探求煤矸石在栽培基質(zhì)中利用的可行性

1、探求煤矸石在栽培基質(zhì)中利用的可行性煤炭作為我國的主要能源,在其開采過程中產(chǎn)生了大量的煤矸石。在礦區(qū)煤矸石堆積,壓占土地,污染環(huán)境,堵塞河流,誘發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等。一般情況下煤矸石的產(chǎn)出量幾乎占到煤炭產(chǎn)量的15%左右,按此推算陜西省各煤礦每年會有12001500萬t的煤矸石露天堆放。所以,開展煤矸石的合理有效利用研究顯得極為必要。煤矸石同樣是一種自然資源,人們利用酸浸法從煤矸石中獲得了各類無機(jī)高分子絮凝劑材料;利用煤矸石提取腐殖酸,制取肥料添加劑以及各類抗旱劑等;用煤矸石生產(chǎn)水泥、混凝土輕質(zhì)骨料、耐火瓷磚等建筑材料等。盡管煤矸石已開發(fā)的利用途徑很多,但利用量仍極為有限,需進(jìn)一步開發(fā)更廣泛的利用途徑。現(xiàn)

2、代設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展以及以降低城市熱島效應(yīng)為主要目標(biāo)的城市立體綠化、美化工程蓬勃興起,需要大量能夠滿足作物生長的人造栽培基質(zhì)。然而,以工農(nóng)業(yè)及生活廢棄物為主料的栽培基質(zhì)極為有限,難以滿足設(shè)施栽培及城市美化的巨大需求量。煤矸石是一種天然的有機(jī)礦藏資源,富含有機(jī)物質(zhì)和活性腐殖酸,能增加基質(zhì)的蓄水保墑能力,刺激作物生長,滿足栽培基質(zhì)的需求。繼續(xù)深入探求煤矸石在栽培基質(zhì)以及土壤改良中的利用途徑及效應(yīng),對于獲得現(xiàn)代栽培基質(zhì)的替代品,充分利用礦區(qū)資源、改善礦區(qū)生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文初步以煤矸石的比重、水分物理特性研究為切入點(diǎn),探求煤矸石在栽培基質(zhì)中利用的可行性,并依據(jù)其存在的問題探求校正措施,

3、為在栽培基質(zhì)中大量開發(fā)利用煤矸石提供科學(xué)依據(jù)。1 材料與方法供試煤矸石于2012年7月分別采自陜西省彬縣和神木兩地的煤礦,依據(jù)土壤顆?；窘M成,將煤矸石樣品用不銹鋼粉碎機(jī)粉碎,并過1mm篩后備用。試驗(yàn)所用土樣采自關(guān)中 土農(nóng)田耕層020cm,土樣經(jīng)風(fēng)干后磨細(xì)過1mm篩備用,土壤質(zhì)地屬于重壤質(zhì)。試驗(yàn)所用濕潤劑屬于表面活性劑類。從物理特性出發(fā),筆者認(rèn)為煤矸石在栽培基中應(yīng)用的可行性主要涉及比重和水分物理特性,尤其是其斥水性。為此,采用比重瓶法測定煤矸石的比重;采用重鉻酸鉀容量法外加熱法測定煤矸石的有機(jī)質(zhì);采用滴水穿透時(shí)間法(WDPT)測定煤矸石的斥水性。2 結(jié)果與討論2.1 煤矸石的比重比重是物質(zhì)組成

4、的函數(shù),它的大小一方面反映了各地煤矸石的礦物特征以及有機(jī)物含量;另一方面在現(xiàn)代屋頂美化的栽培基質(zhì)中,基質(zhì)的比重是計(jì)算房屋及地基承載量以及基質(zhì)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。比重過大的物質(zhì)會增大房屋及地基的承載量,而比重過小的物質(zhì)在屋頂易發(fā)生風(fēng)蝕,不利于基質(zhì)穩(wěn)定。在設(shè)施栽培中比重小的基質(zhì)不利于固定根系,支撐植株直立等。供試的彬縣煤矸石的比重及基本組成測定結(jié)果見表1,顯示出彬縣煤矸石比重小于神木煤矸石,且兩地煤矸石的比重均小于一般土壤比重的平均值2.65g·cm-3,這既表明煤矸石中有機(jī)物含量占有的份額相對較高,符合選擇栽培基質(zhì)物料的基本要求,同時(shí),也體現(xiàn)著不同煤矸石在產(chǎn)地間的差異性。僅從比重而言

