废弃烟气脱硫活性炭对土壤理化性质的影响

张　超，许　立，梁玉祥

(四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065)



废弃烟气脱硫活性炭对土壤理化性质的影响

张超，许立，梁玉祥

(四川大学 化学工程学院，四川 成都 610065)

[摘要]废弃烟气脱硫活性炭是经烟气处理吸附SO2达饱和而无吸附能力的废弃活性炭材料。为研究废弃烟气脱硫活性炭对土壤理化性质的影响，采用实验室玻璃箱培土，按照不同质量比混合废弃活性炭与土壤，测定土壤持水量、pH值和有效硫含量。结果显示：随着废弃活性炭混入量的增多,土壤持水量和有效硫含量明显增加，pH值则明显降低；不同废弃活性炭含量的土壤，持水量和有效硫含量随时间的变化趋势均是保持上升一段时间达到最大值，而后开始下降到稳定不变，pH值则是随时间小幅度稳定变化。因此，将废弃烟气脱硫活性炭作为硫肥加入土壤，是改善干旱、酸碱度失调和贫瘠土地的有效方法，同时也是废弃活性炭再利用的一个新方向。

长期以来，能源工业排放的烟气，其中包括粉尘、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等有害成分，导致了严重的大气污染。国内外为应对这一问题，研究了各种除尘设备、脱硫装置，以及相应的工艺机理和技术[1-4]。其中，活性炭烟气脱硫脱氮技术是一种既有效又成熟的烟气脱硫脱氮处理技术，在国内外的应用颇为广泛[5-6]。该技术对温度等操作条件要求不高，原材料活性炭的来源广泛、净化烟气效果极佳，具有非常可观的应用价值和商业价值[7]。

活性炭吸附烟气主要是根据微孔结构和表面性质来脱除烟气中的硫、氮等元素。烟气中的SOx和NOx以物理方式吸附到活性炭表面，通过孔通道扩散到微孔内，在微孔表面与氧气或水蒸气结合发生催化氧化反应，生成相应的吸附态化合物，如吸附态水分子、吸附态亚硫酸分子、吸附态硫酸分子等[8]，这些吸附态分子强烈吸附在微孔内部。随着经过通道的分子量增多，通道阻塞、扩散受阻，以及微孔数量减少，使得吸附能力下降，最后达到饱和不再吸附，即不可再使用。那么这种对活性炭一次性的使用，必然造成资源浪费等后果。因此，废弃活性炭的再生和改性是一个亟待解决的重要课题[9-11]。

本试验将废弃烟气脱硫活性炭(以下简称废弃活性炭)按照不同质量比加入土壤中，研究其对土壤理化性质的影响，以期为废弃活性炭材料在土壤方向的应用提供依据，并探索废弃活性炭处理的新途径。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验所取土样来自成都市双流县白家镇周边农田，采取S形布点，取样深度0～20 cm，土样带回实验室后烘干、磨碎，过20 mm筛。废弃活性炭样品是普通烟气脱硫后的活性炭材料。

1.2试验方法

称取质量均为16.00 kg的4种土样放在塑料布上，对照组为100%(质量分数，下同)风干土样，试验组分别是95%风干土样和5%废弃活性炭、90%风干土样和10%废弃活性炭、85%风干土样和15%废弃活性炭。分别加1 000 mL水，混合均匀，连续两次用四分法取出2 kg样品，进行基本理化性质的测定。取样后，装入箱底开有小孔的有机玻璃箱(25 cm×30 cm×30 cm)中，填装高度为20 cm，箱内土壤容重为1.40～1.50 g/cm3，置于室内阴凉通风处待用。对照组与试验组均分别在0(当天)、7、14、21、28、41 d时取样测定。

1.3分析方法

土壤持水量测定采用环刀法[12]，土壤pH值测定采用电位法[12]，土壤有效硫测定采用硫酸钡比浊法[13]。

2结果与分析

2.1废弃活性炭对土壤持水量的影响

土壤水分是植物和土壤微生物生活的基本条件，是土壤养分、矿质元素运移的重要因子，在土壤环境系统的平衡中起着至关重要的作用[14-15]。由图1可看出，土壤中混入废弃活性炭后，土壤持水量呈现差异性变化。同一时间段，随着废弃活性炭含量的增加，土壤持水量增加，即各组按持水量大小排序为15%废弃活性炭组>10%废弃活性炭组>5%废弃活性炭组>对照组，但相邻两组间土壤持水量的增加幅度却呈下降趋势；不同废弃活性炭含量的土壤，其持水量随时间的变化趋势基本相同，均是从试验开始到14 d时呈上升趋势并在14 d达到最大持水量，在14～21 d迅速下降，而后小幅波动、平稳变化。可见，废弃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态H2O分子游离到了土壤中，另一方面是混合后土壤的孔隙结构、黏粒含量改变，使其容重减小、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渐减小，说明土壤的持水量存在阈值[17]，当增大到一定程度土壤持水量饱和。综上所述，活性炭对土壤持水量的上升趋势只保持一段有限的时间，超过时间极限就会下降，并向土壤生态系统动态平衡平稳过渡。因此，废弃活性炭的含量以及作用时间均会对土壤持水量产生相应的影响。

