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中国矿业大学（北京）硕士专业学位论文
1 引言
讨论了煤中有害元素对环境和人体健康的危害及其作用途径，总结了煤中伴生元素的含量分类和环境地球化学分类。详细总结和归纳了煤中伴生元素的研究状况、发展趋势以及不足之处，根据以上分析和国家自然科学基金与煤炭科学基金任务的要求，提出了本次研究思路和技术路线，并对本次研究的主要工作量进行了总结。
煤炭是我国最主要的一次能源，近年煤炭产量有所缩减，但2000年产量仍保持在10亿吨。由于煤炭在我国化石能源资源量中占95%，石油和天然气的储采比低，分别为21和40，因此估计到二十一世纪中叶，煤炭在一次能源结构中所占的比例仍难低于50%。所以煤的地球化学性质,特别是煤中有害元素及有害有机化合物及其对大气、土壤和水域的环境危害，对人体健康的影响，日益受到重视
[1-2,5]
。煤中伴生元素环境地球化学的研究可为我国煤炭资源、
环境与可持续发展的决策提供一定的科学依据。
1.1 煤中有害元素对环境和人体健康的危害
煤中有害元素引起的生物中毒和环境污染在许多用煤国家都已发生
[2,5]
。如美国大气硒
污染主要来源是燃煤，燃煤引起的大气硒排放量占总量的62％。燃煤过程向大气的排汞量占了人为总量的大部分，成为大气中汞的最大污染源。大气汞通过干湿沉降返回到表生生态环境中，加速了汞在水生生态系统食物链中富集强度和速度，对人类的生存构成了潜在威胁。在北欧和北美，酸雨沉降区的一些偏远湖泊中，一些鱼体中汞含量高的惊人，远远超过了世界卫生组织建议的地区食用水产品的汞含量标准。美国近10年来集中研究了燃煤造成的汞污染。煤烟是大气中砷的主要来源，著名的伦敦上空的烟雾，其大气中的砷含量为0.04～0.14g/m3。原捷克斯洛伐克燃煤电厂排放的Pb、As已造成附近儿童骨骼生长延缓。美国近年正研究燃煤造成的As污染，并拟降低大气及水域中可造成As污染的下限值。
煤中伴生元素可能通过多种途径，即所谓的环境地球化学食物链对环境和人类健康造成影响（图1.1）。As、F、Se、U、Hg、Cd等元素在多数煤中含量很低，但在特殊的地质条件下可能富集在煤中。我国煤田地质条件复杂，煤中的伴生微量元素分布不均，从我国一些地区检测到的As、F、Se的特高含量值世界罕见，因此，研究我国煤中伴生微量元素在什么样的地质条件下可能形成异常富集显得尤为重要。
土壤中有害元素
微生物
植物
植物食料和营养物质
煤中有害元素空气中有害元素人和动物的机体
水中有害元素微生物中间环节
动物性食料和营养物质
图1.1 煤中化学元素从环境到有机体作用路线示意图 Fig.1.1 Sketch map of ways of chemical elements on organism
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1.2 煤中伴生元素的有关术语和分类
1.2.1 元素的含量分类
在常见的地球化学文献中，人们常将O、Si、Al、Fe、Ca、Mg、Na、K和Ti等9种元素（它们的地壳丰度共占99％左右）称之为常量元素或主要元素，而把这9种元素以外的元素统称为微量元素或痕量元素、杂质元素、副元素、稀有元素、次要元素等（Trace, Minor, Micro, Rare, Oligo Elements），它们在岩石中含量一般在1％或0.1％以下。
目前还没有建立微量元素地球化学分类的统一标准，分类方案也因研究对象和目的不同而异。目前普遍采用程介克（1986）的分类方案（表1.1）[3,5-8]。
表1.1 元素含量的术语及其含量界限(程介克，1986)
Table 1.1 Terms of elements and their content limits (Cheng Kejie, 1986) 含量
（％） 1～100 0.01～1 0.0001～0.01 < 0.0001
（g/g） 104～106 100～10000 1～100 < 1
有关术语
常量元素（Major Element 或Macroelement） 微量元素（Minor Element或Microelement） 痕量元素（Trace Element） 超痕量元素（Ultratrace Element）
然而，常量元素和微量元素的区分是相对的，常因研究的对象和目的而异。煤是物质成分极其复杂的固体可燃有机岩，用现有的分析技术手段可以从煤中检测到66种元素，从煤样品、燃煤产物和煤层气样品中检测到86种元素（地壳中可供统计的元素共88种），只有Ac和Pa这2种短寿命的放射性元素在煤、煤燃烧产物和煤层气中未曾检测到。在所检测到的元素中，作者把H、C、N、O、Na、Mg、Al、Si、S 、K、Ca和Fe等12种元素称之为常量元素（major elements），它们在煤中的含量一般超过0.1％；其它元素在大多数煤中的含量低于0.1％，称之为微量元素（minor elements）（图1.2）。是间接检测，尚未有一种行之有效的直接检测方法，更谈不上某元素在各种赋存状态中各占的百分比例。二是研究煤炭在开采、运输、堆放、洗选加工、燃烧等过程中有害元素侵入环境的机制和规律，正如前所述，煤是一种特殊的岩石，在其加工利用过程中，可以使得本来一些并不富集的元素得以富集后对环境或人类健康造成危害，特别是燃煤过程中有害元素在飞灰中的迁移和富集尤其引人注意。三是研究和开发脱除或降低煤中伴生有害元素的技术，从而达到控制和预防煤中伴生元素对环境和人类身体健康的危害，主要涉及到煤洁净利用技术的工艺方面。
发展趋势：一是开始研究全球煤中有害元素分布规律，如捷克著名学者Bouška等（1999）总结了全球31个国家褐煤中硫及微量元素含量的分布，主要有害元素的样品都在千个以上（其中我国仅10个左右）[2]；美国著名的专家Finkelman正在力争建立全球煤中毒害元素的地球化学数据库；二是研究煤中有害物质对人类健康的影响，美国Orem等（1999）对巴尔干半岛上褐煤淋出的有害有机化合物对地方性肾脏病的影响等[3]；2001年在捷克召开的第9届煤田地质会议上，就有一些煤中有害元素与病理学关系方面的新研究成果，引起了与会学者极大兴趣[90]。三是一些学者开始注重低温热液流体作用下煤中伴生元素的地球化学行为，把流体动力学的原理应用于煤中物质，特别是毒害元素的迁移、转化和富集规律
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2022-11-03
