碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统及其使用方法
【专利摘要】本发明公开了一种碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统及其使用方法，该系统包括反应装置、二氧化碳装置、Mg/Ca装置、多功能注入口(NaCl、Na2CO3、NaHCO3溶液及微生物菌液可在此处注入)、pH装置、无菌过滤器和矿物储集室，同时设置有搅拌器和温控装置。反应装置中的碳酸盐矿物在一定压强、温度、CO2浓度、Mg/Ca流体、不同浓度NaCl和Na2CO3/NaHCO3溶液及微生物菌液、pH等条件下可发生白云石化；通过无菌过滤器抽取溶液，测量影响白云石化的参数；矿物储集室可获取生成的矿物。本发明能够有助于研究不同压力、温度、Mg/Ca、盐浓度、离子强度及微生物对碳酸盐矿物白云石化作用的影响。
【专利说明】
碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统及其使用方法
技术领域
[0001] 本发明涉及碳酸盐岩矿物分析技术领域，具体涉及一种碳酸盐矿物白云石化作用 模拟研究系统及其使用方法。
【背景技术】
[0002] 碳酸盐矿物白云石化的主要理论基础有准同生白云岩化、蒸发栗白云岩化、埋藏 白云岩化等。关于白云石形成的化学反应具有热力学可行性，因此研究者普遍认为白云岩 形成的障碍主要是动力学障碍，主要表现为碱度、盐度、温度、压力、离子强度及微生物作用 等对白云石化的控制。研究者普遍认为，升高的压力、温度、盐度、碱度及微生物作用对于突 破白云石形成的动力学障碍具有十分关键的作用。因此，在现阶段碳酸盐岩研究中，研究者 除了关注不同浓度Mg 2+与Ca2+的混合溶液，即Mg/Ca比溶液对碳酸盐矿物性质变化的影响 外，压力、温度等因素对于碳酸盐矿物的沉积动力学参数的影响也成为一个热点问题。一般 认为方解石等矿物转变为含镁碳酸盐矿物的反应过程为：
[0003] CaC03+ (1 -X) Mg2+-Mgi-xCax (C03) + (1 -X) Ca2+
[0004] 因此为反应提供充足的Mg2+，设计不同的盐度、碱度、压力、温度及微生物因素等， 使Mg2+、Ca 2+与⑶，反应形成白云石是研究过程中必须考虑的问题。在模拟白云岩化过程 中，实验研究需要一种能够方便地对碳酸盐矿物施加压力，最好能够同时调节盐度、碱度、 温度、离子强度及微生物等条件的装置来摸索碳酸盐矿物发生白云石化的条件。
[0005] 目前对于高压下碳酸盐矿物研究的主要设备为反应釜，然而该工具存在价格昂 贵、操作复杂、危险系数高的缺陷。
【发明内容】
[0006] 为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提出了一种碳酸盐矿物白云石化作用 模拟研究系统及其使用方法，该系统能够研究和模拟不同盐度、碱度、压力、温度、离子强度 及微生物条件下对白云石化的控制及作用。
[0007] 本发明的任务之一在于提供一种碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统。
[0008] -种碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，其包括反应装置、二氧化碳装置、 Mg/Ca装置和pH调节装置，
[0009] 所述反应装置包括反应室及包裹在反应室外围的嵌套层，所述嵌套层自内而外包 括带孔耐碱不锈钢支撑层和封闭控制层，通过控制所述封闭控制层的安装和拆卸来控制所 述反应室的封闭或开放，所述反应室由吸水性和透水性良好的材质制成，所述反应室的顶 部分别设置有进口一、进口二和进口三，所述进口 一通过管道一与所述二氧化碳装置连接， 所述进口二通过管道二与所述Mg/Ca装置连接，所述进口三通过管道三与所述pH调节装置 连接；
[0010]在所述反应室的侧上方相对位置处连接有用于使流体循环的主管道，所述主管道 中部相对位置处连接有用于使流体及矿物颗粒通过的支路管道，在靠近流体出口侧的支路 管道上设置有水栗，靠近流体回流侧的支路管道上设置有无菌过滤器，通过无菌过滤器抽 取溶液并测定相关参数;在所述水栗上方的支路管道设置有用于注入NaCl、Na2C03、NaHC0 3 溶液及微生物菌液的多功能注入口；在所述无菌过滤器和水栗之间的支路管道下方设置有 矿物储集室，所述矿物储集室与所述支路管道保持相通，所述矿物储集室由耐碱橡胶材料 制作而成；
