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研究通过批次水洗和高压灭菌实验，探讨预处理对降低象草无机元素及灰分含量的影响。结果表明，40-60℃热板洗涤30分钟可有效去除97-98%的钾、84-90%的钠及83-92%的磷，灰分减少38-51%。动力学分析显示无机元素去除遵循二级动力学，活化能为2.90-4.90 kJ·mol?1·K?1。推荐40-60℃处理30分钟，平衡去除效率与能耗，改善燃烧性能。
洛维莎·潘杜莱尼·约翰内斯（Lovisa Panduleni Johannes）| 陈丹轩（Tran Dang Xuan）| 中野明子（Nakano Akiko）| 萨赫德·哈桑（Sahed Hasan）| 阮氏海安（Thi-Hai Anh Nguyen）| 阮文婷（Nguyen Van Thinh）
广岛大学高等科学与工程学院跨学科科学与工程项目，日本广岛东区镜山1-3-2，邮编739-0046
摘要
象草（Elephant Grass，简称EG）是一种高产量的多年生能源作物，越来越多地被用于生产颗粒燃料以供热能和电力生产。然而，其较高的无机物和灰分含量在燃烧过程中会导致结渣和污染问题。本研究探讨了通过水预处理来浸出EG中的无机元素的方法。实验在25、40、60和80°C下进行批次水洗，持续时间为5-180分钟；同时也在80-200°C的密封水热条件下使用高压釜进行了初步筛选实验，以评估温度升高对碱金属去除效果的影响。水洗实验结果显示，无机物的去除效率依次为：钾（K）（97-98%）> 钠（Na）（84-90%）> 磷（P）（83-92%）> 镁（Mg）（62-79%）> 锰（Mn）（48-69%）> 钙（Ca）（20-41%）；而灰分的去除效率为38-51%。高压釜水热处理几乎可以完全去除碱金属，钾的去除率超过99%，钠的含量降至检测限以下。但由于这种方法能耗较高，不太适合大规模应用，因此主要关注了水洗实验的结果。动力学分析表明，无机物的浸出遵循二级反应动力学，基于浸出液的分析，其表观活化能为2.90 kJ·mol-1·K-1；对于灰分的去除，活化能为4.90 kJ·mol-1·K-1。经过预处理后，结渣和污染倾向显著改善，表明处理后的原料可以减少相关问题。在实际应用中，建议在40-60°C的温度范围内进行30分钟的水洗处理，这样既能有效去除无机物，又能降低能耗。
引言
生物质作为一种有前景的可再生能源，因其丰富性和碳中性特性而成为化石燃料的替代品。它在多种应用中受到重视，包括生物能源（生物乙醇、热能和电力生产等）、生物化学品以及生物炭的生产（Bukhari等人，2025年；Eliana等人，2014年；Matos等人，2021年；Nguyen Van等人，2025年；Saleh，2024年；Sharma等人，2025年；Van Thinh等人，2022年）。在各种生物质类型中，像象草（Pennisetum purpureum，简称EG）这样的多年生能源作物因高产量和适应恶劣气候的能力而受到关注，被用作生产用于热能和电力生产的颗粒燃料以及生物燃料的原料（De Conto等人，2016年；Egwu，2021年；Johannes等人，2024年；Johannes和Xuan，2024年）。这类可再生生物质资源的发展和利用直接有助于实现联合国的可持续发展目标（SDGs），特别是SDG 7（可持续和清洁的能源）和SDG 13（气候行动），通过推广清洁能源替代方案和减缓气候变化。
