碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)及其使用方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)及其使用方法，該系統(tǒng)包括反應(yīng)裝置、二氧化碳裝置、Mg/Ca裝置、多功能注入口(NaCl、Na2CO3、NaHCO3溶液及微生物菌液可在此處注入)、pH裝置、無菌過濾器和礦物儲集室，同時設(shè)置有攪拌器和溫控裝置。反應(yīng)裝置中的碳酸鹽礦物在一定壓強、溫度、CO2濃度、Mg/Ca流體、不同濃度NaCl和Na2CO3/NaHCO3溶液及微生物菌液、pH等條件下可發(fā)生白云石化；通過無菌過濾器抽取溶液，測量影響白云石化的參數(shù)；礦物儲集室可獲取生成的礦物。本發(fā)明能夠有助于研究不同壓力、溫度、Mg/Ca、鹽濃度、離子強度及微生物對碳酸鹽礦物白云石化作用的影響。
【專利說明】
碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及碳酸鹽巖礦物分析技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳酸鹽礦物白云石化作用 模擬研究系統(tǒng)及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳酸鹽礦物白云石化的主要理論基礎(chǔ)有準同生白云巖化、蒸發(fā)栗白云巖化、埋藏 白云巖化等。關(guān)于白云石形成的化學反應(yīng)具有熱力學可行性，因此研究者普遍認為白云巖 形成的障礙主要是動力學障礙，主要表現(xiàn)為堿度、鹽度、溫度、壓力、離子強度及微生物作用 等對白云石化的控制。研究者普遍認為，升高的壓力、溫度、鹽度、堿度及微生物作用對于突 破白云石形成的動力學障礙具有十分關(guān)鍵的作用。因此，在現(xiàn)階段碳酸鹽巖研究中，研究者 除了關(guān)注不同濃度Mg 2+與Ca2+的混合溶液，即Mg/Ca比溶液對碳酸鹽礦物性質(zhì)變化的影響 外，壓力、溫度等因素對于碳酸鹽礦物的沉積動力學參數(shù)的影響也成為一個熱點問題。一般 認為方解石等礦物轉(zhuǎn)變?yōu)楹V碳酸鹽礦物的反應(yīng)過程為：
[0003] CaC03+ (1 -X) Mg2+-Mgi-xCax (C03) + (1 -X) Ca2+
[0004] 因此為反應(yīng)提供充足的Mg2+，設(shè)計不同的鹽度、堿度、壓力、溫度及微生物因素等， 使Mg2+、Ca 2+與⑶，反應(yīng)形成白云石是研究過程中必須考慮的問題。在模擬白云巖化過程 中，實驗研究需要一種能夠方便地對碳酸鹽礦物施加壓力，最好能夠同時調(diào)節(jié)鹽度、堿度、 溫度、離子強度及微生物等條件的裝置來摸索碳酸鹽礦物發(fā)生白云石化的條件。
[0005] 目前對于高壓下碳酸鹽礦物研究的主要設(shè)備為反應(yīng)釜，然而該工具存在價格昂 貴、操作復雜、危險系數(shù)高的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種碳酸鹽礦物白云石化作用 模擬研究系統(tǒng)及其使用方法，該系統(tǒng)能夠研究和模擬不同鹽度、堿度、壓力、溫度、離子強度 及微生物條件下對白云石化的控制及作用。
[0007] 本發(fā)明的任務(wù)之一在于提供一種碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)。
[0008] -種碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，其包括反應(yīng)裝置、二氧化碳裝置、 Mg/Ca裝置和pH調(diào)節(jié)裝置，
[0009] 所述反應(yīng)裝置包括反應(yīng)室及包裹在反應(yīng)室外圍的嵌套層，所述嵌套層自內(nèi)而外包 括帶孔耐堿不銹鋼支撐層和封閉控制層，通過控制所述封閉控制層的安裝和拆卸來控制所 述反應(yīng)室的封閉或開放，所述反應(yīng)室由吸水性和透水性良好的材質(zhì)制成，所述反應(yīng)室的頂 部分別設(shè)置有進口一、進口二和進口三，所述進口 一通過管道一與所述二氧化碳裝置連接， 所述進口二通過管道二與所述Mg/Ca裝置連接，所述進口三通過管道三與所述pH調(diào)節(jié)裝置 連接；
