SKŁAD CHEMICZNY POPIOŁÓW Z WĘGLA BRUNATNEGO I KAMIENNEGO W ASPEKCIE ICH ROLNICZEGO ZAGOSPODAROWANIA

Transkrypt

1 ROCZNIKI GLEBOZNAW CZE TOM LIX NR 2 WARSZAWA 2008: STANISŁAW KALEMBASA, AGNIESZKA GODLEWSKA, ANDRZEJ WYSOKIŃSKI SKŁAD CHEMICZNY POPIOŁÓW Z WĘGLA BRUNATNEGO I KAMIENNEGO W ASPEKCIE ICH ROLNICZEGO ZAGOSPODAROWANIA THE CHEMICAL COMPOSITION OF ASHES FROM BROWN COAL AND HARD COAL IN THE CONTEXT OF THEIR AGRICULTURAL UTILIZATION Katedra Gleboznawstwa i Chemii Rolniczej, Wydział Przyrodniczy, Akademia Podlaska w Siedlcach A b stra c t: T h e research p roved the high con ten t o f calciu m and m agnesiu m in a sh es o f brow n and hard coal w hat creates the p o ssib ility o f their u tilization for the neu tralization o f the se w a g e slu d g e s and d e a c id ific a tio n o f the so ils. T h e h igh co n ten t o f p h o sp h o ru s, p o ta ssiu m, so d iu m and so m e m ic r o n u tr ie n ts lik e b o ro n and m o ly b d e n u m w a s fo u n d in ash o f hard c o a l. T h e quantity o f h ea v y m eta ls - cop p er and n ick el are at the sam e le v e l in both a sh es, cad m ium and chrom e w ere higher in ash o f brow n coal but lead and zin c in ash o f hard coal. Słowa kluczow e: p o p ió ł z w ęg la brunatnego i k am ienn ego, m akroelem enty, m etale ciężk ie. K ey w o rd s : ash es from brow n coal and hard coal, m acroelem en ts, h eavy m etals. WSTĘP Przemysł elektroenergetyczny w Polsce wg GUS [2005] zużywa ok. 60 min ton węgla brunatnego i ok. 100 min ton węgla kamiennego do produkcji energii elektrycznej i cieplnej. Uciążliwym produktem spalania węgla - ze względu na dalsze zagospodarowanie - są popioły występujące w postaci żużli lub drobnych frakcji zatrzymywanych przez elektrofiltry. Ilość popiołów powstających w Polsce po spaleniu węgla brunatnego oraz węgla kamiennego wynosi w sumie około 8 min ton. Składowanie olbrzymich ilości tego odpadu na hałdach lub wyrobiskach prowadzi do powstawania obszarów bez pokrywy roślinnej narażonych na erozję [Gilewska, Przybyła 2001; Gilewska 2004], a także stanowi źródło zapylenia i zagrożenia dla wód powierzchniowych i podziemnych [Quant 1997]. W ostatnich latach popioły znajdują zastosowanie w rolnictwie, ochronie środowiska oraz gospodarce komunalnej do zobojętniania kwaśnych ścieków przemysłowych [Pyssa 2005] ze względu na duże właściwości odkwaszające, co pozwala na racjonalne wykorzystanie tych odpadów, jednocześnie ograniczając ich składowane ilości.

