張　超，許　立，梁玉祥

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

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廢棄煙氣脫硫活性炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

張超，許立，梁玉祥

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，四川 成都 610065)

[摘要]廢棄煙氣脫硫活性炭是經(jīng)煙氣處理吸附SO2達(dá)飽和而無吸附能力的廢棄活性炭材料。為研究廢棄煙氣脫硫活性炭對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，采用實(shí)驗(yàn)室玻璃箱培土，按照不同質(zhì)量比混合廢棄活性炭與土壤，測(cè)定土壤持水量、pH值和有效硫含量。結(jié)果顯示：隨著廢棄活性炭混入量的增多,土壤持水量和有效硫含量明顯增加，pH值則明顯降低；不同廢棄活性炭含量的土壤，持水量和有效硫含量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)均是保持上升一段時(shí)間達(dá)到最大值，而后開始下降到穩(wěn)定不變，pH值則是隨時(shí)間小幅度穩(wěn)定變化。因此，將廢棄煙氣脫硫活性炭作為硫肥加入土壤，是改善干旱、酸堿度失調(diào)和貧瘠土地的有效方法，同時(shí)也是廢棄活性炭再利用的一個(gè)新方向。

長(zhǎng)期以來，能源工業(yè)排放的煙氣，其中包括粉塵、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等有害成分，導(dǎo)致了嚴(yán)重的大氣污染。國(guó)內(nèi)外為應(yīng)對(duì)這一問題，研究了各種除塵設(shè)備、脫硫裝置，以及相應(yīng)的工藝機(jī)理和技術(shù)[1-4]。其中，活性炭煙氣脫硫脫氮技術(shù)是一種既有效又成熟的煙氣脫硫脫氮處理技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用頗為廣泛[5-6]。該技術(shù)對(duì)溫度等操作條件要求不高，原材料活性炭的來源廣泛、凈化煙氣效果極佳，具有非?？捎^的應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值[7]。

活性炭吸附煙氣主要是根據(jù)微孔結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)來脫除煙氣中的硫、氮等元素。煙氣中的SOx和NOx以物理方式吸附到活性炭表面，通過孔通道擴(kuò)散到微孔內(nèi)，在微孔表面與氧氣或水蒸氣結(jié)合發(fā)生催化氧化反應(yīng)，生成相應(yīng)的吸附態(tài)化合物，如吸附態(tài)水分子、吸附態(tài)亞硫酸分子、吸附態(tài)硫酸分子等[8]，這些吸附態(tài)分子強(qiáng)烈吸附在微孔內(nèi)部。隨著經(jīng)過通道的分子量增多，通道阻塞、擴(kuò)散受阻，以及微孔數(shù)量減少，使得吸附能力下降，最后達(dá)到飽和不再吸附，即不可再使用。那么這種對(duì)活性炭一次性的使用，必然造成資源浪費(fèi)等后果。因此，廢棄活性炭的再生和改性是一個(gè)亟待解決的重要課題[9-11]。

本試驗(yàn)將廢棄煙氣脫硫活性炭(以下簡(jiǎn)稱廢棄活性炭)按照不同質(zhì)量比加入土壤中，研究其對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響，以期為廢棄活性炭材料在土壤方向的應(yīng)用提供依據(jù)，并探索廢棄活性炭處理的新途徑。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所取土樣來自成都市雙流縣白家鎮(zhèn)周邊農(nóng)田，采取S形布點(diǎn)，取樣深度0～20 cm，土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后烘干、磨碎，過20 mm篩。廢棄活性炭樣品是普通煙氣脫硫后的活性炭材料。