[0010]在所述反應(yīng)室的側(cè)上方相對位置處連接有用于使流體循環(huán)的主管道，所述主管道 中部相對位置處連接有用于使流體及礦物顆粒通過的支路管道，在靠近流體出口側(cè)的支路 管道上設(shè)置有水栗，靠近流體回流側(cè)的支路管道上設(shè)置有無菌過濾器，通過無菌過濾器抽 取溶液并測定相關(guān)參數(shù);在所述水栗上方的支路管道設(shè)置有用于注入NaCl、Na2C03、NaHC0 3 溶液及微生物菌液的多功能注入口；在所述無菌過濾器和水栗之間的支路管道下方設(shè)置有 礦物儲集室，所述礦物儲集室與所述支路管道保持相通，所述礦物儲集室由耐堿橡膠材料 制作而成；
[0011]所述反應(yīng)室的底部設(shè)置有攪拌器及調(diào)節(jié)并控制溫度的加熱器。
[0012]作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案，所述Mg/Ca裝置包括濃縮罐，所述濃縮罐內(nèi)盛放不同 Mg/Ca比流體，在所述濃縮罐的底部設(shè)置有加熱板。
[0013] 作為本發(fā)明的另一個優(yōu)選方案，在所述管道一、管道二、管道三上分別設(shè)置有流量 計、壓力計和閥門。
[0014] 優(yōu)選的，所述pH調(diào)節(jié)裝置包括酸液罐和堿液罐，通過調(diào)節(jié)二者的進液量來控制反 應(yīng)室內(nèi)的pH值。
[0015]優(yōu)選的，所述反應(yīng)室是由礦渣或黏土壓制成的圓柱形腔室。
[0016] 優(yōu)選的，所述水栗的抽水流量與所述反應(yīng)室的透水系數(shù)相對應(yīng)。
[0017] 本發(fā)明的另一任務(wù)在于提供上述系統(tǒng)的使用方法。
[0018] 上述碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)的使用方法，依次包括以下步驟：
[0019] a預備實驗步驟，首先將礦物或巖石顆粒處理成納米級和微米級的顆粒，加入反應(yīng) 室后，通過帶孔耐堿不銹鋼支撐層和封閉控制層將反應(yīng)室封閉；接著，打開Mg/Ca裝置的加 熱器流體加熱，使熱的Mg/Ca流體向下滲透;然后通過二氧化碳裝置向反應(yīng)室內(nèi)通入二氧化 碳氣體并維持在較低的壓強下促進礦物、巖石顆粒的溶解，礦物溶解一段時間后打開封閉 控制層，通過pH調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)的pH值;反應(yīng)室內(nèi)環(huán)境呈堿性環(huán)境后再關(guān)閉封閉控 制層，并通過二氧化碳裝置向反應(yīng)室內(nèi)通入二氧化碳氣體升高至實驗要求的壓強，當反應(yīng) 室內(nèi)分壓達到實驗所需條件時，停止通氣；
[0020] b啟動實驗步驟，打開加熱器及攪拌器，達到實驗所需溫度和分壓后，將封閉控制 層移除，此時，反應(yīng)室內(nèi)的顆粒物與流體接觸開始循環(huán)，打開水栗，反應(yīng)室內(nèi)的流體通過主 管道、支路管道開始循環(huán)，此時根據(jù)研究所需的條件通過多功能注入口向循環(huán)流體中加入 NaCl、Na 2C03、NaHC03溶液及微生物菌液來調(diào)控白云石化的進行，反應(yīng)進行一段時間后，通過 無菌過濾器抽取循環(huán)流體并測量相關(guān)參數(shù)，與此同時，循環(huán)流體中形成的礦物顆粒落入所 述礦物儲集室，收集沉淀在礦物儲藏室中的礦物進行下一步的分析研究。
[0021] 通過與反應(yīng)室相連接的二氧化碳裝置、Mg/Ca裝置、pH控制裝置以及多功能注入 口，可以模擬不同壓力、不同溫度，不同離子強度、鹽度、堿度和不同微生物活動等因素對碳 酸鹽巖白云石化作用動力學因素的影響和控制。
[0022] 選用由礦渣或黏土壓制成的圓柱形腔室作為反應(yīng)室，由于其有良好的吸水性和透 水性，方便流體地循環(huán)流動。
