助溶劑對餐廚垃圾干燥特性的影響研究

陳文杰，朱曙光

(南京理工大學能源與動力工程學院，南京 210094)

據(jù)聯(lián)合國糧農(nóng)組織報道，全球每年大約產(chǎn)生1.6 Gt的食物廢物[1]。餐廚垃圾含脂肪、淀粉等有機成分，有很高的回收利用價值；同時餐廚垃圾具有易腐爛、滋生細菌等特性，對人類健康和生態(tài)環(huán)境造成極為不利的影響；針對餐廚垃圾這種鮮明的資源與危害雙重特性[2-3]，應該最大化利用其資源性而避免其危害性。

干燥貯存法是餐廚垃圾的主要處理手段之一[4]，而餐廚垃圾含水量通常占總質(zhì)量的81%左右[5]，對餐廚垃圾干燥脫水，可使其不易滋生細菌而產(chǎn)生發(fā)酵氣體，避免污染環(huán)境；而且體積與重量的大幅減小可節(jié)省儲存和運輸?shù)某杀尽?/p>

但餐廚垃圾通常含各種油脂，覆蓋在表面的油脂會抑制餐廚垃圾中水份的逸出，如何減弱這種抑制作用對提高餐廚垃圾的干燥效率十分重要。目前重力分離技術在餐廚垃圾油脂回收過程中得到廣泛應用，但效果一般[6]。經(jīng)除油處理后的餐廚垃圾中少量的油脂對后續(xù)干燥處理也有較強的抑制效果，而添加合適的助溶劑，可消除油水分界面，使得油水互溶，形成水包油(O/W)型乳液[7]，可促進干燥過程中水份的逸出。本文針對餐廚垃圾的油水分離效果不佳的情況，研究添加合適的助溶劑對含油量較少的油水混合物干燥性能的影響。

1 材料與方法

餐廚垃圾中的油脂主要是液體的動植物油脂，沸點一般都在400 ℃左右，由于不溶于水且密度較小，漂浮于餐廚垃圾上層。而添加助溶劑可使油水互溶，本文選擇石油磺酸鈉(T702)作為助溶劑進行實驗研究，其分子式為RSO3Na(R=C14～C22烷基)，中性，無毒，由230～320 ℃的石油餾分經(jīng)處理制得，其中的十二烷基苯磺酸鈉HLB值為10.638，T702整體的HLB值在8～18之間，理論上在乳化過程中可形成水包油(O/W)型乳液。本文研究添加T702對含油量較少的油水混合物的干燥特性的影響，通過改變水/油/助溶劑的比例，尋求最佳的優(yōu)化效果。

HLB值為表面活性劑的親水親油平衡值，HLB值的計算公式為：

HLB=7+11.7 lgMW/MO

(1)

式(1)中，MW和MO分別表示為表面活性劑分子中親水基團和親油基團的分子量。

1.1 原料與試劑

實驗使用的油為食用植物調(diào)和油，助溶劑為 T702，指示劑為蘇丹Ⅲ和亞甲基藍，水為實驗室自制的去離子水。

1.2 儀器與設備

實驗使用的儀器和設備有電動攪拌機、一字式攪拌槳、電子秤、485串口、電加熱套、配套不銹鋼燒杯和電度表。

1.3 實驗方法

1.3.1 乳液類型的鑒定

往干凈的玻璃燒杯中加入100 g去離子水與5 g食用油。之后逐步添加T702，每次添加1 g并攪拌均勻，觀察油水分界面和油滴半徑。當油水分界面消失且油滴半徑較小時分別加入一滴0.1%濃度的蘇丹Ⅲ和一滴0.1%濃度的亞甲基藍溶液，觀察顏色分布情況，若是紅色浮于表面，藍色在乳液中擴散，則為水包油(O/W)型乳液；若是藍色浮于表面，紅色在乳液中擴散，則為油包水(W/O)型乳液。

