通过一种可持续的螯合方法，将木质生物质灰烬和二氧化碳转化为有价值的资源

《Resources Chemicals and Materials》：Converting woody biomass ash and CO 2 into valuable resources via a sustainable chelation approach

高效利用木质生物质灰烬制备高纯度KHCO3和CaCO3，采用可循环的含CO2 GLDA溶液实现重金属选择性提取与碳封存，显著降低灰烬中Cd、Cu、Pb等重金属含量，并通过温度调控实现溶液再生，适用于生物质发电循环经济体系。

　　本研究聚焦于木质生物质灰的高效利用，旨在推动可持续生物能源系统的建设，并支持低碳循环经济的发展。木质生物质灰是生物质燃烧过程中产生的副产物，其中包含丰富的钙（Ca）和钾（K）等有价值的成分，同时也含有多种重金属，如镉（Cd）、铜（Cu）、砷（As）、铅（Pb）和锌（Zn）。这些重金属具有较高的迁移性，可能对环境和人类健康构成潜在威胁。因此，如何在资源回收与重金属安全处理之间找到平衡，成为当前生物质能产业面临的重要挑战之一。本文提出了一种创新的可持续工艺，利用可回收的富二氧化碳溶液和一种绿色螯合剂——N,N-双（羧甲基）-L-谷氨酸（GLDA），在温和条件下（<100°C，常压）同时实现高纯度钾肥（KHCO?）和工业原料（CaCO?）的生产，为生物质能发电的环境可持续性提供了新的解决方案。

### 生物质能与木质生物质灰的背景

生物质作为一种可再生的能源资源，近年来在全球范围内受到广泛关注。与化石燃料相比，生物质燃烧能够减少温室气体排放，从而对缓解气候变化具有积极作用。然而，生物质燃烧过程中通常会使用床料（如沙子、橄榄石），这些床料在燃烧后会与生物质灰混合，产生大量含有重金属的灰渣。全球范围内，生物质发电厂每年预计会产生约4.8亿吨的灰渣。这些灰渣中含有大量重金属，主要来源于生物质原料本身以及燃烧和处理过程中的化学反应。重金属的高迁移性使得它们在环境中容易扩散，可能污染土壤和地下水，进而对生态系统和人类健康产生不良影响。

为了降低这种风险，通常会将生物质灰填埋在配备专门设施的垃圾场中，例如水屏蔽层和渗滤液处理系统。然而，这种处理方式不仅成本高昂，还需要长期的环境监测以确保安全。此外，随着土地资源的日益紧张，新建垃圾场往往导致自然栖息地的破坏。因此，开发一种既能有效回收生物质灰中的资源，又能安全处理重金属的可持续技术，显得尤为重要。

### 木质生物质灰的资源潜力

尽管生物质灰在环境管理方面存在挑战，但其富含钙和钾等关键元素，使其成为潜在的工业原料和农业肥料。例如，研究显示，木质生物质飞灰中细颗粒（<10 μm）的钾氧化物（K?O）含量可超过20%。这些元素在农业中具有重要价值，钙和钾是植物生长所需的重要营养成分，可用于生产肥料，提升土壤肥力。同时，生物质灰还可用于建筑材料和土壤改良剂，其应用潜力广泛。然而，这些应用受限于重金属去除的难度以及环境风险。传统方法通常需要强酸和电化学手段，但这些方法不仅消耗大量化学品和能源，还会产生废水，对环境和经济成本构成挑战。

### 新型可持续工艺的提出

为了解决上述问题，本文提出了一种新的可持续工艺，该工艺通过结合螯合剂辅助的金属提取与二氧化碳诱导的钙碳酸盐（CaCO?）和钾碳酸盐（KHCO?）的顺序沉淀，实现生物质灰中重金属的高效去除与资源的回收利用。该工艺的核心在于使用一种可回收的富二氧化碳溶液，其中含有绿色螯合剂GLDA。在温和条件下，GLDA能够与生物质灰中的钙和钾形成稳定的络合物，从而促进其溶解并提高提取效率。同时，GLDA对重金属（如铜、铬）具有较强的络合能力，使得这些金属在提取过程中被稳定地保留于溶液中，而非随其他元素一同进入产物。

