草木灰：从组成到应用的全面解析

草木灰：从组成到应用的全面解析

草木灰是木材燃烧后残留的粉状物质，主要由钙化合物和其他不可燃微量元素组成。它在历史上被用于多种用途，从农业肥料到工业原料。本文将详细介绍草木灰的组成、测量方法及其在不同燃烧条件下的变化。

草木灰

草木灰是木材在壁炉、篝火或工业发电厂中燃烧后残留的粉状物质。它主要由钙化合物以及木材中存在的其他不可燃微量元素组成。草木灰在人类历史上被用于多种目的，包括农业肥料、建筑材料等。

组成

评估的可变性

Emil Wolff等人对多种树种的木灰成分进行了全面分析。几个因素对组成有重大影响：

• 细灰：一些研究包括燃烧过程中通过烟道逸出的固体，而其他研究则没有。
• 燃烧温度：灰分产量随着燃烧温度的升高而降低，这会产生两个直接影响：
• 离解：碳酸盐、硫化物等转化为氧化物时不会产生碳、硫、碳酸盐或硫化物。一些金属氧化物（例如氧化汞）甚至会在柴火温度（600 °C（1,112 °F））下分解成元素状态和/或完全蒸发。
• 挥发：在未测量逸出灰分的研究中，一些燃烧产物可能根本不存在。例如砷不易挥发，但三氧化二砷易挥发（沸点：465 °C (869 °F)）。
• 实验过程：如果灰烬在燃烧和分析之间暴露在环境中，氧化物可能会通过与空气中的二氧化碳反应而转化回碳酸盐。同时吸湿性物质可能会吸收大气中的水分。
• 木材的类型、年龄和生长环境：这些因素会影响木材（例如硬木和软木）的成分，从而影响灰分。硬木通常比软木产生更多的灰分，而树皮和树叶产生的灰分多于树干内部部分。

测量

根据一项关于平均燃烧木材的研究，会产生大约 6-10% 的灰烬。如果将某些木材热解直至所有挥发物消失，并在 350 °C (662 °F) 下燃烧 8 小时，则会产生占燃烧木材原始质量（干基）0.43% 和 1.82% 的残留灰分。燃烧条件也会影响残灰的成分和数量，因此较高的温度会降低灰分产量。

元素分析

通常，木灰包含以下主要元素：

• 碳 (C) — 5–30%
• 钙 (Ca) — 7–33%
• 钾 (K) — 3–4%
• 镁 (Mg) — 1–2%
• 锰 (Mn) — 0.3–1.3%
• 磷 (P) — 0.3–1.4%
• 钠 (Na) — 0.2–0.5%

化合物

当木材燃烧时，它会根据使用的温度产生不同的化合物。一些研究将碳酸钙(CaCO3) 列为主要成分，而另一些研究发现根本没有碳酸盐，而是氧化钙(CaO)。后者在较高温度下产生（见煅烧）。平衡反应 CaCO3 → CO2 + CaO 的平衡在 750 °C (1,380 °F) 和高 CO2 分压（例如在柴火中）时向左移动，但在 900 °C (1,650 °F) 时向右移动 ) 或当 CO2 分压降低时。

许多木灰含有碳酸钙 (CaCO3) 作为其主要成分，占总灰分重量的 25% 甚至 45%。在 600 °C (1,112 °F) 时，在一个案例中鉴定出 CaCO3 和 K2CO3。不到 10%（百分之十）是钾肥，不到 1%（百分之一）是磷酸盐。

微量元素

有微量元素铁（Fe）、锰（Mn）、锌（Zn）、铜（Cu）及部分重金属。它们在灰烬中的浓度因燃烧温度而异。温度升高可能导致碳酸盐分解和钾 (K)、硫 (S) 以及微量铜 (Cu) 和硼 (B) 的挥发。研究发现，在升高的温度下，K、S、B、钠 (Na) 和铜 (Cu) 减少，而 Mg、P、Mn、Al、Fe 和 Si 相对于钙 (Ca) 没有变化。然而，所有这些微量元素在较高的燃烧温度下都以氧化物的形式存在。木灰中的某些元素（所有分数均以质量/质量给出）包括：

• Fe 1.6-55 ‰
• Si 6-170 ‰
• Al 1.2-45 ‰
• 锰 1-20‰
• 0.6-50 ppm
• 镉 0.18-60 ppm
• 铅 2-500 ppm
• 铬 12-280 ppm
• 镍 10-140 ppm
• V 1.8-120 ppm

燃料

一项研究确定，缓慢燃烧的木材（100-200°C（212-392°F））排放物通常包括 16 种烯烃、5 种链二烯、5 种炔烃和几种烷烃和芳烃（按比例）。乙烯、乙炔和苯是有效燃烧的主要成分。发现阴燃的 C3-C7 烯烃的比例更高。苯和 1,3-丁二烯占非甲烷烃总量的 ~10-20% 和 ~1-2%。