1.3.2 干燥對照實驗

將不銹鋼燒杯放入電加熱套，并將電加熱套的電源插頭連接電度表，啟動電加熱套，設置的預設溫度為160 ℃，該溫度下食用油與T702均未達到沸點，二者的質(zhì)量在干燥前后應保持不變。將電加熱套放在電子秤上，電子秤通過485串口與電腦連接以采集數(shù)據(jù)。電動攪拌機的電源插頭連接電度表，攪拌機搭配一字式攪拌槳，將攪拌槳深入不銹鋼燒杯內(nèi)部，設置攪拌機轉(zhuǎn)速為60 r/min。加入不同組分的水/食用油/T702的混合物于不銹鋼燒杯內(nèi)部，電度表清零，電腦開始記錄數(shù)據(jù)。使用空調(diào)保證實驗環(huán)境溫度基本穩(wěn)定，通過溫濕度計測得實驗環(huán)境的溫度基本維持在25 ℃左右，相對濕度維持在60%～65%左右，可忽略環(huán)境溫濕度對實驗結果的影響。干燥實驗裝置圖如圖1所示。

圖1 干燥實驗裝置

2 實驗結果與分析

2.1 乳液的鑒定結果及分析

圖2為油水混合物的初始狀態(tài)，油水分界面明顯，二者均透明；圖3和圖4分別為加入1 gT702及5 gT702后的乳液側(cè)面情況，隨著T702量的增加，乳液越來越渾濁，初始的油水分界面消失，整個乳液顏色均勻；圖5與圖6為往乳液中加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%的蘇丹Ⅲ和質(zhì)量分數(shù)為0.1%的亞甲基藍溶液后上下表面的指示劑顏色分布情況，結果表明蘇丹Ⅲ溶液一直滯留在乳液的上表面，在上表面擴散開來，而亞甲基藍溶液擴散至乳液的下表面，說明添加T702，可使食用油與水的混合物乳化成水包油(O/W)型的乳液。

圖2 油水分界面 圖3 加入1 gT702后乳液側(cè)面情況

圖4 加入5 gT702后乳液側(cè)面情況 圖5 乳液上表面的指示劑顏色分布情況

圖6 乳液下表面的指示劑顏色分布情況

2.2 乳液的干燥結果及分析

為了表示干燥的效果，引入干燥效率，干燥效率的計算公式為：

η=((T1-T0)C+r)m/P

(2)

式(2)中，η為干燥效率，表示干燥過程中一定量的水形成水蒸氣所吸收的熱量與總用電量的比值；T1為水的氣化溫度，373.15 K；T0為室溫，取298.15 K；C為水的比熱容，取為4.2 kJ/(K·kg)；r為水的汽化潛熱，在0.1 MPa和溫度為100 ℃時汽化潛熱為2 257.2 kJ/kg；m為含水量，kg；P為用電量，kW·h。

為了驗證食用油對干燥的抑制作用，在含水量固定在100 g的情況下，進行了純水與添加了5 g食用油的油水混合物的干燥實驗。如圖7所示，在相同含水量的情況下，相對于純水干燥，油水初始比例為1∶20的時油水混合物的干燥時間由240～960 min，延長了近三倍，食用油在干燥過程中抑制了水份的逸出。

圖7 純水與油水混合物干燥曲線

為了研究T702對油水混合物的干燥過程的影響，在含水量固定為100 g，含食用油量固定為5 g的情況下，進行了不同油∶T702比例的干燥實驗。圖8和圖9為不同油∶T702比例下乳液含水份干燥曲線和干燥速率曲線。從圖8和圖9分析可知，不同油∶T702比例下干燥乳液時水份的減小規(guī)律都是先有一段快速階段，后變平緩，在450 min時都干燥完全；隨著油∶T702比例的減小，干燥速率先增大后減小，其中油∶T702=1∶2時乳液中含水量下降的最快，在340 min時已干燥完全，干燥速率也最大，可達0.47 g/min左右。