2 94 S. Kalembasa, A. Godlewska, A. Wysokiński Według Rozporządzenia Ministra Środowiska w sprawie katalogu odpadów [2001] uboczne produkty spalania (UPS), jakimi są popioły wytwarzane w energetyce, nie są odpadami niebezpiecznymi i możliwe jest ich rolnicze wykorzystanie. Obok dużej zawartości związków odkwaszających glebę w popiołach występują pierwiastki zaliczane do grupy mikroelementów, ważne z punktu widzenia nawożenia oraz jakości otrzymanej biomasy roślin. Jednak w przypadku rolniczego wykorzystania należy zwrócić szczególną uwagę na ich skład chemiczny, który jest zmienny, a zwłaszcza zawartość metali ciężkich. Celem przeprowadzonych badań było określenie zawartości wybranych makro- i mikroelementów w popiołach z węgla brunatnego i kamiennego w aspekcie ich rolniczego wykorzystania. MATERIAŁ I METODY Do badań wykorzystano popioły z węgla brunatnego i węgla kamiennego. Popiół z węgla brunatnego pozyskano ze spalania w elektrowni Pątnów w Koninie, natomiast popiół z węgla kamiennego z zakładu energetycznego PEC w Siedlcach. Próbki popiołów do analiz chemicznych pobierano sześciokrotnie, a następnie oznaczono w nich zawartość wybranych makroelementów i pierwiastków śladowych metodą ICP-AES we wcześniej przygotowanych roztworach. Popiół zalano roztworem HC1 (1:1 z wodą) i odparowano do sucha. Tak przygotowane próbki przeniesiono do kolb miarowych w 10% roztworze HC1 przez sączek twardy [Szczepaniak 1996]. Wyniki oznaczeń opracowano statystycznie wyliczając wartość średnią, minimalną i maksymalną, odchylenie standardowe i współczynnik zmienności. WYNIKI I DYSKUSJA Zawartość wybranych makroelementów w analizowanych popiołach z węgla brunatnego i kamiennego przedstawiono w tabeli 1. W badanych popiołach z węgla brunatnego i kamiennego stwierdzono znaczną ilość wapnia (82,6 i 14,21 g kg-1) i magnezu (4,64 i 4,48 g*kg~ ), co świadczy o silnie alkalicznych właściwościach tych materiałów. Z tego powodu mogą być one wykorzystywane do neutralizacji np. osadów ściekowych [Kalembasa, Wysokiński 1999; Maciejewska, Wrońska 2003; Pyssa 2005] lub do odkwaszania gleb. W popiele z węgla kamiennego stwierdzono znacznie większą ilość sodu, potasu i fosforu w porównaniu z ich zawartością w popiele z węgla brunatnego. Badania innych autorów [Koter i in. 1983; Ciećko i in. 1993] również wskazują na dużą zawartość tych pierwiastków w popicie z węgla kamiennego. Zawartość siarki w popiele z węgla brunatnego była o ponad 50% większa od jej zawartości w popiele z węgla kamiennego. Popioły pochodzące ze spalania węgla zawierają w swoim składzie, oprócz makroelementów stanowiących źródło składników pokarmowych dla roślin, a także działających na glebę odkwaszająco, również pierwiastki śladowe, w tym metale ciężkie (tab. 2). Z badanych m ikroelementów stwierdzono w obu badanych popiołach zbliżoną zawartość żelaza, glinu, manganu, kobaltu, miedzi i niklu. Popiół z węgla brunatnego zawierał znacznie większą niż popiół z węgla kamiennego ilość kadmu, chromu i tytanu, natomiast ilość pozostałych badanych mikropierwiastków (molibdenu, boru, litu, ołowiu i cynku) była wyższa w popiele z węgla kamiennego, co potwierdzają badania innych