[0023] 礦物儲集室由橡膠材料制作而成，可方便刺破礦物儲集室，吸取礦物沉淀隨時展 開分析，本發(fā)明可系統(tǒng)地研究鹽度、堿度、壓力、溫度及微生物活動對白云石化作用動力學 參數(shù)的影響，并且該系統(tǒng)具有安裝方便，操作簡單，多參數(shù)同時研究，方便模擬的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0024] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明：
[0025] 圖1為本發(fā)明研究裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖中，1、反應(yīng)室，2、帶孔耐堿不銹鋼支撐層，3、封閉控制層，4、主管道，5、支路管 道，6，無菌過濾器，7、水栗，8、礦物儲集室，9、攪拌器，10、溫度控制器，11、C0 2氣瓶，12、流量 計，13、壓力計，14、Mg/Ca裝置，15、加熱板，16、流量計，17、18、19、20-閥門，21、酸液罐，22、 堿液罐，23、多功能注入口。
【具體實施方式】
[0027] 本發(fā)明提出了一種碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)及其使用方法，為了使 本發(fā)明的優(yōu)點、技術(shù)方案更加清楚、明確，下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做詳細說明。
[0028]如圖1所示，本發(fā)明碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，主要由反應(yīng)室1、二氧 化碳裝置、Mg/Ca裝置14、pH調(diào)節(jié)裝置和加熱器組成，其中，二氧化碳裝置如C02氣瓶11，通過 它向反應(yīng)室內(nèi)通入氣體并加壓，Mg/Ca裝置14由濃縮罐和位于濃縮罐的底部加熱板15組成， 通過底部的加熱板對Mg/Ca流體濃縮罐內(nèi)的流體進行加熱和濃縮，以滿足實驗所需。pH調(diào)節(jié) 裝置包括酸液罐21和堿液罐22,通過向反應(yīng)室內(nèi)加酸液或堿液來調(diào)節(jié)pH。
[0029] 上述反應(yīng)室1優(yōu)選為圓柱形腔體結(jié)構(gòu)，在它內(nèi)部放置納米級和微米級的礦物或巖 石顆粒，為了使其循環(huán)良好，反應(yīng)室1須由吸水性和透水性良好的材質(zhì)制成，優(yōu)選為由礦渣 或黏土壓制成。在反應(yīng)室的外圍包裹有嵌套層，嵌套層自內(nèi)而外依次為帶孔耐堿不銹鋼支 撐層2和封閉控制層3,封閉控制層可在軸向上拆卸或安裝，通過安裝或拆卸來控制反應(yīng)器 的封閉或開放。在該反應(yīng)室的頂部分別設(shè)置有進口一、進口二和進口三，進口一通過管道一 與⑶ 2氣瓶11連接，在該管道一上設(shè)置有流量計12、壓力計13和閥門17,進口二通過管道二 與Mg/Ca裝置連接，在該管道二上設(shè)置有流量計16和閥門18,進口三通過管道三與pH調(diào)節(jié)裝 置連接，其中管道三分為兩路，一路與酸液罐21連接，另一路與堿液罐22連接，在這兩路管 道上分別設(shè)置有閥門19和閥門20,上述各個閥門、流量計和壓力計具體的作用均是為了控 制進入反應(yīng)室內(nèi)的氣流量以及液流量等。
[0030] 在反應(yīng)室的側(cè)上方相對位置處連接有用于使流體循環(huán)的主管道4,該主管道從反 應(yīng)室側(cè)壁的一端連接在于其相對位置處，形成用于使流體循環(huán)的主管道4,主管道中部相對 位置處連接有用于使流體及礦物顆粒通過的支路管道5，在靠近流體出口側(cè)的支路管道上 設(shè)置有水栗7，靠近流體回流側(cè)的支路管道上設(shè)置有無菌過濾器6，反應(yīng)進行一段時間后可 以通過該無菌過濾器吸取循環(huán)流體來檢測溶液中的離子濃度、pH、堿度等并用于計算礦物 的飽和指數(shù)，具體的相關(guān)參數(shù)如測量Ca 