1.2試驗(yàn)方法

稱取質(zhì)量均為16.00 kg的4種土樣放在塑料布上，對(duì)照組為100%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)風(fēng)干土樣，試驗(yàn)組分別是95%風(fēng)干土樣和5%廢棄活性炭、90%風(fēng)干土樣和10%廢棄活性炭、85%風(fēng)干土樣和15%廢棄活性炭。分別加1 000 mL水，混合均勻，連續(xù)兩次用四分法取出2 kg樣品，進(jìn)行基本理化性質(zhì)的測(cè)定。取樣后，裝入箱底開有小孔的有機(jī)玻璃箱(25 cm×30 cm×30 cm)中，填裝高度為20 cm，箱內(nèi)土壤容重為1.40～1.50 g/cm3，置于室內(nèi)陰涼通風(fēng)處待用。對(duì)照組與試驗(yàn)組均分別在0(當(dāng)天)、7、14、21、28、41 d時(shí)取樣測(cè)定。

1.3分析方法

土壤持水量測(cè)定采用環(huán)刀法[12]，土壤pH值測(cè)定采用電位法[12]，土壤有效硫測(cè)定采用硫酸鋇比濁法[13]。

2結(jié)果與分析

2.1廢棄活性炭對(duì)土壤持水量的影響

土壤水分是植物和土壤微生物生活的基本條件，是土壤養(yǎng)分、礦質(zhì)元素運(yùn)移的重要因子，在土壤環(huán)境系統(tǒng)的平衡中起著至關(guān)重要的作用[14-15]。由圖1可看出，土壤中混入廢棄活性炭后，土壤持水量呈現(xiàn)差異性變化。同一時(shí)間段，隨著廢棄活性炭含量的增加，土壤持水量增加，即各組按持水量大小排序?yàn)?5%廢棄活性炭組>10%廢棄活性炭組>5%廢棄活性炭組>對(duì)照組，但相鄰兩組間土壤持水量的增加幅度卻呈下降趨勢(shì)；不同廢棄活性炭含量的土壤，其持水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同，均是從試驗(yàn)開始到14 d時(shí)呈上升趨勢(shì)并在14 d達(dá)到最大持水量，在14～21 d迅速下降，而后小幅波動(dòng)、平穩(wěn)變化?？梢?，廢棄活性炭可以增加土壤的持水量。其原因一方面是活性炭中吸附態(tài)H2O分子游離到了土壤中，另一方面是混合后土壤的孔隙結(jié)構(gòu)、黏粒含量改變，使其容重減小、孔隙度升高[16]，增加了土壤保持水分的能力。而持水量增加幅度逐漸減小，說明土壤的持水量存在閾值[17]，當(dāng)增大到一定程度土壤持水量飽和。綜上所述，活性炭對(duì)土壤持水量的上升趨勢(shì)只保持一段有限的時(shí)間，超過時(shí)間極限就會(huì)下降，并向土壤生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)平衡平穩(wěn)過渡。因此，廢棄活性炭的含量以及作用時(shí)間均會(huì)對(duì)土壤持水量產(chǎn)生相應(yīng)的影響。

圖1　土壤持水量隨時(shí)間的變化過程

2.2廢棄活性炭對(duì)土壤pH值的影響

土壤pH值是影響土壤有效養(yǎng)分運(yùn)移、礦質(zhì)元素吸收、植物生長(zhǎng)的重要因素，是土壤環(huán)境質(zhì)量評(píng)估的一個(gè)重要化學(xué)指標(biāo)[18]。試驗(yàn)中土壤pH值隨時(shí)間的變化如圖2所示，土壤中混入廢棄活性炭對(duì)土壤酸堿度有顯著改變。同一時(shí)間段，隨著廢棄活性炭含量的增加，土壤pH值變小，即各組按pH值大小排序?yàn)?5%廢棄活性炭組<10%廢棄活性炭組<5%廢棄活性炭組<對(duì)照組；隨著時(shí)間的變化，前20 d對(duì)照組與混入廢棄活性炭試驗(yàn)組土壤pH值變化趨勢(shì)有明顯差異，而后20 d趨于一致，并且波動(dòng)幅度很小，這種趨勢(shì)尤其在試驗(yàn)組中顯示突出。分析原因是，廢棄活性炭?jī)?nèi)含有的大量吸附態(tài)化合物進(jìn)入土壤后，在金屬元素、微生物作用下會(huì)迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，生成大量的H2SO4，同時(shí)氧化微生物細(xì)菌、真菌的呼吸和新陳代謝作用也會(huì)增加酸的含量[19]，因此pH值明顯降低。但總體上看，各組的pH值基本在一定值上下穩(wěn)定波動(dòng)，無顯著變化，主要原因是土壤在應(yīng)對(duì)酸沉降過程中有較強(qiáng)的緩沖能力[20]，并且這種能力隨著酸度的不同而改變，所以對(duì)加入不同質(zhì)量比的廢棄活性炭均有相應(yīng)的緩沖能力來使土壤酸堿度維持穩(wěn)定。

