正向分級淋洗法提取草木灰中鉀鹽的探討

邵文奇，紀力，鐘平，孫春梅陳川，莊春

(江蘇省徐淮地區淮陰農業科學研究所，江蘇淮安223001)

近年來以稻麥秸稈等為主要發電原料的生物質發電廠在全國新興發展起來。以江蘇為例，2006－2008年相繼開工建設了11個秸稈發電項目[1]，截至2010年底已有27臺機組投入運行。這些發電廠在解決能源需求和農田秸稈處理上發揮作用的同時也集中產生了大量的草木灰渣。草木灰雖然在生產上偶有應用，但因其體積龐大，運輸不便，且難以利用，目前并沒有實質意義上的規模化利用途徑，這些大量閑置的草木灰成為亟待處理的固體廢棄物，對社會、環境以及企業構成了負擔和壓力。

草木灰中含有豐富的營養元素(如鉀、磷、鈣、鎂、硅等)，其中含量最多的是鉀元素，一般含鉀6%～12%，其中90%以上是水溶性的[2]。如果將草木灰中的鉀鹽提取出來，將會形成可觀的鉀鹽產量。以草木灰中含鉀量為8%，提取效率為90%計算，每100 t草木灰將會產生6.48 t的鉀鹽。這些鉀鹽即可用作農用鉀肥，也可精提鉀鹽作其他用途。

正向分級淋洗法提取草木灰中鉀鹽，是利用草木灰中鹽分在水中的溶解速度快和水流在草木灰中移動速度慢的特性，在淋洗過程中，草木灰中的鹽分不斷溶入水中，使淋洗液先端部分的溶液濃度逐漸提高直至飽和，其后續部分濃度則漸次降低直至草木灰中可溶鹽全部洗凈。收集先端部分的高濃度淋洗液，進行蒸發濃縮，獲得鉀鹽為主的結晶，可用作農肥，后續排出的中低濃度溶液則排入下一濾池。如此連續進行，則可取得高濃度鉀鹽溶液。

正向分級淋洗法，可以高效簡便的提取可溶鉀鹽，鉀鹽提取過程中出液濃度可以達到15%以上，提取效率可達95%以上，且只需1次洗濾，用水量為草木灰自身重量的4～5倍，只有傳統方法[3]用水量的25%左右。

1 材料與方法

1.1 材料及設備

試驗用草木灰來自江蘇淮安楚州國信生物質發電廠和江蘇宿遷泗陽國信生物質發電廠。

試驗用的設備有2種。裝置1:底面直徑為20 cm，高度為40 cm的圓筒形濾池。裝置2:為深0.95 m，長1.2 m，寬0.95 m的濾池和深1.90 m，長1.2 m，寬0.95 m的濾池各1個(為表述方便，下文統一稱其為低池和高池)。濾池頂部均設有均勻進水及流量控制裝置、濾池底部有濾出液收集裝置以及濾出液鹽濃度檢測裝置。

1.2 試驗方法

實驗室試驗。以裝置1為洗濾池，填充入約40 cm高的草木灰(重約3.5 kg)，采用正向分級淋洗法。從上部注入清水，使其在草木灰中均勻向下洗濾(時室溫為8℃，所測數據均轉換為室溫25℃時的數據)，從濾池底部每500 mL取樣，分別測定其可溶鉀鹽含量，共取樣24次，小規模生產性試驗。將裝置2的低池和高池分別填充入約250 kg和500 kg(高度分別約為83，163 cm)的草木灰，從上部注入清水，使其在草木灰中均勻向下洗濾(時室溫為16℃，所測數據均轉換為室溫25℃時的數據)。在低池和高池底部分別每25，50 kg濾出液取樣1次，分別測定其可溶鉀鹽含量，共取樣22次。