该工艺分为三个主要步骤。首先，使用含有GLDA和KHCO?的弱碱性溶液（pH≈8）进行金属离子的提取。在反应过程中，GLDA与生物质灰中的钙和钾形成络合物，同时由于KHCO?的溶解，溶液的pH值会升高，促使更多的钾离子进入溶液。其次，将提取后的溶液加热至接近100°C，以降低GLDA与钙的络合稳定性，从而触发钙的碳酸化反应，生成CaCO?沉淀。这一步骤同时促进了溶液的再生，使得其可以再次用于后续的金属提取。第三步，通过向溶液中注入二氧化碳气体，将pH值降至初始水平，促使KHCO?的沉淀。整个过程在五个循环中进行，每次循环中加入新的生物质灰，并通过螯合树脂对提取后的重金属进行回收，实现溶液的再生和资源的循环利用。

### 工艺的可行性与优势

实验结果显示，使用GLDA和KHCO?的混合溶液进行提取，能够显著提高钙和钾的提取效率。例如，在10分钟内，钙的提取量可增加180倍，钾的提取量则提升1.6倍。此外，该工艺能够有效降低生物质灰中的重金属含量，使其达到可安全利用的标准。在五个循环后，重金属的去除率均保持稳定，说明该工艺具有良好的可持续性。通过对产物进行X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析，确认了生成的CaCO?和KHCO?的纯度较高，其中KHCO?的纯度超过99.5%，而CaCO?的纯度约为88%。这些结果表明，该工艺能够实现高效的资源回收，同时确保重金属的稳定去除。

### 生态效益与经济可行性

该工艺不仅能够实现资源的高效回收，还具有显著的生态效益。通过将二氧化碳捕获并转化为CaCO?和KHCO?，该工艺可有效减少温室气体排放。据估计，若全球每年产生4.8亿吨生物质灰，该工艺每年可减少约1440万吨二氧化碳排放，有助于实现生物质能发电的净零或负碳排放目标。此外，通过减少固体废弃物的产生，该工艺还能降低对土地资源的需求，减少对自然环境的破坏。

从经济角度来看，该工艺利用可再生资源（如GLDA和螯合树脂）进行金属提取和溶液再生，降低了化学品和能源的消耗，从而减少了运营成本。同时，该工艺的操作条件较为温和，避免了高温高压带来的设备腐蚀问题，提高了系统的耐用性和维护效率。这些优势使得该工艺在经济上更具可行性，尤其是在大规模生物质能发电项目中，能够实现资源的高效循环利用，推动循环经济的发展。

### 农业应用与植物生长影响

为了评估该工艺生产的KHCO?在农业中的应用潜力，研究人员进行了日本芥菜（Komatsuna）的种植实验。实验中，使用了含K?O和CaO的木质生物质灰，将其转化为KHCO?，并与商业钾肥进行对比。结果显示，使用该工艺生产的KHCO?能够显著提升植物的生长情况，包括干重和叶长的增加。此外，KHCO?的应用还有效抑制了植物对镉和铬的吸收，这可能与高钾浓度或土壤pH值的提升有关。这些结果表明，该工艺生产的KHCO?不仅具有良好的肥效，还能减少重金属对植物的毒害，使其成为传统钾肥的环保替代品。

### 环境与工业应用前景

该工艺在工业和环境领域也展现出广阔的应用前景。通过将生物质灰中的重金属去除，生成的残渣可用于土壤改良或建筑材料的生产，如混凝土添加剂。这些残渣中的钙和钾含量较高，能够有效改善土壤结构，提高土壤肥力。同时，残渣中的重金属主要以Cr(III)等形式存在，其迁移性较低，对环境风险较小。此外，通过螯合树脂对重金属进行回收，可以进一步提高产物的纯度，确保其符合工业和农业的标准。

### 结论与展望

综上所述，本文提出了一种高效的木质生物质灰处理工艺，该工艺通过使用绿色螯合剂GLDA和富二氧化碳溶液，在温和条件下实现了钙和钾的高效提取与沉淀，同时有效去除了重金属，提升了资源回收率和环境安全性。该工艺不仅能够推动生物质能发电的可持续发展，还能为低碳循环经济提供技术支持。未来的研究可以进一步优化螯合剂的使用条件，探索其在不同生物质灰类型中的适用性，并考虑如何将该工艺与生物质发电厂的现有设施相结合，以提高整体效率和经济性。此外，对于可能积累的其他阴离子（如磷酸盐、硫酸盐和氯离子），也可通过阴离子交换树脂等技术进行回收，进一步提升该工艺的资源利用效率。该工艺的推广和应用，将为实现绿色能源发展和环境保护目标提供有力支持。