图1　土壤持水量随时间的变化过程

2.2废弃活性炭对土壤pH值的影响

土壤pH值是影响土壤有效养分运移、矿质元素吸收、植物生长的重要因素，是土壤环境质量评估的一个重要化学指标[18]。试验中土壤pH值随时间的变化如图2所示，土壤中混入废弃活性炭对土壤酸碱度有显著改变。同一时间段，随着废弃活性炭含量的增加，土壤pH值变小，即各组按pH值大小排序为15%废弃活性炭组<10%废弃活性炭组<5%废弃活性炭组<对照组；随着时间的变化，前20 d对照组与混入废弃活性炭试验组土壤pH值变化趋势有明显差异，而后20 d趋于一致，并且波动幅度很小，这种趋势尤其在试验组中显示突出。分析原因是，废弃活性炭内含有的大量吸附态化合物进入土壤后，在金属元素、微生物作用下会迅速发生氧化反应，生成大量的H2SO4，同时氧化微生物细菌、真菌的呼吸和新陈代谢作用也会增加酸的含量[19]，因此pH值明显降低。但总体上看，各组的pH值基本在一定值上下稳定波动，无显著变化，主要原因是土壤在应对酸沉降过程中有较强的缓冲能力[20]，并且这种能力随着酸度的不同而改变，所以对加入不同质量比的废弃活性炭均有相应的缓冲能力来使土壤酸碱度维持稳定。

图2　土壤pH值随时间的变化过程

2.3废弃活性炭对土壤有效硫含量的影响

图3　土壤有效硫含量随时间的变化过程

3结论

通过研究分析土壤持水量、pH值和有效硫含量的数据，得到以下结论：

(1)废弃活性炭材料能在添加后的7 d时间内迅速增加土壤持水量，并且废弃活性炭加入量与土壤持水量增加幅度呈正相关，加入量越大，土壤持水量越大。因此，对于干燥、干旱地区，在作物生长需水量较多的发育阶段，适时向土壤里混入适量的废弃活性炭，可以有效地满足作物生长对水分的需求。

(2)废弃活性炭材料对土壤pH值具有直接的影响，并且随着混入量的增加，pH值有规律地下降。因此，对于滨海地区盐碱地或者酸碱度失衡地区，在土壤酸碱缓冲能力范围内，可以根据土壤性质加入适量的废弃活性炭来中和土壤，满足作物对土壤酸碱度的要求，改良土壤性质。

(3)废弃活性炭材料对土壤有效硫含量的影响颇为显著，与对照组相比，试验组土壤有效硫含量高出很多倍，因此将此活性炭材料作为硫肥加入土壤中，一方面可以满足植物对硫的需求，尤其是硫吸收能力较差的牧草类植物，另一方面可以高效地促进植物对氮、磷、钾等元素的吸收，更加利于作物生长。

综上所述，向土壤中加入不同质量比的废弃活性炭材料，均可使土壤养分、土壤酸碱度和土壤微生物等产生不同程度的改变。因此，将废弃活性炭材料作为硫肥有一定的可实施性。这一研究可以在两个方面解决问题：一方面，解决了目前国内结构不合理硫肥的使用问题以及缺硫土地荒废再利用的问题，同时对处于干旱环境下酸碱失衡土地的修复问题有参考作用；另一方面，为废弃活性炭材料的合理利用提供了一种新的有效途径，大大降低了烟气处理的成本。但利用废弃活性炭材料制备硫肥对田间作物生长的综合效应还需要进一步研究。

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(责任编辑徐素霞)

[基金项目]科技部自然科学基金项目(50872085)；科技部国际合作重大项目(2007DFA90570)

[中图分类号]S156.2；TQ424.1

[文献标识码]A

[文章编号]1000-0941(2016)01-0060-04

[作者简介]张超(1990—)，女(满族)，辽宁锦州市人，硕士研究生，主要从事地表创面生态修复技术与材料方面的研究；通信作者梁玉祥(1959—)，男，四川乐山市人，教授，硕士，硕士生导师，主要从事地表创面修复与生态材料研究。

[收稿日期]2015-03-25

[关键词]烟气脱硫；废弃活性炭；土壤理化性质；硫肥