壤修复、水体治理等措施，以减轻其对环境的潜在危害。此外，还可以利用煤炭灰资源化利用技术，实现煤炭灰的资源化和减少对环境的排放。

参考文献：

[1]张雅楠.提高煤炭洗选质量的措施分析[J].能源与节能,2021(12):205-206.

[2]王佟,孙杰,赵欣等.煤炭资源绿色开发潜力评价方法的建立与应用[J].中国煤炭地质,2021,33(04):1-6.