[0011]所述反应室的底部设置有搅拌器及调节并控制温度的加热器。
[0012]作为本发明的一个优选方案，所述Mg/Ca装置包括浓缩罐，所述浓缩罐内盛放不同 Mg/Ca比流体，在所述浓缩罐的底部设置有加热板。
[0013] 作为本发明的另一个优选方案，在所述管道一、管道二、管道三上分别设置有流量 计、压力计和阀门。
[0014] 优选的，所述pH调节装置包括酸液罐和碱液罐，通过调节二者的进液量来控制反 应室内的pH值。
[0015]优选的，所述反应室是由矿渣或黏土压制成的圆柱形腔室。
[0016] 优选的，所述水栗的抽水流量与所述反应室的透水系数相对应。
[0017] 本发明的另一任务在于提供上述系统的使用方法。
[0018] 上述碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统的使用方法，依次包括以下步骤：
[0019] a预备实验步骤，首先将矿物或岩石颗粒处理成纳米级和微米级的颗粒，加入反应 室后，通过带孔耐碱不锈钢支撑层和封闭控制层将反应室封闭；接着，打开Mg/Ca装置的加 热器流体加热，使热的Mg/Ca流体向下渗透;然后通过二氧化碳装置向反应室内通入二氧化 碳气体并维持在较低的压强下促进矿物、岩石颗粒的溶解，矿物溶解一段时间后打开封闭 控制层，通过pH调节装置调节反应室内的pH值;反应室内环境呈碱性环境后再关闭封闭控 制层，并通过二氧化碳装置向反应室内通入二氧化碳气体升高至实验要求的压强，当反应 室内分压达到实验所需条件时，停止通气；
[0020] b启动实验步骤，打开加热器及搅拌器，达到实验所需温度和分压后，将封闭控制 层移除，此时，反应室内的颗粒物与流体接触开始循环，打开水栗，反应室内的流体通过主 管道、支路管道开始循环，此时根据研究所需的条件通过多功能注入口向循环流体中加入 NaCl、Na 2C03、NaHC03溶液及微生物菌液来调控白云石化的进行，反应进行一段时间后，通过 无菌过滤器抽取循环流体并测量相关参数，与此同时，循环流体中形成的矿物颗粒落入所 述矿物储集室，收集沉淀在矿物储藏室中的矿物进行下一步的分析研究。
[0021] 通过与反应室相连接的二氧化碳装置、Mg/Ca装置、pH控制装置以及多功能注入 口，可以模拟不同压力、不同温度，不同离子强度、盐度、碱度和不同微生物活动等因素对碳 酸盐岩白云石化作用动力学因素的影响和控制。
[0022] 选用由矿渣或黏土压制成的圆柱形腔室作为反应室，由于其有良好的吸水性和透 水性，方便流体地循环流动。
[0023] 矿物储集室由橡胶材料制作而成，可方便刺破矿物储集室，吸取矿物沉淀随时展 开分析，本发明可系统地研究盐度、碱度、压力、温度及微生物活动对白云石化作用动力学 参数的影响，并且该系统具有安装方便，操作简单，多参数同时研究，方便模拟的优点。
【附图说明】
[0024] 下面结合附图对本发明做进一步说明：
[0025] 图1为本发明研究装置的结构示意图；
[0026] 图中，1、反应室，2、带孔耐碱不锈钢支撑层，3、封闭控制层，4、主管道，5、支路管 道，6，无菌过滤器，7、水栗，8、矿物储集室，9、搅拌器，10、温度控制器，11、C0 2气瓶，12、流量 计，13、压力计，14、Mg/Ca装置，15、加热板，16、流量计，17、18、19、20-阀门，21、酸液罐，22、 碱液罐，23、多功能注入口。
【具体实施方式】
[0027] 本发明提出了一种碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统及其使用方法，为了使 本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明。
[0028]如图1所示，本发明碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，主要由反应室1、二氧 化碳装置、Mg/Ca装置14、pH调节装置和加热器组成，其中，二氧化碳装置如C02气瓶11，通过 它向反应室内通入气体并加压，Mg/Ca装置14由浓缩罐和位于浓缩罐的底部加热板15组成， 通过底部的加热板对Mg/Ca流体浓缩罐内的流体进行加热和浓缩，以满足实验所需。pH调节 装置包括酸液罐21和碱液罐22,通过向反应室内加酸液或碱液来调节pH。