5、,兩地煤矸石均符合栽培基質(zhì)的需求,從有機(jī)物料看彬縣煤矸石作為栽培基質(zhì)要好于神木。本實(shí)驗(yàn)所獲得的兩地煤矸石比重值將作為屋頂栽培基質(zhì)設(shè)計(jì)時(shí)的主要技術(shù)參數(shù)之一,配合其它輕體材料,將構(gòu)成理想比重的栽培基質(zhì)。2.2 煤矸石的斥水性所謂斥水性(water-repellence)是指水分不能或很難濕潤土壤顆粒表面的物理現(xiàn)象,一般用滴水穿透時(shí)間法(Water drop penetration time method,即WDPT)來表示斥水性大小。灑在干燥斥水土壤表面上的水分,較長時(shí)間滯留在地表,不能或難以入滲,或者只能在壓力勢作用下使水分入滲,也難以達(dá)到均勻濕潤。普遍認(rèn)為斥水性是由于土壤中有機(jī)物質(zhì)造成的,如腐

6、殖酸、富里酸和蠟質(zhì)等。在一般園藝栽培基質(zhì)中常用的諸如草炭和樹皮等有機(jī)物料均屬斥水性物質(zhì),因?yàn)檫@類物質(zhì)表面存在著蠟質(zhì)疏水層的緣故。具有斥水性的基質(zhì),對作物生長以及水肥管理效率有嚴(yán)重影響。斥水性的存在,使?jié)补嗨畷r(shí)水分不能或很難均勻濕潤整個(gè)栽培基質(zhì),在基質(zhì)體內(nèi)常產(chǎn)生干域;,影響種子發(fā)芽和作物根系生長,也易使水分沿著盆缽邊緣下滲,匯集在盆底而流失,造成水、肥資源浪費(fèi)。強(qiáng)斥水性基質(zhì)內(nèi)部易發(fā)生干燥化,基質(zhì)表面容易積水,增強(qiáng)土壤表面蒸發(fā)量,影響栽培環(huán)境的空氣濕度。因此,作為一種合格的人工栽培基質(zhì)應(yīng)該是沒有斥水性的(WDPT從上述可知,煤矸石作為有機(jī)礦藏資源,其斥水性是直接影響作為栽培基質(zhì)可行性的重要因素。供

7、試的彬縣和神木兩地煤矸石的斥水性測定結(jié)果詳見表2,顯示彬縣煤矸石具有嚴(yán)重斥水性 (600s≤WDPT≤3 600s)、神木煤矸石具有輕微斥水性(5s≤WDPT≤60s),從斥水性大小可知,彬縣煤矸石又劣于神木煤矸石。煤矸石的斥水性大小似乎與有機(jī)物的含量成相關(guān)關(guān)系,驗(yàn)證了在有機(jī)礦物資源中,高含量的有機(jī)物是造成斥水性的重要原因(參閱表1)。供試煤矸石不同程度的斥水性成為作為栽培基質(zhì)主料的制約因素,在必須以煤矸石為主料,配置栽培基質(zhì)情況下,尋求斥水性的有效改良措施顯得極為重要。2.3 煤矸石斥水性改良措施與效果2.3.1 神木煤矸石斥水性改良煤矸石是作為配置栽培基質(zhì)的主要成分

8、,往往需和其它物料一起搭配,粘土是常用的配料之一。利用粘土顆粒的吸附性和親水性原理,是否可以達(dá)到改善煤矸石斥水性的目的。試驗(yàn)得出,對于具有輕微斥水性的神木煤矸石而言,只需將煤矸石與一定量的耕層土壤摻混,就可以降低煤矸石的斥水性,表3顯示,只要摻土的比例在7.5%以上,就可以使基質(zhì)失去斥水性。進(jìn)一步分析摻土量與煤矸石斥水性的基本關(guān)系,以便確定精確的摻土量。圖1清楚地顯示著WDPT(y)與所摻入耕層土壤量(x)呈顯著負(fù)線性關(guān)系:y=-0.2023x+6.3419。依據(jù)斥水性分級標(biāo)準(zhǔn)(WDPT方案二:向彬縣煤矸石中按比例添加表面活性型濕潤劑,改變煤矸石表面遇水的親和性。試驗(yàn)結(jié)果表明,使用濕潤劑可以有

