Relationship between the content of hazardous trace elements in coal lithotypes and their ashes (405 coal seam, u.s.c.b.)
 
More details
Hide details
1
Politechnika Śląska, Wydział Górnictwa i Geologii, Instytut Geologii Stosowanej, Gliwice
 
Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 2014;30(2):51–66
 
KEYWORDS
ABSTRACT
This study analyzed the variability in the content of selected hazardous trace elements (Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Mn, Be, Li, V, As, Ga) from the 405 (Załęże beds) coal seams’ coal lithotypes and their ashes. The significant variability in the content of the trace elements from the examined samples depends partly on the type of lithotype, and mainly on the ash content. Within all distinguished lithotypes, the highest concentrations were of the elements Ba and Mn. Other evaluated elements could be categorized by average content in the lithotypes in following order: Zn < Pb < V < Cu < Ni < Cr < Ga < Co < Be < Li < As < Cd. A similar trend in elemental content has been observed in the ashes from the lithotypes. The enrichment coefficient (W) values have been calculated for the ashes of the lithotypes as a ratio of an element’s content in the ash to its content in the lithotype. The assumption was that coefficient W values increase with increasing content of an element related to the organic matter of the coal. The highest values of these coefficients (from 5 to 7) were shown by Cr, Be, Cd, and Cu. The other elements exhibited lower values (from about 2 to about 3), and the lowest values of the enrichment coefficient were most frequently observed in the case of Co, Li, and Mn. On the basis of the calculated enrichment coefficient values in the ashes, it has been found that elements such as Ba, Mn, Li, As, Co, Ga, Ni, Pb, and Zn demonstrated high correlation with to the mineral substance (low enrichment coefficient in the ash). Their maximum concentrations decreased for the strongly mineralised lithotypes – dull coal or semi-vitreous coal. However, a small number of elements such as Cr, Be, Cd, and Cu demonstrated high correlation with the organic matter of coal (high enrichment coefficient in the ash) and tended to be most heavily concentrated in vitreous lithotype. The trace elements’ content in the lithotypes is connected with their affinity toward organic matter or mineral matter. This was determined based on the value of the coefficient of enrichment in the ashes of these elements. On the basis of the volume of the coefficient of correlation, a significant correlation was established between trace elements in lithotypes and content of ash and mineral matter in coal.
METADATA IN OTHER LANGUAGES:
Polish
Zależność pomiędzy zawartością pierwiastków szkodliwych w litotypach węgla i ich popiołach (pokład 405, GZW)
pierwiastki szkodliwe, pierwiastki śladowe, litotyp, popiół, pokład 405, współczynnik wzbogacenia
Zbadano zróżnicowanie zawartości wybranych pierwiastków szkodliwych (Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Zn, Mn, Be, Li, V, As, Ga) w próbkach litotypów i ich popiołach pochodzących z pokładu 405 (warstwy załęskie). Wykazano znaczną zmienność zawartości pierwiastków w badanych próbkach, zależną od rodzaju litotypu, a przede wszystkim od zawartości popiołu. We wszystkich litotypach najwyższe zawartości wykazały pierwiastki Ba i Mn. Pozostałe oznaczone pierwiastki ze względu na średni udział w litotypach można uszeregować w następującejkolejności: Zn < Pb < V < Cu < Ni < Cr < Ga < Co < Be < Li < As < Cd. Podobną tendencję udziału pierwiastków obserwowano w popiołach litotypów. Wyliczono współczynnik wzbogacenia (W) w popiołach litotypów, jako stosunek zawartości pierwiastka w popiele do zawartości w litotypie. Założono, że wartości współczynnika W są tym wyższe im wyższa jest zawartość pierwiastka związana z substancją organiczną węgla. Na zawartość pierwiastków śladowych w litotypach duży wpływ ma ich powinowactwo geochemiczne do substancji organicznej bądź mineralnej węgla, które określono na podstawie wielkości współczynnika wzbogacenia popiołów litotypów w te pierwiastki. Najwyższymi wartościami tych współczynników (od 5 do 7) charakteryzują się pierwiastki, takie jak Cr, Be, Cd i Cu, natomiast pozostałe pierwiastki wykazują niższe wartości (od ok. 2 do ok. 3). Najniższe wartości współczynnika wzbogacenia najczęściej obserwowano w przypadku: Co, Li i Mn. Na podstawie wyliczonych wartości współczynników wzbogacenia w popiele stwierdzono, że pierwiastki, takie jak Ba, Mn, Li, As, Co, Ga, Ni, Pb i Zn charakteryzowały się dużym powinowactwem do substancji mineralnej (niski współczynnik wzbogacenia w popiele). Maksymalna ich koncentracja przypadała na litotypy silnie mineralizowane – węgiel matowy bądź półbłyszczący. Natomiast nieliczne pierwiastki, jak: Cr, Be, Cd i Cu wykazały duże powinowactwo do substancji organicznej węgla (wysoki współczynnik wzbogacenia w popiele) i tendencję do maksymalnej koncentracji w litotypie błyszczącym. Na podstawie wykazanych istotnych korelacji pierwiastków śladowych w litotypach z zawartością popiołu można uznać, że pierwiastki te są głównie obecne w substancji mineralnej węgla.
 