2+、Mg2+、C032' HC03' S〇42_、pH、堿度等，在無菌過濾器 6和水栗7之間的支路管道下方設(shè)置有礦物儲集室8,礦物儲集室與支路管道保持相通，循環(huán) 流體中形成的礦物顆粒落入礦物儲集室中，礦物儲集室8由橡膠材料制作而成，可方便刺破 它對收集到的礦物展開分析研究，在反應(yīng)室的底部設(shè)置有攪拌器9、加熱器及溫度控制器 10;在水栗7的上方支路管道處安裝有多功能注入口 23,可以通過該裝置向循環(huán)流體中加入 不同濃度的NaCl、Na2C03、NaHC0 3溶液及微生物菌液，用來研究不同條件下白云石化作用進 行的程度。
[0031] 上述模擬研究系統(tǒng)的使用方法，依次包括以下步驟：
[0032] 第一步、將礦物或巖石顆粒處理成納米級和微米級的顆粒，加入反應(yīng)室后，通過帶 孔不銹鋼支撐層和封閉控制層將反應(yīng)室封閉；打開Mg/Ca裝置14的加熱板15,使Mg/Ca流體 加熱溫度到一定程度后打開閥門18并觀察流量計16控制Mg/Ca流體的滲透速度，該過程完 成后;然后通過閥門17向反應(yīng)室內(nèi)通入二氧化碳氣體并維持在較低的壓強下存進礦物、巖 石顆粒的溶解，礦物溶解一段時間后打開封閉控制層3,通過pH調(diào)節(jié)裝置19和20調(diào)節(jié)反應(yīng)室 內(nèi)的pH值;反應(yīng)室內(nèi)環(huán)境呈堿性環(huán)境后再關(guān)閉封閉控制層3,并通過閥門17向反應(yīng)室內(nèi)通入 二氧化碳氣體，隨時觀察流量計12和壓力計13,當反應(yīng)室內(nèi)C0 2分壓達到實驗要求條件后關(guān) 閉閥門17,停止通氣；
[0033] 第二步、上述預備實驗過程完成后，打開溫度控制器10和攪拌器9使循環(huán)反應(yīng)流體 達到實驗需求的溫度，此時，移除反應(yīng)室的封閉控制層3,使反應(yīng)室內(nèi)礦物顆粒與循環(huán)反應(yīng) 流體接觸，打開水栗7,使整個裝置內(nèi)的反應(yīng)流體循環(huán)起來，水栗的抽水流量與反應(yīng)室的透 水系數(shù)相對應(yīng)，此階段可以通過多功能注入口 23選擇性地向循環(huán)流體中加入不同種類的微 生物或者不同濃度梯度的NaCl、Na2C03、NaHC0 3溶液；
[0034] 第三步、實驗進行一段時間后，反應(yīng)室內(nèi)的礦物顆粒應(yīng)發(fā)生了性質(zhì)變化，此時可以 利用注射器通過導管上連接的無菌過濾器6吸取循環(huán)流體來檢測溶液中的離子濃度、pH、堿 度等并用于計算礦物的飽和指數(shù)等理化指標，反應(yīng)進行到這個階段，循環(huán)流體中也應(yīng)形成 了部分礦物顆粒，并有較多的顆粒沉淀的礦物儲集室8中，反應(yīng)室中形成白云石后，通過 PHREEQC軟件結(jié)合測量的溶液中的離子濃度，計算白云石的飽和指數(shù)，計算公式為：
[0036]比較不同條件下，白云石化作用發(fā)生時，礦物的飽和指數(shù)的差異，并及時記錄溶液 鹽度、堿度、pH及微生物生長狀況等因素的變化。
[0037]與此同時，循環(huán)流體中形成的礦物顆粒落入所述礦物儲集室，收集沉淀在礦物儲 藏室中的礦物可以收集后進行下一步分析研究。
[0038]需要說明的是，在本說明書的教導下本領(lǐng)域技術(shù)人員所做出的任何等同方式，或 明顯變型方式均應(yīng)在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，其包括反應(yīng)裝置、二氧化碳裝置、Mg/ Ca裝置和pH調(diào)節(jié)裝置，其特征在于： 所述反應(yīng)裝置包括反應(yīng)室及包裹在反應(yīng)室外圍的嵌套層，所述嵌套層自內(nèi)而外包括帶 孔耐堿不銹鋼支撐層和封閉控制層，通過控制所述封閉控制層的安裝和拆卸來控制所述反 應(yīng)室的封閉或開放，所述反應(yīng)室由吸水性和透水性良好的材質(zhì)制成，所述反應(yīng)室的頂部分 別設(shè)置有進口一、進口二和進口三，所述進口一通過管道一與所述二氧化碳裝置連接，所述 