2 結果與分析

2.1 草木灰的主要成分

草木灰主要由水稻小麥秸稈充分燃燒所得，可能摻有少量稻殼和其他物質，2011年4月對試驗用的草木灰進行主要成分構成分析(表1)。草木灰中可溶鹽的陽離子主要有K+，Na+，Ca2+，Mg2+等;陰離子主要有Cl－，SO42－，CO32－，SiO32－，OH－等。

表1 草木灰中各主要成分的含量

2.2 實驗室條件下草木灰中可溶鉀鹽的洗濾效果

2010年3月進行的實驗室試驗，總濾出液為18 130 mL。

在第1次取樣中即第1個500 mL的濾出液中，可溶鉀鹽含量高達21.92%，已經達到飽和狀態，此時已溶出鉀鹽55.08%。在最初的3次測定中，累計溶出鉀鹽172.28 g，累計出鉀鹽率達到86.58%，此時濾出液中平均濃度為11.49%。繼續洗濾，濾出液可溶鉀鹽含量不超過1.65%。當進行第8次取樣時，此時可溶鉀鹽提取效率已達95%以上(圖1)。

圖1 實驗室條件下草木灰中可溶鉀鹽的洗濾效果

將第1次洗濾的前3次濾出液取出并濃縮加工，將后續低濃度濾液進入下一個洗濾中循環過濾，以下過濾過程照此循環進行。則第2次洗濾取出的前3次(每次500 mL)濾出液可溶鉀鹽濃度分別為10.0%、8.4%、3.4%左右，出鉀鹽率分別約為57.2%、24.0%、9.7%，累積出鉀鹽達到90%以上。洗濾總用水量約為15.7 kg，為草木灰自重的4.5倍左右。

2.3 小規模生產草木灰中可溶鉀鹽的洗濾效果

2011年3月使用裝置2進行小規模的生產性試驗，在等截面積的情況下，低池與高池單位濾出液中所含鉀鹽質量基本相等(圖2－3)，說明在相同面積情況下，不同池深(目前的研究表明一般在40～180 cm之間)含鉀鹽溶液濾出過程基本相同。以高池為例，取出的前2次(每次50 kg)濾出液可溶鉀鹽含量分別為26.0%、21.2%左右，累計出鉀鹽率約為58%。此時濾出液質量為100 kg，占干灰重約20%，平均濃度為23.8%。

圖2 等面積不同池深的累計出鉀鹽量

圖3 等面積不同池深的累計出鉀鹽率

從試驗結果可以看出，草木灰中的鹽分多數濃縮在最初排出的濾液中，當濾液排出量達到草木灰重的20%時，濾液平均濃度達到20%左右，濾液所含鹽量占草木灰中總鹽量的60%左右，低池與高池試驗結果趨勢相同。

3 小結與討論

試驗結果表明，草木灰中可溶鹽主要以KCl為主，可以使用正向分級淋洗法提取草木灰中鉀鹽;在提取過程中，草木灰中的鹽分多數濃縮在最初排出的濾液中，當濾液排出量達到草木灰重的20%時，濾液平均濃度達到20%左右，濾液所含鹽量占草木灰中總鹽量的60%左右。

采用正向分級淋洗法收集高濃度濾液后(最初排出的濾液，約占草木灰重的20%)，使其后濾出的低濃度溶液進行循環洗濾，從而可以一直得到高濃度的鉀鹽溶液，在提高效率(濾出鉀鹽可達95%以上)的同時，可以減少洗濾工序，節約用水量(用水量約為草木灰自重的4～5倍)。

有效裝灰高度160 cm，有效容積50 cm3的濾池，水的滲濾速度可以達到4 mm·min－1，可滿足每天40 t的干草木灰的處理能力。

[1]李劍鋒，胡亞山.江蘇省秸稈電廠投資運營狀況分析[J].電力技術經濟，2009，21(5):18－22.

[2]閆皙，張少紅，田月娜，等.從草木灰中提取碳酸鉀問題的探討[J].河北企業，2011(1):89－90.

[3]蘇玉明.草木灰提取三鉀鹽的操作技術[J].熱帶作物科技，1994(1):75－75.