圖2　土壤pH值隨時(shí)間的變化過程

2.3廢棄活性炭對(duì)土壤有效硫含量的影響

圖3　土壤有效硫含量隨時(shí)間的變化過程

3結(jié)論

通過研究分析土壤持水量、pH值和有效硫含量的數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論：

(1)廢棄活性炭材料能在添加后的7 d時(shí)間內(nèi)迅速增加土壤持水量，并且廢棄活性炭加入量與土壤持水量增加幅度呈正相關(guān)，加入量越大，土壤持水量越大。因此，對(duì)于干燥、干旱地區(qū)，在作物生長(zhǎng)需水量較多的發(fā)育階段，適時(shí)向土壤里混入適量的廢棄活性炭，可以有效地滿足作物生長(zhǎng)對(duì)水分的需求。

(2)廢棄活性炭材料對(duì)土壤pH值具有直接的影響，并且隨著混入量的增加，pH值有規(guī)律地下降。因此，對(duì)于濱海地區(qū)鹽堿地或者酸堿度失衡地區(qū)，在土壤酸堿緩沖能力范圍內(nèi)，可以根據(jù)土壤性質(zhì)加入適量的廢棄活性炭來中和土壤，滿足作物對(duì)土壤酸堿度的要求，改良土壤性質(zhì)。

(3)廢棄活性炭材料對(duì)土壤有效硫含量的影響頗為顯著，與對(duì)照組相比，試驗(yàn)組土壤有效硫含量高出很多倍，因此將此活性炭材料作為硫肥加入土壤中，一方面可以滿足植物對(duì)硫的需求，尤其是硫吸收能力較差的牧草類植物，另一方面可以高效地促進(jìn)植物對(duì)氮、磷、鉀等元素的吸收，更加利于作物生長(zhǎng)。

綜上所述，向土壤中加入不同質(zhì)量比的廢棄活性炭材料，均可使土壤養(yǎng)分、土壤酸堿度和土壤微生物等產(chǎn)生不同程度的改變。因此，將廢棄活性炭材料作為硫肥有一定的可實(shí)施性。這一研究可以在兩個(gè)方面解決問題：一方面，解決了目前國(guó)內(nèi)結(jié)構(gòu)不合理硫肥的使用問題以及缺硫土地荒廢再利用的問題，同時(shí)對(duì)處于干旱環(huán)境下酸堿失衡土地的修復(fù)問題有參考作用；另一方面，為廢棄活性炭材料的合理利用提供了一種新的有效途徑，大大降低了煙氣處理的成本。但利用廢棄活性炭材料制備硫肥對(duì)田間作物生長(zhǎng)的綜合效應(yīng)還需要進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯徐素霞)

[基金項(xiàng)目]科技部自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50872085)；科技部國(guó)際合作重大項(xiàng)目(2007DFA90570)

[中圖分類號(hào)]S156.2；TQ424.1

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1000-0941(2016)01-0060-04

[作者簡(jiǎn)介]張超(1990—)，女(滿族)，遼寧錦州市人，碩士研究生，主要從事地表創(chuàng)面生態(tài)修復(fù)技術(shù)與材料方面的研究；通信作者梁玉祥(1959—)，男，四川樂山市人，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要從事地表創(chuàng)面修復(fù)與生態(tài)材料研究。

[收稿日期]2015-03-25

[關(guān)鍵詞]煙氣脫硫；廢棄活性炭；土壤理化性質(zhì)；硫肥