[0029] 上述反应室1优选为圆柱形腔体结构，在它内部放置纳米级和微米级的矿物或岩 石颗粒，为了使其循环良好，反应室1须由吸水性和透水性良好的材质制成，优选为由矿渣 或黏土压制成。在反应室的外围包裹有嵌套层，嵌套层自内而外依次为带孔耐碱不锈钢支 撑层2和封闭控制层3,封闭控制层可在轴向上拆卸或安装，通过安装或拆卸来控制反应器 的封闭或开放。在该反应室的顶部分别设置有进口一、进口二和进口三，进口一通过管道一 与⑶ 2气瓶11连接，在该管道一上设置有流量计12、压力计13和阀门17,进口二通过管道二 与Mg/Ca装置连接，在该管道二上设置有流量计16和阀门18,进口三通过管道三与pH调节装 置连接，其中管道三分为两路，一路与酸液罐21连接，另一路与碱液罐22连接，在这两路管 道上分别设置有阀门19和阀门20,上述各个阀门、流量计和压力计具体的作用均是为了控 制进入反应室内的气流量以及液流量等。
[0030] 在反应室的侧上方相对位置处连接有用于使流体循环的主管道4,该主管道从反 应室侧壁的一端连接在于其相对位置处，形成用于使流体循环的主管道4,主管道中部相对 位置处连接有用于使流体及矿物颗粒通过的支路管道5，在靠近流体出口侧的支路管道上 设置有水栗7，靠近流体回流侧的支路管道上设置有无菌过滤器6，反应进行一段时间后可 以通过该无菌过滤器吸取循环流体来检测溶液中的离子浓度、pH、碱度等并用于计算矿物 的饱和指数，具体的相关参数如测量Ca 2+、Mg2+、C032' HC03' S〇42_、pH、碱度等，在无菌过滤器 6和水栗7之间的支路管道下方设置有矿物储集室8,矿物储集室与支路管道保持相通，循环 流体中形成的矿物颗粒落入矿物储集室中，矿物储集室8由橡胶材料制作而成，可方便刺破 它对收集到的矿物展开分析研究，在反应室的底部设置有搅拌器9、加热器及温度控制器 10;在水栗7的上方支路管道处安装有多功能注入口 23,可以通过该装置向循环流体中加入 不同浓度的NaCl、Na2C03、NaHC0 3溶液及微生物菌液，用来研究不同条件下白云石化作用进 行的程度。
[0031] 上述模拟研究系统的使用方法，依次包括以下步骤：
[0032] 第一步、将矿物或岩石颗粒处理成纳米级和微米级的颗粒，加入反应室后，通过带 孔不锈钢支撑层和封闭控制层将反应室封闭；打开Mg/Ca装置14的加热板15,使Mg/Ca流体 加热温度到一定程度后打开阀门18并观察流量计16控制Mg/Ca流体的渗透速度，该过程完 成后;然后通过阀门17向反应室内通入二氧化碳气体并维持在较低的压强下存进矿物、岩 石颗粒的溶解，矿物溶解一段时间后打开封闭控制层3,通过pH调节装置19和20调节反应室 内的pH值;反应室内环境呈碱性环境后再关闭封闭控制层3,并通过阀门17向反应室内通入 二氧化碳气体，随时观察流量计12和压力计13,当反应室内C0 2分压达到实验要求条件后关 闭阀门17,停止通气；
[0033] 第二步、上述预备实验过程完成后，打开温度控制器10和搅拌器9使循环反应流体 达到实验需求的温度，此时，移除反应室的封闭控制层3,使反应室内矿物颗粒与循环反应 流体接触，打开水栗7,使整个装置内的反应流体循环起来，水栗的抽水流量与反应室的透 水系数相对应，此阶段可以通过多功能注入口 23选择性地向循环流体中加入不同种类的微 生物或者不同浓度梯度的NaCl、Na2C03、NaHC0 3溶液；
[0034] 第三步、实验进行一段时间后，反应室内的矿物颗粒应发生了性质变化，此时可以 利用注射器通过导管上连接的无菌过滤器6吸取循环流体来检测溶液中的离子浓度、pH、碱 度等并用于计算矿物的饱和指数等理化指标，反应进行到这个阶段，循环流体中也应形成 了部分矿物颗粒，并有较多的颗粒沉淀的矿物储集室8中，反应室中形成白云石后，通过 PHREEQC软件结合测量的溶液中的离子浓度，计算白云石的饱和指数，计算公式为：
[0036]比较不同条件下，白云石化作用发生时，矿物的饱和指数的差异，并及时记录溶液 盐度、碱度、pH及微生物生长状况等因素的变化。
[0037]与此同时，循环流体中形成的矿物颗粒落入所述矿物储集室，收集沉淀在矿物储 藏室中的矿物可以收集后进行下一步分析研究。
