廢棄煙氣脫硫活性炭對土壤理化性質的影響

張　超，許　立，梁玉祥

(四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065)

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廢棄煙氣脫硫活性炭對土壤理化性質的影響

張超，許立，梁玉祥

(四川大學 化學工程學院，四川 成都 610065)

[摘要]廢棄煙氣脫硫活性炭是經煙氣處理吸附SO2達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土壤理化性質的影響，采用實驗室玻璃箱培土，按照不同質量比混合廢棄活性炭與土壤，測定土壤持水量、pH值和有效硫含量。結果顯示：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間的變化趨勢均是保持上升一段時間達到最大值，而后開始下降到穩定不變，pH值則是隨時間小幅度穩定變化。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、酸堿度失調和貧瘠土地的有效方法，同時也是廢棄活性炭再利用的一個新方向。

長期以來，能源工業排放的煙氣，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，導致了嚴重的大氣污染。國內外為應對這一問題，研究了各種除塵設備、脫硫裝置，以及相應的工藝機理和技術[1-4]。其中，活性炭煙氣脫硫脫氮技術是一種既有效又成熟的煙氣脫硫脫氮處理技術，在國內外的應用頗為廣泛[5-6]。該技術對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^的應用價值和商業價值[7]。

活性炭吸附煙氣主要是根據微孔結構和表面性質來脫除煙氣中的硫、氮等元素。煙氣中的SOx和NOx以物理方式吸附到活性炭表面，通過孔通道擴散到微孔內，在微孔表面與氧氣或水蒸氣結合發生催化氧化反應，生成相應的吸附態化合物，如吸附態水分子、吸附態亞硫酸分子、吸附態硫酸分子等[8]，這些吸附態分子強烈吸附在微孔內部。隨著經過通道的分子量增多，通道阻塞、擴散受阻，以及微孔數量減少，使得吸附能力下降，最后達到飽和不再吸附，即不可再使用。那么這種對活性炭一次性的使用，必然造成資源浪費等后果。因此，廢棄活性炭的再生和改性是一個亟待解決的重要課題[9-11]。

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

1材料與方法

1.1試驗材料

本試驗所取土樣來自成都市雙流縣白家鎮周邊農田，采取S形布點，取樣深度0～20 cm，土樣帶回實驗室后烘干、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試驗方法

稱取質量均為16.00 kg的4種土樣放在塑料布上，對照組為100%(質量分數，下同)風干土樣，試驗組分別是95%風干土樣和5%廢棄活性炭、90%風干土樣和10%廢棄活性炭、85%風干土樣和15%廢棄活性炭。分別加1 000 mL水，混合均勻，連續兩次用四分法取出2 kg樣品，進行基本理化性質的測定。取樣后，裝入箱底開有小孔的有機玻璃箱(25 cm×30 cm×30 cm)中，填裝高度為20 cm，箱內土壤容重為1.40～1.50 g/cm3，置于室內陰涼通風處待用。對照組與試驗組均分別在0(當天)、7、14、21、28、41 d時取樣測定。

1.3分析方法

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

2結果與分析

2.1廢棄活性炭對土壤持水量的影響

土壤水分是植物和土壤微生物生活的基本條件，是土壤養分、礦質元素運移的重要因子，在土壤環境系統的平衡中起著至關重要的作用[14-15]。由圖1可看出，土壤中混入廢棄活性炭后，土壤持水量呈現差異性變化。同一時間段，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為15%廢棄活性炭組>10%廢棄活性炭組>5%廢棄活性炭組>對照組，但相鄰兩組間土壤持水量的增加幅度卻呈下降趨勢；不同廢棄活性炭含量的土壤，其持水量隨時間的變化趨勢基本相同，均是從試驗開始到14 d時呈上升趨勢并在14 d達到最大持水量，在14～21 d迅速下降，而后小幅波動、平穩變化?？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H2O分子游離到了土壤中，另一方面是混合后土壤的孔隙結構、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]，當增大到一定程度土壤持水量飽和。綜上所述，活性炭對土壤持水量的上升趨勢只保持一段有限的時間，超過時間極限就會下降，并向土壤生態系統動態平衡平穩過渡。因此，廢棄活性炭的含量以及作用時間均會對土壤持水量產生相應的影響。

圖1　土壤持水量隨時間的變化過程

2.2廢棄活性炭對土壤pH值的影響

土壤pH值是影響土壤有效養分運移、礦質元素吸收、植物生長的重要因素，是土壤環境質量評估的一個重要化學指標[18]。試驗中土壤pH值隨時間的變化如圖2所示，土壤中混入廢棄活性炭對土壤酸堿度有顯著改變。同一時間段，隨著廢棄活性炭含量的增加，土壤pH值變小，即各組按pH值大小排序為15%廢棄活性炭組<10%廢棄活性炭組<5%廢棄活性炭組<對照組；隨著時間的變化，前20 d對照組與混入廢棄活性炭試驗組土壤pH值變化趨勢有明顯差異，而后20 d趨于一致，并且波動幅度很小，這種趨勢尤其在試驗組中顯示突出。分析原因是，廢棄活性炭內含有的大量吸附態化合物進入土壤后，在金屬元素、微生物作用下會迅速發生氧化反應，生成大量的H2SO4，同時氧化微生物細菌、真菌的呼吸和新陳代謝作用也會增加酸的含量[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定波動，無顯著變化，主要原因是土壤在應對酸沉降過程中有較強的緩沖能力[20]，并且這種能力隨著酸度的不同而改變，所以對加入不同質量比的廢棄活性炭均有相應的緩沖能力來使土壤酸堿度維持穩定。

圖2　土壤pH值隨時間的變化過程

2.3廢棄活性炭對土壤有效硫含量的影響

圖3　土壤有效硫含量隨時間的變化過程

3結論

通過研究分析土壤持水量、pH值和有效硫含量的數據，得到以下結論：

(1)廢棄活性炭材料能在添加后的7 d時間內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，加入量越大，土壤持水量越大。因此，對于干燥、干旱地區，在作物生長需水量較多的發育階段，適時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對水分的需求。

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

(3)廢棄活性炭材料對土壤有效硫含量的影響頗為顯著，與對照組相比，試驗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植物對氮、磷、鉀等元素的吸收，更加利于作物生長。

綜上所述，向土壤中加入不同質量比的廢棄活性炭材料，均可使土壤養分、土壤酸堿度和土壤微生物等產生不同程度的改變。因此，將廢棄活性炭材料作為硫肥有一定的可實施性。這一研究可以在兩個方面解決問題：一方面，解決了目前國內結構不合理硫肥的使用問題以及缺硫土地荒廢再利用的問題，同時對處于干旱環境下酸堿失衡土地的修復問題有參考作用；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田間作物生長的綜合效應還需要進一步研究。

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(責任編輯徐素霞)

[基金項目]科技部自然科學基金項目(50872085)；科技部國際合作重大項目(2007DFA90570)

[中圖分類號]S156.2；TQ424.1

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-0941(2016)01-0060-04

[作者簡介]張超(1990—)，女(滿族)，遼寧錦州市人，碩士研究生，主要從事地表創面生態修復技術與材料方面的研究；通信作者梁玉祥(1959—)，男，四川樂山市人，教授，碩士，碩士生導師，主要從事地表創面修復與生態材料研究。

[收稿日期]2015-03-25

[關鍵詞]煙氣脫硫；廢棄活性炭；土壤理化性質；硫肥