3 Skład chemiczny popiołów z węgla brunatnego i kamiennego 95 TABELA 1. Zawartość wybranych makroelementów w popiołach z węgla brunatnego i kamiennego [g kg _I] TABLE 1. The content o f som e macroelements in ashes from brown coal and hard coal [g kg"'] Oznaczany mak roe le ment Determined macroelement Wartości - Values Odchyln. standard. min max średnio average Popiół z węgla brunatnego Ash o f brown coal Standard deviation Fosfor, Phosphorus (P) 0, ,113 0,085 a 0,02 18,8 Potas, Potasium (K ) 0,467 0,824 0,554 a 0,15 27,4 Wapń, Calcium (Ca) 76,0 102,5 82,6 a 11,2 13,6 Magnez, Magnesium (M g) 4,33 5,59 4,64 a 0,53 11,5 Siarka, Sulphur (S) 5,68 9,51 6,72 a 1,57 23,4 Sód, Sodium (N a) 0,017 0,121 0,079 a 0,04 48,7 Popiół z węgla kamiennego Ash o f hard coal Fosfor, Phosphorus (P) 1,57 2,45 2,09 b 1,07 2 2,0 Potas, Potasium (K ) 1,72 4,26 3,14 b 1,30 41,4 Wapń, Calcium (Ca) 12,4 21,4 14,2 b 3,31 23,3 Magnez, Magnesium (M g) 2,55 8,82 4,48 a 2,59 57,9 Siarka, Sulphur (S) 2,56 5,45 3,02 b 1,07 35,6 Sód, Sodium (N a) 1,03 2,22 1,49 b 0,64 42,8 W spółczynnik zmienności Coefficient o f variation [%] a, b - średnie zawartości odpowiednich makroelementów w popiołach z węgla brunatnego i kamiennego oznaczone różnymi literami różnią się istotnie a,b - the average content o f corresponding macroelements in the ashes from brown coal and hard coal marked with different letters differ significantly autorów [Koter i in. 1983]. Według Zięby [1980] oraz Bogacza i wsp. [1995] oznaczana ilość metali ciężkich w popiele z węgla brunatnego nie stanowi zagrożenia dla roślin. Wyliczona wartość współczynnika zmienności dla zawartości makroelementów była stosunkowo niska i wynosiła średnio dla obu popiołów 30,5% (tab. 1). Wartość współczynnika zmienności dla badanych mikroelementów była w większym stopniu zróżnicowana w analizowanych materiałach i wynosiła średnio 20,2% w popiele z węgla brunatnego i 62,7% w popiele z węgla kamiennego. Zmienność składu chemicznego, zwłaszcza metali ciężkich, badanych popiołów z węgla brunatnego i kamiennego wskazuje na konieczność analizowania każdej partii popiołu, a wysokość dawek przy rolniczym ich wykorzystywaniu należy ustalać doświadczalnie [Bogacz i in. 1995]. WNIOSKI 1. Skład chemiczny badanych popiołów z węgla brunatnego i kamiennego wskazuje na możliwości ich wykorzystania w rolnictwie. 2. Wysoka wartość współczynnika zmienności zawartości mikropierwiastków w popiele z węgla kamiennego wskazuje na konieczność monitorowania jego składu chemicznego.

4 96 S. Ka lem bas a, A. Godlewska, A. Wysokiński TABELA 2. Zawartość wybranych mikroelementów i metali ciężkich w popiołach z węgla brunatnego i kamiennego [mg kg '] TABLE 2. The content o f som e microelements and heavy metals in ashes from brown coal and hard coal [mg kg 1] Oznaczany mikroelement Determined microelement Popiół z węgla brunatnego - Wartości - Values Odchyln. standard. min max średnio average Ash o f brown coal Standard deviation W spółczynnik zmienności Coefficient o f variation [%] Bor, Boron (В) 52,3 73,6 60,8 a 10,2 16,8 Żelazo, Iron (Fe) a ,6 Molibden,Molibdenum (M o) 0,412 0,689 0,496 a 0,11 22,6 Mangan, Manganese (Mn) 175,1 242,2 191,1 a 28,6 15,0 Glin, Aluminum (Al) a ,6 Tytan, Titan (Ti) 316,0 527,2 360,4 a 93,2 25,9 Lit, Lithium (Li) 20,0 28,5 22,3 a 3,52 15,8 Kobalt, Cobalt (Co) 10,4 42,0 33,7 a 13,1 39,0 Ołów, Lead (Pb) 13,8 17,6 14,9 a 1,58 10,6 Kadm, Cadmium (Cd) 1,71 2,77 1,98 a 0,44 22,4 Chrom,Chromium (Cr) 57,8 74,8 62,4 a 7,00 11,2 Miedź, Copper (Cu) 23,7 39,1 27,3 a 6,62 24,3 Cynk, Zinc (Zn) 45,0 81,4 53,3 a 15,8 29,6 Nikiel, Nickel (Ni) 18,1 32,1 21,8 a 