REFERENCES (34)
1.
Bielowicz, B. 2013. Występowanie wybranych pierwiastków szkodliwych w polskim węglu brunatnym. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 29 (3). IGSMiE PAN, Kraków, s. 47–59.
 
2.
Bojakowska i in. 2008 – Bojakowska, I., Lech, D. i Wołkowicz, S. 2008. Uran i tor w węglach kamiennych i brunatnych ze złóż polskich. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 24(2). IGSMiE PAN, Kraków, s. 53–82.
 
3.
Clarke, L.B. 1993. The fate of trace elements during coal combustion and gasification: an overview. Fuel 72, Issue 6, p. 731–736.
 
4.
Dai i in. 2005 – Dai, S., Ren, D., Tang, Y., Yue, M. i Hao, L. 2005. Concentration and distribution of elements in Late Permian coals from western Guizhou Province, China. Internatinal Journal of Coal Geology 61, p. 119–137.
 
5.
Dolnickova i in. 2012 – Dolnickova, D., Drozdova, J., Raclavsky, K. i Juchelkowa, D. 2012. Geochemistry of trace elements in fly ashes from lignite fired power station. Journal of the Polish Mineral Engineering Society, p. 59–68.
 
6.
Duo-xi, Y. i Xia-chen, Z. 2010. The transformation and concentration of environmental hazardous trace elements during coal combustion 16, Issue 1, p. 74–77.
 
7.
Finkelman, R.B. 1994. Modes of occurrence of potentially hazardous elements in coal: levels of confidence. Fuel Processing Technology 39, Issues 1–3, p. 21–34.
 
8.
Finkelman, R.B. 1998. Trace elements in coal. Environmental and Health Significance. U.S. Geological Survey.
 
9.
Goodarzi, F. 2006. Characteristic and composition of fly ashes from Canadian coal-fired power plants. Fuel 85, p. 1418–1427.
 
10.
Hanak i in. 2005 – Hanak, B., Kokowska-Pawłowska, M. i Zajusz-Zubek, E. 2005. Zmienność zawartości pierwiastków śladowych i podrzędnych w litotypach węgla i ich popiołach z wybranych pokładów warstw porębskich. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej nr 1696, seria Górnictwo, z. 268, s. 67–76.
 
11.
Hanak, B. i Kokowska-Pawłowska, M. 2006. Zmienność zawartości pierwiastków śladowych w litotypach węgla i ich popiołach na tle profilów pokładu 630 (GZW). Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 22(3), Kraków, s. 68–77.
 
12.
Hanak, B. i Kokowska-Pawłowska,M. 2007.Wpływ substancji mineralnej na zawartość wybranych pierwiastków śladowych w litotypach węgla z pokładu 308 (KWK Ziemowit). Kwartalnik, seria Górnictwo i Geologia, z. 3, t. 2, Gliwice, s. 31–41.
 
13.
Judowicz i in. 1985 – Judowicz, J.E., Ketris, M.P. i Mierc, A.W. 1985. Eliemienty – primiesi w iskopajemych ugljach. Wyd. 1. Izdat. Nauka Leningrad, 18.
 
14.
Kortenski, J. i Sotriov, A. 2002. Trace andmajor element content and distribution in Neogene lignite from the Sofia Basin, Bulgaria. International Journal of Coal Geology 52, p. 63–82.
 
15.
Kuhl, J. 1980. Substancja mineralna w węglu. Przegląd Górniczy 2, s. 61–66.
 
16.
Lee, J. 1983. Complexation analysis of fresh waters by equilibrium diafiltration. Water Res.
 
17.
Lewińska-Preis i in. 2001 – Lewińska-Preis, L., Biedroń, J. i Fabiańska, M. 2001. Geochemiczna ocena rozkładu stężeń pierwiastków śladowych we frakcjach węgla kamiennego poddanego procesowi bioodsiarczania. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej. Seria: Górnictwo, z. 24.
 