[0038]需要说明的是，在本说明书的教导下本领域技术人员所做出的任何等同方式，或 明显变型方式均应在本发明的保护范围内。
【主权项】
1. 一种碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，其包括反应装置、二氧化碳装置、Mg/ Ca装置和pH调节装置，其特征在于： 所述反应装置包括反应室及包裹在反应室外围的嵌套层，所述嵌套层自内而外包括带 孔耐碱不锈钢支撑层和封闭控制层，通过控制所述封闭控制层的安装和拆卸来控制所述反 应室的封闭或开放，所述反应室由吸水性和透水性良好的材质制成，所述反应室的顶部分 别设置有进口一、进口二和进口三，所述进口一通过管道一与所述二氧化碳装置连接，所述 进口二通过管道二与所述Mg/Ca装置连接，所述进口三通过管道三与所述pH调节装置连接； 在所述反应室的侧上方相对位置处连接有用于使流体循环的主管道，所述主管道中部 相对位置处连接有用于使流体及矿物颗粒通过的支路管道，在靠近流体出口侧的支路管道 上设置有水栗，靠近流体回流侧的支路管道上设置有无菌过滤器，通过无菌过滤器抽取溶 液并测定相关参数;在所述水栗上方的支路管道设置有用于注入NaCl、Na 2C03、NaHC03溶液 及微生物菌液的多功能注入口；在所述无菌过滤器和水栗之间的支路管道下方设置有矿物 储集室，所述矿物储集室与所述支路管道保持相通，所述矿物储集室由耐碱橡胶材料制作 而成； 所述反应室的底部设置有搅拌器及调节并控制温度的加热器。2. 根据权利要求1所述的碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，其特征在于：所述 Mg/Ca装置包括浓缩罐，所述浓缩罐内盛放不同Mg/Ca比流体，在所述浓缩罐的底部设置有 加热板。3. 根据权利要求1所述的碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，其特征在于:在所述 管道一、管道二、管道三上分别设置有流量计、压力计和阀门。4. 根据权利要求1所述的碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，其特征在于:所述pH 调节装置包括酸液罐和碱液罐，通过调节二者的进液量来控制反应室内的pH值。5. 根据权利要求1所述的碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，其特征在于:所述反 应室是由矿渣或黏土压制成的圆柱形腔室。6. 根据权利要求1所述的碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统，其特征在于:所述水 栗的抽水流量与所述反应室的透水系数相对应。7. 根据权利要求1-6任一项所述的碳酸盐矿物白云石化作用模拟研究系统的使用方 法，其特征在于，依次包括以下步骤： a预备实验步骤，首先将矿物或岩石颗粒处理成纳米级和微米级的颗粒，加入反应室 后，通过带孔耐碱不锈钢支撑层和封闭控制层将反应室封闭；接着，打开Mg/Ca装置的加热 器流体加热，使热的Mg/Ca流体向下渗透;然后通过二氧化碳装置向反应室内通入二氧化碳 气体并维持在较低的压强下促进矿物、岩石颗粒的溶解，矿物溶解一段时间后打开封闭控 制层，通过pH调节装置调节反应室内的pH值;反应室内环境呈碱性环境后再关闭封闭控制 层，并通过二氧化碳装置向反应室内通入二氧化碳气体升高至实验要求的压强，当反应室 内分压达到实验所需条件时，停止通气； b启动实验步骤，打开加热器及搅拌器，达到实验所需温度和分压后，将封闭控制层移 除，此时，反应室内的颗粒物与流体接触开始循环，打开水栗，反应室内的流体通过主管道、 支路管道开始循环，此时根据研究所需的条件通过多功能注入口向循环流体中加入NaCl、 Na2C03、NaHC03溶液及微生物菌液来调控白云石化的进行，反应进行一段时间后，通过无菌
【文档编号】G01N33/24GK106018751SQ201610513472
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月1日
【发明人】韩作振, 赵延洋, 闫华晓, 赵辉, 韩梅, 孙彬, 孟瑞瑞, 庄定祥, 李丹
【申请人】山东科技大学