圖8 不同油∶T702比例下乳液含水份的干燥曲線

表1為不同實驗組分下的用電量及效率。由表1可知，純水干燥效率最高為32.18%，在加入5 g食用油后，由于食用油抑制水份逸出，油水混合物的干燥效率減小到僅有8.98%，說明食用油對干燥影響較大；在加入T702后乳液在干燥過程中效率均大于不添加助溶劑的油水混合物，說明乳化對干燥具有促進作用；隨著T702添加量增大時乳液的干燥效率先增大后減小，在所有乳液干燥實驗組中油∶T702為1∶2時效率最大，為28.47%，它是不添加助溶劑的油水混合物實驗組的干燥效率的3.17倍。另外食用油和T702比熱容比水小，而且升溫所需熱量遠遠小于水的潛熱，對結果的影響可以忽略。

圖9不同油∶T702比例下乳液含水份的干燥速率曲線

表1 不同實驗組分下的用電量及效率

由圖8和圖9分析已知，最佳的油∶T702比例在2∶3～2∶5之間。在這個區(qū)間保持其它條件不變，T702添加量由7.5 g每次加大0.5 g，逐步加大到12.5 g，再次進行不同T702濃度的實驗以尋求最佳的油∶T702比例。圖10為不同T702添加量下水分的干燥速率曲線，圖11為補充的不同T702添加量下水分干燥速率曲線。

由圖11可知，當T702添加量由7.5 g增大到12.5 g，干燥速率先增大后減小；由圖10可知當T702添加量為9.5 g時乳液的干燥完全所用時間最短，在340 min左右干燥完全；當T702添加量為9.5 g時乳液的干燥速率最大，最大可達0.5 g/min左右。

圖10 不同T702添加量下水分的干燥速率曲線

圖11 補充的不同T702添加量下的干燥速率曲線

表2為補充的不同T702添加量下的用電量及效率。由表2可知在初始含水量為100 g和食用油量為5 g不變的情況下，補充的不同助溶劑T702濃度實驗的干燥用電量及效率，最佳T702質(zhì)量為9.5 g左右。由表3可知，隨著水分添加量增大，效率逐漸增大，在所有實驗組中，T702添加量為9.5 g時，干燥效率最大為30.60%。

圖12給出食用油量5 g和T702為9.5 g時不同初始含水量下的干燥曲線，用電量及效率見表3。實驗結果表明，不同初始含水量下干燥曲線的趨勢類似，水分下降的趨勢都是先增快，后減緩；在50 g、100 g、150 g和200 g初始含水量下，物料分別在190 min、340 min、520 min和710 min左右達到恒重。表3數(shù)據(jù)顯示在50～200 g初始含水量下用電量為0.125～0.467 kW·h，效率為28.58%～30.60%，即使在50 g初始含水量的效率也高于表1和表2中除水/油/T702=100/5/9.5和100/0/0工況外的其它效率，因此可認為乳液干燥效率主要取決于T702與食用油的比例；而表3中效率隨著初始含水量的增大而增大，原因是食用油和T702形成的水包油比重在下降。

表2 補充的不同T702添加量下的用電量及效率

圖12 食用油5 g和T702為9.5 g時不同初始含水量下的干燥曲線

表3 不同初始含水量下的用電量及效率

3 結語

由于我國餐廚垃圾多油的特點，其干燥過程勢必受到油類物質(zhì)的影響，本文選擇T702為助溶劑，對食用油與去離子水的混合物進行了乳化和干燥實驗，研究助溶劑對餐廚垃圾中的油水混合物干燥過程的影響，得出以下結論：

(1)助溶劑T702可對油水混合物進行乳化，消除油水分界面，形成水包油(油/水)型乳液。

(2)助溶劑T702可促進油水混合物的干燥過程，其促進作用隨添加量的增大先增大后減小；在所有實驗組中，油∶T702比例為19∶10效果最佳，該比例下干燥用時最短，干燥效率最大，總用電量最少。

(3)在保持食用油和T702的質(zhì)量不變的情況下，干燥效率隨著初始含水量的增加而增大，干燥效率主要取決于T702與食用油的比例。