進口二通過管道二與所述Mg/Ca裝置連接，所述進口三通過管道三與所述pH調(diào)節(jié)裝置連接； 在所述反應(yīng)室的側(cè)上方相對位置處連接有用于使流體循環(huán)的主管道，所述主管道中部 相對位置處連接有用于使流體及礦物顆粒通過的支路管道，在靠近流體出口側(cè)的支路管道 上設(shè)置有水栗，靠近流體回流側(cè)的支路管道上設(shè)置有無菌過濾器，通過無菌過濾器抽取溶 液并測定相關(guān)參數(shù);在所述水栗上方的支路管道設(shè)置有用于注入NaCl、Na 2C03、NaHC03溶液 及微生物菌液的多功能注入口；在所述無菌過濾器和水栗之間的支路管道下方設(shè)置有礦物 儲集室，所述礦物儲集室與所述支路管道保持相通，所述礦物儲集室由耐堿橡膠材料制作 而成； 所述反應(yīng)室的底部設(shè)置有攪拌器及調(diào)節(jié)并控制溫度的加熱器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，其特征在于：所述 Mg/Ca裝置包括濃縮罐，所述濃縮罐內(nèi)盛放不同Mg/Ca比流體，在所述濃縮罐的底部設(shè)置有 加熱板。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，其特征在于:在所述 管道一、管道二、管道三上分別設(shè)置有流量計、壓力計和閥門。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，其特征在于:所述pH 調(diào)節(jié)裝置包括酸液罐和堿液罐，通過調(diào)節(jié)二者的進液量來控制反應(yīng)室內(nèi)的pH值。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，其特征在于:所述反 應(yīng)室是由礦渣或黏土壓制成的圓柱形腔室。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)，其特征在于:所述水 栗的抽水流量與所述反應(yīng)室的透水系數(shù)相對應(yīng)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的碳酸鹽礦物白云石化作用模擬研究系統(tǒng)的使用方 法，其特征在于，依次包括以下步驟： a預備實驗步驟，首先將礦物或巖石顆粒處理成納米級和微米級的顆粒，加入反應(yīng)室 后，通過帶孔耐堿不銹鋼支撐層和封閉控制層將反應(yīng)室封閉；接著，打開Mg/Ca裝置的加熱 器流體加熱，使熱的Mg/Ca流體向下滲透;然后通過二氧化碳裝置向反應(yīng)室內(nèi)通入二氧化碳 氣體并維持在較低的壓強下促進礦物、巖石顆粒的溶解，礦物溶解一段時間后打開封閉控 制層，通過pH調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)反應(yīng)室內(nèi)的pH值;反應(yīng)室內(nèi)環(huán)境呈堿性環(huán)境后再關(guān)閉封閉控制 層，并通過二氧化碳裝置向反應(yīng)室內(nèi)通入二氧化碳氣體升高至實驗要求的壓強，當反應(yīng)室 內(nèi)分壓達到實驗所需條件時，停止通氣； b啟動實驗步驟，打開加熱器及攪拌器，達到實驗所需溫度和分壓后，將封閉控制層移 除，此時，反應(yīng)室內(nèi)的顆粒物與流體接觸開始循環(huán)，打開水栗，反應(yīng)室內(nèi)的流體通過主管道、 支路管道開始循環(huán)，此時根據(jù)研究所需的條件通過多功能注入口向循環(huán)流體中加入NaCl、 Na2C03、NaHC03溶液及微生物菌液來調(diào)控白云石化的進行，反應(yīng)進行一段時間后，通過無菌
【文檔編號】G01N33/24GK106018751SQ201610513472
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月1日
【發(fā)明人】韓作振, 趙延洋, 閆華曉, 趙輝, 韓梅, 孫彬, 孟瑞瑞, 莊定祥, 李丹
【申請人】山東科技大學