反應條件對餐廚垃圾水熱炭化去除鈉鉀的影響研究

王 瀟

（浙江農林大學環境與資源學院，杭州 311300）

餐廚垃圾是指餐飲單位和家庭在日常生活中產生的食品垃圾，是生活垃圾的重要組成部分[1]。隨著我國人民生活水平的提高以及餐飲業的發展，餐廚垃圾產生量上升趨勢明顯[2-4]。餐廚垃圾成分復雜，水分、有機物、油脂及鹽分含量高，易腐爛[5]，其無害化處理及資源化利用引發人們的廣泛關注。目前，國內主要采用焚燒、填埋等技術對餐廚垃圾進行處理，但傳統的垃圾處理方式占用空間大，容易造成二次污染[6]，人們迫切需要采用新手段對餐廚垃圾進行處理和利用。

水熱炭化技術是指在密閉反應容器內，在低溫加熱（150～350 ℃）條件下將高濕生物質轉化為氣態、液態和固態產物。由于操作簡單，無須耗能大的干燥過程，二次污染小等特點，水熱炭化技術被認為是餐廚垃圾最有效、最有前途的熱化學處理技術之一。水熱炭化技術可以將污泥、畜禽糞便等高濕固廢轉化為清潔生物燃料、有機肥和功能材料前體物等高附加值產品，近年來受到相關領域研究人員的廣泛關注[7-9]。作為一種典型的高濕生物質，餐廚垃圾經水熱炭化后能否有效去除鈉鉀離子值得關注。

1 試驗流程

1.1 樣品采集

餐廚垃圾原料取自浙江農林大學東湖校區。剔除雜質后，使用食品級粉碎機將取好的樣品粉碎，取出原料在105 ℃溫度條件下烘干，測得含水量為77%。將其作為試驗原料，記為KW（Kitchen Waste），收集后置于干燥器內備用。

1.2 試驗方法

餐廚垃圾水熱炭化試驗在FCF-2L型高壓反應釜中進行，反應釜設計溫度為350 ℃，耐壓試驗壓力為33 MPa，釜內容積為2 L。稱取46 g試驗原料加入反應釜中，然后加入154 mL去離子水，密封反應釜。以10 ℃/min的升溫速率升溫至設定溫度（150 ℃、180 ℃、210 ℃、240 ℃），調整攪拌器，以60 r/min的速度持續攪拌，保持相應時間（2 h、3 h、4 h）。反應結束，待其冷卻至室溫后，取出反應釜內物料，使用真空泵通過0.45 μm濾膜進行固液分離。將過濾后的水置于105 ℃烘箱干燥24 h后密封保存。將水熱炭按照反應溫度與時間進行標記，例如，將180 ℃溫度下反應2 h取得的產物標記為KW-180-2。

1.3 分析方法

本研究通過電感耦合等離子體原子發射光譜儀（ICP-OES）測定餐廚垃圾及水熱炭中鈉、鉀離子的含量。

2 試驗結果與討論

由于食品中存在大量的NaCl、NaCO3、NaHCO3等添加劑，餐廚垃圾原料也含有大量的鈉、鉀離子。為了研究水熱炭化過程中鈉和鉀的去除行為，通過ICPOES測定餐廚垃圾及水熱炭中鈉、鉀離子的含量，并計算各水熱炭樣品的鈉、鉀離子去除率，如表1所示。

表1 水熱炭化試驗結果

餐廚垃圾經水熱炭化處理后，相比處理前，水熱炭中的鈉、鉀離子含量明顯減少。當在150 ℃溫度下水熱炭化處理2 h后，鈉和鉀的去除率分別為46.15%和52.17%。結果表明，水熱炭化技術可以有效去除餐廚垃圾中的鈉、鉀離子。在水熱炭化過程中，餐廚垃圾中的高溶解度鈉和鉀浸出到液相中[10-11]，隨著水熱炭化時間從2 h增加至4 h，鈉、鉀離子的去除率分別增長至50.04%、57.11%，原因可能是隨著反應時間增加，餐廚垃圾中的高溶解度鈉、鉀離子持續浸出至液相中。此外，當水熱炭化溫度從150 ℃上升至240 ℃時，鈉、鉀離子的去除率均得到顯著提高。結果表明，較高的溫度提高了餐廚垃圾中鈉和鉀的去除能力，這可能是因為較高水熱炭化溫度下，鈉鉀離子與液相表現出更高的親和力[12-13]。餐廚垃圾于240 ℃溫度下水熱炭化處理4 h后，鈉、鉀離子的去除率最高，分別達到76.10%、81.03%。

3 結論

水熱炭化技術可以有效降低餐廚垃圾中鈉、鉀離子含量。隨著反應溫度與時間的增加，該技術脫鈉除鉀的效果增強。餐廚垃圾在240 ℃溫度下水熱炭化處理4 h后，鈉、鉀離子分別減少76.10%、81.03%。