正向分级淋洗法提取草木灰中钾盐的探讨

邵文奇，纪力，钟平，孙春梅陈川，庄春

(江苏省徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏淮安223001)

近年来以稻麦秸秆等为主要发电原料的生物质发电厂在全国新兴发展起来。以江苏为例，2006－2008年相继开工建设了11个秸秆发电项目[1]，截至2010年底已有27台机组投入运行。这些发电厂在解决能源需求和农田秸秆处理上发挥作用的同时也集中产生了大量的草木灰渣。草木灰虽然在生产上偶有应用，但因其体积庞大，运输不便，且难以利用，目前并没有实质意义上的规模化利用途径，这些大量闲置的草木灰成为亟待处理的固体废弃物，对社会、环境以及企业构成了负担和压力。

草木灰中含有丰富的营养元素(如钾、磷、钙、镁、硅等)，其中含量最多的是钾元素，一般含钾6%～12%，其中90%以上是水溶性的[2]。如果将草木灰中的钾盐提取出来，将会形成可观的钾盐产量。以草木灰中含钾量为8%，提取效率为90%计算，每100 t草木灰将会产生6.48 t的钾盐。这些钾盐即可用作农用钾肥，也可精提钾盐作其他用途。

正向分级淋洗法提取草木灰中钾盐，是利用草木灰中盐分在水中的溶解速度快和水流在草木灰中移动速度慢的特性，在淋洗过程中，草木灰中的盐分不断溶入水中，使淋洗液先端部分的溶液浓度逐渐提高直至饱和，其后续部分浓度则渐次降低直至草木灰中可溶盐全部洗净。收集先端部分的高浓度淋洗液，进行蒸发浓缩，获得钾盐为主的结晶，可用作农肥，后续排出的中低浓度溶液则排入下一滤池。如此连续进行，则可取得高浓度钾盐溶液。

正向分级淋洗法，可以高效简便的提取可溶钾盐，钾盐提取过程中出液浓度可以达到15%以上，提取效率可达95%以上，且只需1次洗滤，用水量为草木灰自身重量的4～5倍，只有传统方法[3]用水量的25%左右。

1 材料与方法

1.1 材料及设备

试验用草木灰来自江苏淮安楚州国信生物质发电厂和江苏宿迁泗阳国信生物质发电厂。

试验用的设备有2种。装置1:底面直径为20 cm，高度为40 cm的圆筒形滤池。装置2:为深0.95 m，长1.2 m，宽0.95 m的滤池和深1.90 m，长1.2 m，宽0.95 m的滤池各1个(为表述方便，下文统一称其为低池和高池)。滤池顶部均设有均匀进水及流量控制装置、滤池底部有滤出液收集装置以及滤出液盐浓度检测装置。

1.2 试验方法

实验室试验。以装置1为洗滤池，填充入约40 cm高的草木灰(重约3.5 kg)，采用正向分级淋洗法。从上部注入清水，使其在草木灰中均匀向下洗滤(时室温为8℃，所测数据均转换为室温25℃时的数据)，从滤池底部每500 mL取样，分别测定其可溶钾盐含量，共取样24次，小规模生产性试验。将装置2的低池和高池分别填充入约250 kg和500 kg(高度分别约为83，163 cm)的草木灰，从上部注入清水，使其在草木灰中均匀向下洗滤(时室温为16℃，所测数据均转换为室温25℃时的数据)。在低池和高池底部分别每25，50 kg滤出液取样1次，分别测定其可溶钾盐含量，共取样22次。

2 结果与分析

2.1 草木灰的主要成分

草木灰主要由水稻小麦秸秆充分燃烧所得，可能掺有少量稻壳和其他物质，2011年4月对试验用的草木灰进行主要成分构成分析(表1)。草木灰中可溶盐的阳离子主要有K+，Na+，Ca2+，Mg2+等;阴离子主要有Cl－，SO42－，CO32－，SiO32－，OH－等。

表1 草木灰中各主要成分的含量

2.2 实验室条件下草木灰中可溶钾盐的洗滤效果

2010年3月进行的实验室试验，总滤出液为18 130 mL。

在第1次取样中即第1个500 mL的滤出液中，可溶钾盐含量高达21.92%，已经达到饱和状态，此时已溶出钾盐55.08%。在最初的3次测定中，累计溶出钾盐172.28 g，累计出钾盐率达到86.58%，此时滤出液中平均浓度为11.49%。继续洗滤，滤出液可溶钾盐含量不超过1.65%。当进行第8次取样时，此时可溶钾盐提取效率已达95%以上(图1)。

图1 实验室条件下草木灰中可溶钾盐的洗滤效果

将第1次洗滤的前3次滤出液取出并浓缩加工，将后续低浓度滤液进入下一个洗滤中循环过滤，以下过滤过程照此循环进行。则第2次洗滤取出的前3次(每次500 mL)滤出液可溶钾盐浓度分别为10.0%、8.4%、3.4%左右，出钾盐率分别约为57.2%、24.0%、9.7%，累积出钾盐达到90%以上。洗滤总用水量约为15.7 kg，为草木灰自重的4.5倍左右。

2.3 小规模生产草木灰中可溶钾盐的洗滤效果

2011年3月使用装置2进行小规模的生产性试验，在等截面积的情况下，低池与高池单位滤出液中所含钾盐质量基本相等(图2－3)，说明在相同面积情况下，不同池深(目前的研究表明一般在40～180 cm之间)含钾盐溶液滤出过程基本相同。以高池为例，取出的前2次(每次50 kg)滤出液可溶钾盐含量分别为26.0%、21.2%左右，累计出钾盐率约为58%。此时滤出液质量为100 kg，占干灰重约20%，平均浓度为23.8%。

图2 等面积不同池深的累计出钾盐量

图3 等面积不同池深的累计出钾盐率

从试验结果可以看出，草木灰中的盐分多数浓缩在最初排出的滤液中，当滤液排出量达到草木灰重的20%时，滤液平均浓度达到20%左右，滤液所含盐量占草木灰中总盐量的60%左右，低池与高池试验结果趋势相同。

3 小结与讨论

试验结果表明，草木灰中可溶盐主要以KCl为主，可以使用正向分级淋洗法提取草木灰中钾盐;在提取过程中，草木灰中的盐分多数浓缩在最初排出的滤液中，当滤液排出量达到草木灰重的20%时，滤液平均浓度达到20%左右，滤液所含盐量占草木灰中总盐量的60%左右。

采用正向分级淋洗法收集高浓度滤液后(最初排出的滤液，约占草木灰重的20%)，使其后滤出的低浓度溶液进行循环洗滤，从而可以一直得到高浓度的钾盐溶液，在提高效率(滤出钾盐可达95%以上)的同时，可以减少洗滤工序，节约用水量(用水量约为草木灰自重的4～5倍)。

有效装灰高度160 cm，有效容积50 cm3的滤池，水的渗滤速度可以达到4 mm·min－1，可满足每天40 t的干草木灰的处理能力。

[1]李剑锋，胡亚山.江苏省秸秆电厂投资运营状况分析[J].电力技术经济，2009，21(5):18－22.

[2]闫皙，张少红，田月娜，等.从草木灰中提取碳酸钾问题的探讨[J].河北企业，2011(1):89－90.

[3]苏玉明.草木灰提取三钾盐的操作技术[J].热带作物科技，1994(1):75－75.