18.
Lewińska-Preis i in 2009 – Lewińska-Preis, L., Fabiańska, M.J., Cmiel, S. i Kita, A. 2009. Geochemical distribution of trace elements in Kaffioyra and Longyearbyen coals, Spitsbergen, Norway. International Journal of Coal Geology 80, s. 211–223.
 
19.
Matl, K. i Twardowski, K. 1996. Rozkład własności fizykochemicznych i technologicznych węgla brunatnego z uwzględnieniem domieszek szkodliwych dla środowiska w południowo-zachodniej części Niżu Polskiego (pokład łużycki II). Wyd. CPPGSMiE. Kraków.
 
20.
Olkuski i in. 2010 – Olkuski, T., Ozga-Blaschke, U. i Stala-Szlugaj, K. 2010. Występowanie fosforu w węglu kamiennym. Gospodarka Surowcami Mineralnymi – Mineral Resources Management 26(1), IGSMiE PAN, Kraków, s. 23–35.
 
21.
Parzentny, H. 1995. Wpływ nieorganicznej substancji mineralnej na zawartość niektórych pierwiastków śladowych w węglu Górnośląskiego Zagłębia Węglowego. Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego nr 1460, Katowice.
 
22.
Pempkowiak, J. 1989. Rozmieszczenie, pochodzenie i własności kwasów humusowych w morzu Bałtyckim. Inst. Oceanol. PAN, Wyd. Ossolineum. Wrocław, 1989.
 
23.
Pesek i in. 2005 – Pesek, J., Benecko, V., Sykorova, I., Vasicek, M., Michna, O. i Martinek, K. 2005. Some trace elements in coal of the Czech Republic, environment and health protection implications. Central Europen Journal of Public Health 10, p. 153–158.
 
24.
Polański, A. 1988. Podstawy Geochemii. Wyd. Geol. Warszawa.
 
25.
Różkowska, A. i Ptak, B. 1995. Pierwiastki podrzędne i śladowe w górnośląskich węglach kamiennych. Przegląd Geologiczny vol. 43, nr 6, s. 478–481.
 
26.
Say-Gee, S. i Wan, H.A. 2011. Concentration and association of minor and trace elements in Mukah coal from Sarawak, Malaysia, with emphasis on the potentially hazardous trace elements. International Journal of Coal Geology 88, Issue 4, p. 179–193.
 
27.
Spears, D. i Zheng, Y. 1999. Geochemistry and origin of elements in some UK coals. International Journal of Coal Geology 38, p. 161–179.
 
28.
Tian i in. 2013 – Tian, H.Z., Lu, L., Hao, J.M., Gao, J.J., Cheng, K., Liu, K.Y., Qiu, P.P. i Zhu, C.Y. 2013. Review of key hazardous trace elements in Chines coals: Abundance, Occurrence, Behaviour during Coal Combustion and their Environmental Impact. Energy Fuels 27, p. 601–614.
 
29.
Widawska-Kuśmierska, J. 1981. Występowanie pierwiastków śladowych w polskich węglach kamiennych. Przegląd Górniczy, nr 7–8, s. 455–459.
 
30.
Winnicki, J. 1973. Występowanie i sposób związania niektórych pierwiastków rzadkich w krajowych węglach kamiennych. Prace Naukowe Instytutu Chemii Nieorganicznej i Metalurgii Pierwiastków Rzadkich. Konferencje nr 8, 1973, s. 3–71.
 
31.
Xu i in. 2003 – Xu, R., Yan, R., Zheng, C. i Qiao, Y. 2003. Status of trace element emission in a coal combustion process: a review. Fuel Proccessing Technology 85, p. 215–237.
 
32.
Yazdi, M. i Shiravani, A. E. 2004. Geochemical properties of coals in the Lushan coalfield of Iran. International Journal of Coal Geology 60, p. 73–79.
 
33.
Yudovich, Y.E. i Ketris, M. P. 2005. Arsenic in coal: a review. International Journal of Coal Geology 61, p. 141–196.
 
34.
Zhang i in. 2004 – Zhang, J., Ren, D., Zhu, Y., Chou, Ch., Zeng, R. i Zheng, B. 2004. Mineral matter and potentially hazardous trace elements in coals from Qianxi Fault Depression Area in southwestern Guizhou, China. International Journal of Coal Geology 57, p. 49–61.
 
eISSN:2299-2324
ISSN:0860-0953