5,83 26,8 Popiół z węgla kamiennego - Ash o f hard coal Bor, Boron (В) 115,0 274,9 195,0 b 113,1 58,0 Żelazo, Iron (Fe) a ,1 Molibden,Molibdenum (M o) 0,647 6,810 3,068b 32,6 90,0 Mangan, M anganese (Mn) 24,3 434,6 164,2 a 178,7 108,9 Glin, Aluminum (Al) b ,0 Tytan, Titan (Ti) 218,7 226,2 222,3 b 3,10 1,4 Lit, Lithium (Li) 31,1 53,0 44,9 b 12,0 26,8 Kobalt, Cobalt (C o) 18,4 24,0 21,0 a 2,83 13,5 Ołów, Lead (Pb) 65,1 165,7 101,8 b 55,5 54,5 Kadm, Cadmium (Cd) 0, ,301 0,689b 0,515 74,7 Chrom,Chromium (Cr) 3,93 39,90 15,98 b 15,5 96,7 M iedź, C opper (Cu) 5,28 9 0,56 3 2,5 0 a 36,2 111,3 Cynk, Zinc (Zn) 2 09,0 313, ,9 b 57,3 20,8 Nikiel, N ickel (Ni) 3,56 72,0 29,22 a 32,6 111,4 a, b - średnie zawartości odpowiednich mikroelementów w popiołach z węgla brunatnego i kamiennego oznaczone różnymi literami różnią się istotnie a,b - the average content o f corresponding macroelements in the ashes from brown coal and hard coal marked with different letters differ significantly LITERATURA B O G A C Z A., C H O D A K T., SZ E R SZ E Ń L. 1995: Badania nad przydatnością p op io łó w lotnych z elektrow ni O pole do zagospodarow ania rolniczego. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 418: C IE Ć K O Z., N O W A K G., L IS O W S K I J : W ła ś c iw o ś c i f iz y k o c h e m ic z n e g le b y w warunkach stosow ania popiołu z w ęgla kam iennego. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 409: G IL EW SK A M. 2004: R ekultyw acja b iologiczna składow isk popiołow ych z w ęgla brunatnego. Rocz. Glebozn. 55 (2):

5 Skład chemiczny popiołów z węgla brunatnego i kamiennego 97 G ILEW SK A M., P R Z Y B Y Ł A CZ. 2001: W ykorzystanie osadów ściekow ych w rekultywacji składow isk popiołow ych. Zesz. Probl. Post. Nauk Roi. 477: K A L E M B A SA S., W Y SO K IŃ SK I A. 1999: U sing a mixture o f ash from brown coal with w aste-activated sludges as a possibility o f their ecological utilization. Zesz. Nauk. AR w Krakowie 349: K OTER M., C Z A PL A J., N O W A K G. 1983: W artość n aw ozow a popiołu z w ęgla kam iennego. Rocz. Glebozn. 3 4,(3 ): M A C IEJE W SK A A., W R O Ń S K A D. 2003: Zagospodarow anie m ieszanin osad ow o-p op iołow ych w św ietle literatury, obow iązującego prawa i praktyki. W: O bieg pierwiastków w przyrodzie. M onografia. Cz. II: P Y SSA J. 2005: O dpady z energetyki - przem ysłow e zagospodarow anie odpadów z k otłów fluidalnych. Gospodarka surowcami mineralnymi 21 (3): R O Z PO R Z Ą D Z E N IE M IN IST R A ŚR O D O W ISK A w spraw ie katalogu odpadów z dnia 27 w rześnia 2001 roku. Dz. U. nr 112, poz ROCZNIK STA T Y STY C Z N Y RZECZYPOSPOLITEJ POLSKIEJ G łów ny Urząd Statystyczny, W arszawa. R O SIK -D U L E W SK A C. 2007: Podstaw y gospodarki odpadami. W ydaw. N au k ow e PW N, W arszawa. SZC Z EPA N IA K W. 1996: M etody instrumentalne w analizie chem icznej. W ydaw. N au k ow e PW N, W arszawa. Q U A N T В. 1997: W pływ sposobu przetwarzania popiołów na zagrożenie zanieczyszczeniem środow i ska m etalam i ciężkim i. W: G ospodarcze w ykorzystanie p op iołów i gipsu z energetyki. K onf. nauk.- techn. M iędzyzdroje 6-8 listopada: Z IĘBA S. 1980: D otych czasow e w yniki prac nad stosow aniem popiołu z w ęgla brunatnego w naw ożeniu gleb. Międzyn. Czas Roi. (3): Prof. zw. dr hab. Stanisław Kalembasa Katedra Gleboznawstwa i Chemii Rolniczej, Akademia Podlaska ul. B. Prusa 14, Siedlce kalembasa@ap.siedlce.pl