反应条件对餐厨垃圾水热炭化去除钠钾的影响研究

2022-08-08王潇

中国资源综合利用 2022年7期

王潇

（浙江农林大学环境与资源学院，杭州 311300）

餐厨垃圾是指餐饮单位和家庭在日常生活中产生的食品垃圾，是生活垃圾的重要组成部分[1]。随着我国人民生活水平的提高以及餐饮业的发展，餐厨垃圾产生量上升趋势明显[2-4]。餐厨垃圾成分复杂，水分、有机物、油脂及盐分含量高，易腐烂[5]，其无害化处理及资源化利用引发人们的广泛关注。目前，国内主要采用焚烧、填埋等技术对餐厨垃圾进行处理，但传统的垃圾处理方式占用空间大，容易造成二次污染[6]，人们迫切需要采用新手段对餐厨垃圾进行处理和利用。

水热炭化技术是指在密闭反应容器内，在低温加热（150～350 ℃）条件下将高湿生物质转化为气态、液态和固态产物。由于操作简单，无须耗能大的干燥过程，二次污染小等特点，水热炭化技术被认为是餐厨垃圾最有效、最有前途的热化学处理技术之一。水热炭化技术可以将污泥、畜禽粪便等高湿固废转化为清洁生物燃料、有机肥和功能材料前体物等高附加值产品，近年来受到相关领域研究人员的广泛关注[7-9]。作为一种典型的高湿生物质，餐厨垃圾经水热炭化后能否有效去除钠钾离子值得关注。

1 试验流程

1.1 样品采集

餐厨垃圾原料取自浙江农林大学东湖校区。剔除杂质后，使用食品级粉碎机将取好的样品粉碎，取出原料在105 ℃温度条件下烘干，测得含水量为77%。将其作为试验原料，记为KW（Kitchen Waste），收集后置于干燥器内备用。

1.2 试验方法

餐厨垃圾水热炭化试验在FCF-2L型高压反应釜中进行，反应釜设计温度为350 ℃，耐压试验压力为33 MPa，釜内容积为2 L。称取46 g试验原料加入反应釜中，然后加入154 mL去离子水，密封反应釜。以10 ℃/min的升温速率升温至设定温度（150 ℃、180 ℃、210 ℃、240 ℃），调整搅拌器，以60 r/min的速度持续搅拌，保持相应时间（2 h、3 h、4 h）。反应结束，待其冷却至室温后，取出反应釜内物料，使用真空泵通过0.45 μm滤膜进行固液分离。将过滤后的水置于105 ℃烘箱干燥24 h后密封保存。将水热炭按照反应温度与时间进行标记，例如，将180 ℃温度下反应2 h取得的产物标记为KW-180-2。

1.3 分析方法

本研究通过电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）测定餐厨垃圾及水热炭中钠、钾离子的含量。

2 试验结果与讨论

由于食品中存在大量的NaCl、NaCO3、NaHCO3等添加剂，餐厨垃圾原料也含有大量的钠、钾离子。为了研究水热炭化过程中钠和钾的去除行为，通过ICPOES测定餐厨垃圾及水热炭中钠、钾离子的含量，并计算各水热炭样品的钠、钾离子去除率，如表1所示。

表1 水热炭化试验结果

餐厨垃圾经水热炭化处理后，相比处理前，水热炭中的钠、钾离子含量明显减少。当在150 ℃温度下水热炭化处理2 h后，钠和钾的去除率分别为46.15%和52.17%。结果表明，水热炭化技术可以有效去除餐厨垃圾中的钠、钾离子。在水热炭化过程中，餐厨垃圾中的高溶解度钠和钾浸出到液相中[10-11]，随着水热炭化时间从2 h增加至4 h，钠、钾离子的去除率分别增长至50.04%、57.11%，原因可能是随着反应时间增加，餐厨垃圾中的高溶解度钠、钾离子持续浸出至液相中。此外，当水热炭化温度从150 ℃上升至240 ℃时，钠、钾离子的去除率均得到显著提高。结果表明，较高的温度提高了餐厨垃圾中钠和钾的去除能力，这可能是因为较高水热炭化温度下，钠钾离子与液相表现出更高的亲和力[12-13]。餐厨垃圾于240 ℃温度下水热炭化处理4 h后，钠、钾离子的去除率最高，分别达到76.10%、81.03%。