尽管生物质作为可持续能源具有潜力，但从生物质中燃烧产生热能和电力仍面临操作上的挑战，主要与灰分形成有关。灰分在燃烧系统中的沉积会导致结渣、污染和腐蚀等问题，从而降低燃烧效率并增加维护成本（Abioye等人，2024年）。这些问题主要是由于生物质中存在无机元素造成的，包括钾（K）、磷（P）、氯（Cl）、铁（Fe）、钙（Ca）、钠（Na）、硫（S）、镁（Mg）、锰（Mn）和硅（Si）等，这些元素以离子结合的形式存在，或者与碳基质结合，或者以矿物质的形式存在（Doshi等人，2009年；Suyatno等人，2024年；Zhao等人，2024年）。在生物质燃烧过程中，这些元素会挥发并释放到蒸汽中，在锅炉表面凝结形成灰分沉积。其中，低熔点的碱金属，尤其是钾（K）和钠（Na），由于其高反应性，被认为是导致灰分相关问题的主要原因。它们与灰分中的二氧化硅反应形成共晶物，如钾硅酸盐和钾钠硅酸盐，从而加剧了锅炉表面的灰分沉积（C. Chen等人，2021a）。碱金属含量过高（特别是超过0.34 kg/GJ）与燃烧过程中的污染和结渣风险显著增加有关（Carrillo等人，2014年）。因此，表征和管理生物质中的无机成分对于提高燃烧性能和减少这一向可再生能源过渡阶段的操作问题至关重要。
通过浸出进行预处理已成为一种实用的方法，以减少生物质燃烧前的无机物含量。已经针对多种生物质类型测试了包括水洗、酸洗和碱洗在内的多种方法，以提高燃料质量并减少灰分相关问题（Deng等人，2013年；Dirbeba等人，2017年；Huang等人，2023年；Singhal等人，2021b年；Zhang等人，2025年）。预处理效果因生物质类型、浸出剂以及操作条件（如温度、反应时间、生物质与液体比例和颗粒大小）而异。水洗作为一种低成本且环保的化学处理方法，成为生物质预处理的实用选择（Bandara等人，2020年）。然而，水处理的局限性在于它对部分不溶于水的元素（如镁和钙）的去除效率较低（Zhang等人，2019年）。尽管如此，水预处理在多种生物质类型中仍显示出对关键无机元素的高去除效率。例如，玉米秸秆中的钾含量从初始的约2.5 wt%降低到1.0 wt%以下，这提高了燃烧时的灰分熔点并减少了结块的形成（Niu等人，2019年）。在废木中，水浸出可去除30-100%的氯（Cl）、50-90%的钾（K）、10-90%的钠（Na）、5-35%的钙（Ca）、5-60%的镁（Mg）、0-95%的硫（S）和10-80%的磷（P）以及0-30%的铁（Fe），更高的温度和更小的颗粒尺寸显著增强了这一过程的效果（Abioye等人，2024年）。在22°C下清洗的各种草本生物质（包括柳枝稷、芒草和Jose高小麦草）中也观察到了类似的效果。芒草中的钠（Na）从0.45 mg/g降低到0.21 mg/g，钾（K）从2.49 mg/g降低到0.79 mg/g，镁（Mg）从0.67 mg/g降低到0.36 mg/g，钙（Ca）从1.61 mg/g降低到1.37 mg/g；而柳枝稷中的钾（K）降低到1.88 mg/g，但钠（Na）和镁（Mg）浓度保持不变（Yu等人，2014年）。对于稻草，水预处理的效果与使用2.0 kmol·mol-3 HNO3的温和酸处理相当，表明水是一种环保的酸替代品。酸洗仍然非常有效，H3PO4可以去除高达93%的碱金属，尽管其环境和成本影响需要仔细考虑（Liu等人，2013年）。与酸洗相反，也有研究表明酸洗后的生物质可能会发生显著的矿物学变化，增加结渣风险（Hidayat等人，2025年；Wang等人，2023年）。
关于预处理条件，较高的温度通常能提高可溶性元素和灰分的去除效率，但在20°C至40°C之间效果变化不大，而在50°C至70°C之间几乎没有明显改善。对不同农业残渣在30°C、60°C和90°C下进行的研究证实，较高温度能提高灰分、硅（Si）和钾（K）的去除效果。然而，与30°C下的处理相比，氯（Cl）、硫（S）、氮（N）、钙（Ca）和磷（P）的去除趋势并不一致（Deng等人，2013年）。Bandara等人（Bandara等人，2020年）的研究表明，虽然温度显著影响二氧化硅和无机物的溶解，但其对高溶性元素（如钾和氯）的影响更为明显，而其他无机成分的去除率则变化较大。对于某些生物质类型，较短的清洗时间通常足以达到平衡。在轻微搅拌的情况下，可能需要更长的清洗时间才能实现显著去除。增加液体与固体的比例通常能提高灰分和无机物的提取效率，从而改善生物质质量。与Singhal等人（Singhal等人，2021b）的研究一致，高比例（1:40-1:50）下可达到约35%的最大灰分去除率。然而，中等比例（1:15-1:20）通常被认为是最佳的，因为它们在去除效率、能量损失和水需求之间提供了良好的平衡（Díaz-Tovar等人，2025年；Singhal等人，2021b）。