9、效地改良彬縣煤矸石的斥水性。摻混的方法分為將濕潤粉劑與煤矸石干混和將濕潤劑溶解施入兩種,其結(jié)果分別見表5和表6。表5顯示,使用少量濕潤劑對煤矸石的斥水性具有明顯的改良效果。改良后各處理的斥水性測定結(jié)果(WDPT)值仍在2s以上,這是因?yàn)樯倭款w粒狀的濕潤劑與煤矸石不能充分混合均勻,也表明用采用干混法加入濕潤劑,因難以與煤矸石混合均勻的緣故,達(dá)不到最佳改良斥水性的效果。由表6可知,以溶液的形式,采用濕混法加入濕潤劑,對煤矸石斥水性的改良效果明顯優(yōu)于干混法。由濕混法獲得結(jié)果,水滴入滲時(shí)間(WDPT)的極差均在1s以內(nèi),表明了濕混法使?jié)駶檮┡c煤矸石能夠充分混合均勻,且只需噴灑0.2%的濕潤劑溶液就可以

10、明顯地消除煤矸石的斥水性,極大地節(jié)約了濕潤劑的用量。用濕潤劑改良煤矸石的斥水性,必須考慮其效果的持久性。結(jié)合基質(zhì)栽培期間反復(fù)灌溉,可能會影響到濕潤劑的改良效果,為此,對改良后的煤矸石采用澆灌水量為3倍于煤矸石的灌溉方法,多次淋洗,將經(jīng)淋洗后的煤矸石再于105下烘干,同樣采用滴水穿透法,測定不同次數(shù)淋洗后煤矸石的斥水性變化情況,其結(jié)果如表7所示。由表7中顯示,濕潤劑改良彬縣煤矸石的斥水性在經(jīng)過不同次數(shù)淋洗過程中,均具有較為持久的穩(wěn)定性,其濕潤效果不會因?yàn)榻o基質(zhì)澆水而消失,證明所選用的濕潤劑既可以有效地消除煤矸石的斥水性,而且具有持久性,為彬縣煤矸石在基質(zhì)栽培中的應(yīng)用消除了基本的障礙因素。綜上分析

11、可知:神木煤矸石具有輕微斥水性,摻混一定量的耕層土壤即可有效消除其斥水性。彬縣煤矸石雖具有嚴(yán)重斥水性,但噴灑少量濕潤劑溶液,就能達(dá)到持久改良其斥水性的目的,從而消除在栽培基質(zhì)中應(yīng)用的障礙。3 結(jié)論1)供試的兩地煤矸石比重分別是,彬縣煤矸石平均為1.89g·cm-3,神木煤矸石的比重平均為2.06g·cm-3,均小于一般土壤顆粒比重。2)供試兩種煤矸石均存在著程度不同的斥水性,其中 神 木 煤 矸 石 具 有 輕 微 斥 水 性,只 需 摻 混6.31%以上耕層土壤就可以基本消除斥水性。彬縣煤矸石具有強(qiáng)的斥水性,需要使用濕潤劑才能達(dá)到有效改良斥水性的目的,其中用0.2

12、%的濕潤劑溶液噴灑煤矸石,較使用干粉濕潤劑能夠顯著節(jié)約濕潤劑使用量,實(shí)現(xiàn)了改良斥水性,消除應(yīng)用障礙的目的。同時(shí),改良后的煤矸石不會因灌水而恢復(fù)斥水性,即改良效果較為持久。參 考 文 獻(xiàn):1 王淑霞,魯孟勝,邱法林,等.固體廢棄物的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)分析以兗濟(jì)滕礦區(qū)煤矸石為例J.煤炭企業(yè)管理,2009,21(9):49-54.2 趙生茂,達(dá)生裕.煤矸石可利用的資源J.煤炭企業(yè)管理,2005,(2):53.3 王春華.煤矸石制備無機(jī)高分子絮凝劑的分析J.選煤技術(shù).2005,(1):18-19.4 許旭旦.黃腐酸(FA)研究的意義與成就J.腐植酸.1996,(1):32-34.5 朱寶忠,謝承衛(wèi).煤矸石綜合利用的研究進(jìn)展J.貴州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,24(5):520-525.6 何俊瑜,任艷芳,李亞靈,等.煤矸石作無土栽培基質(zhì)的可行性研究