鉴于无机元素对生物质燃烧的显著影响，评估和管理其浓度对于提高生物质在热能和电力生产中的燃烧性能至关重要。虽然已经报道了EG中无机元素的浓度（例如钾（K）21.0 g/kg、钙（Ca）4.6 g/kg、镁（Mg）2.0 g/kg和钠（Na）0.096 g/kg（Ferreira等人，2017年），但目前尚缺乏关于水预处理去除EG中无机物和灰分的详细实验研究。尽管大多数现有研究集中在成熟的能源作物和农业残渣上（例如稻壳、空果穗、小麦秸秆、云杉木材等）（Bandara等人，2020年；Siddiqi等人，2022年；Singhal等人，2021a；Singhal等人，2021b），但EG具有高产量、每年多季收获以及适应贫瘠土地的能力。虽然传统上用作饲料，但它越来越多地被热带地区用于生产颗粒燃料以供热能和电力生产，出口到日本等市场时需要严格的燃料质量标准，特别是低灰分含量（<1.5%）（Johannes等人，2025年）。与以往主要关注去除效率的研究不同，本研究首次针对EG这种特定原料进行了无机物浸出的研究，结合了浸出液分析、无机物和灰分去除以及动力学建模，以确定反应速率和活化能。通过将元素浸出与灰分组成和燃烧相关指标的变化联系起来，该研究加深了对水预处理如何影响EG燃烧适用性的理解，并为EG基生物能源系统的工艺优化和可行性评估提供了必要的数据。本研究旨在：1. 探究水洗作为预处理方法去除EG中的无机元素和灰分的效果；2. 提供EG中无机元素和灰分去除的动力学数据；3. 阐明EG生物质中无机元素去除的机制。
化学试剂和原材料
硝酸（HNO3）试剂由日本富士胶片和Wako纯化学有限公司提供。用于电感耦合等离子体光发射光谱（ICP-OES）分析的多元素标准溶液包含23种元素，由Sigma-Aldrich公司提供。EG来自越南，包括叶片、茎和根，初始含水量为10%。所有实验中均使用了高纯度去离子水（Milli-Q Millipore 18.2 MΩ·cm）。
样品制备和实验程序
生物质产量和浸出液pH值
图1显示了生物质产量和浸出液的pH值。在所有实验条件下，原始生物质的损失量在10%到17%之间，主要是由于水溶性成分的溶解和浸出。这些损失是由水热反应引起的，随着温度的升高和处理时间的延长，细胞壁结构被破坏，可溶性成分（如钾和钠）释放出来。
结论
本研究全面探讨了水预处理对象草（EG）中无机元素组成和灰分去除的影响，以提高其作为生物燃料的适用性。结果表明，水预处理可将EG的总灰分含量降低多达51%，并显著去除无机元素，去除效率依次为：钾（K）（97-98%）> 钠（Na）（84-90%）> 磷（P）（83-92%）> 镁（Mg）（62-79%）> 锰（Mn）（48-69%）> 钙（Ca）（20-41%）。
作者贡献声明
洛维莎·潘杜莱尼·约翰内斯（Lovisa Panduleni Johannes）：撰写初稿、数据可视化、调查、正式分析、数据管理。陈丹轩（Tran Dang Xuan）：验证。中野明子（Nakano Akiko）：资源获取、资金筹措、正式分析。萨赫德·哈桑（Sahed Hasan）：数据可视化、正式分析。阮氏海安（Thi-Hai Anh Nguyen）：正式分析。阮文婷（Nguyen Van Thinh）：撰写与编辑、撰写初稿、数据可视化、验证、监督、资源管理、方法论研究、资金筹措、正式分析、数据管理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
