餐廚廢油捕收劑浮選高炭粉煤灰

胡振文,李秋義,,林祥玲,郭遠(yuǎn)新*

餐廚廢油捕收劑浮選高炭粉煤灰

胡振文1,李秋義1,2,林祥玲2,郭遠(yuǎn)新1*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,山東 青島 266019；2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 青島 266033)

通過對餐廚廢油進行處理,制備餐廚廢油捕收劑用以處理高炭粉煤灰.分別采用機械活化試驗確定高炭粉煤灰原灰的最佳機械活化時間,通過不同溫度工況的浮選試驗獲得餐廚廢油捕收劑的脫炭性能規(guī)律并同常規(guī)捕收劑煤油對比,通過FTIR、SEM、TG等技術(shù)對餐廚廢油捕收劑和脫炭產(chǎn)物進行系統(tǒng)分析.結(jié)果表明:最佳機械活化時間為30min,最佳溫度工況下,浮選炭熱值可達到中高熱值燃料要求,產(chǎn)物脫炭粉煤灰礦物成分可達到Ⅰ級粉煤灰標(biāo)準(zhǔn).真正實現(xiàn)了“以廢治廢”和“變廢為寶”,對環(huán)境保護、節(jié)能減排和資源的綜合利用有著重要意義.

餐廚廢油；餐廚廢油捕收劑；高炭粉煤灰；浮選脫炭；溫度工況；產(chǎn)品分析

粉煤灰是煤炭燃燒后得到的固體廢棄物[1-2].滿足使用標(biāo)準(zhǔn)的粉煤灰可做二次資源被直接利用[3-4].而不符合使用要求的高炭粉煤灰大多被直接廢棄.這不僅會造成資源的大量浪費,還會對自然環(huán)境和人體健康造成巨大的危害[5-6].目前,浮選法是粉煤灰脫炭處理最成熟的方案[7-9].但由于高炭粉煤灰未燃盡的炭含量較高且炭的氧化程度較高,對捕收劑的需求量較大[10-11].

餐廚廢油是生活垃圾的重要組成部分,其產(chǎn)量巨大,且難以處理[12-13].值得注意的是,餐廚廢油的性質(zhì)同石油化工產(chǎn)品有一定的相似性,這使得采用經(jīng)處理后的餐廚廢油替代傳統(tǒng)石油化工捕收劑成為了可能.目前,已有相關(guān)學(xué)者對處理餐廚廢油進行礦物浮選進行了部分研究.例如:Zhu等[14-15]將餐廚廢油制備為皂化捕收劑,Shen等[16]將廢棄油脂熱解處理后做煤炭捕收劑,Yang等[17]將廢棄油脂乳化后做煤炭捕收劑,均取得了一定的效果.

本文通過對餐廚廢油進行處理后制備餐廚廢油捕收劑,并將所制備的餐廚廢油捕收劑與石油化工類捕收劑煤油進行了FTIR和不同溫度工況下的浮選性能對比,采用SEM、TG和XRD等技術(shù)手段對最佳工況下的脫炭產(chǎn)物進行了系統(tǒng)性分析,驗證了餐廚廢油制備的餐廚廢油捕收劑及其浮選產(chǎn)物的性能.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

高炭粉煤灰原灰(燒失量24.6%)和Ⅰ級粉煤灰(燒失量2.37%)(山東竣鴻環(huán)保科技有限公司);餐廚廢油(青島農(nóng)業(yè)大學(xué)餐廳廢棄油脂);無水乙醇(分析純,天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司);濃硫酸(分析純,天津市致遠(yuǎn)化學(xué)試劑有限公司);仲辛醇(AR 98%,阿拉丁試劑有限公司).

1.2 試驗儀器

DZF-2電熱鼓風(fēng)干燥箱(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司);QM-2000球磨機(無錫市建筑儀器制造廠);FYS-150C負(fù)壓篩析儀(無錫市建筑儀器制造廠);B15-3磁力轉(zhuǎn)子攪拌器(上海磊固儀器有限公司);RE-201D-2L旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀(鞏義市宇翔儀器有限公司);XFD-3L浮選機(紹興市上虞金豐機械儀器設(shè)備有限公司);SX-8-16箱式電阻爐(北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司);FTIR-900傅里葉變換紅外光譜儀(費爾伯恩精密儀器公司);JEOL 7500F掃描電子顯微鏡(日本電子公司);D8advance X射線多晶衍射儀(德國Bruker公司);SDT Q600熱重分析儀(美國TA公司).

1.3 試驗方法

1.3.1 高炭粉煤灰的機械活化 進行浮選的礦物應(yīng)有足夠的細(xì)度來保證浮選目標(biāo)物質(zhì)至少有80%的解離度[18].其中,粉煤灰的浮選脫炭粒度要求一般在0.075mm以下[19].

本試驗采用的高炭粉煤灰原灰經(jīng)0.075mm負(fù)壓篩析后篩余量為34.96%,且有大量如圖1所示的燒結(jié)顆粒,不適宜直接進行浮選脫炭.需對該高炭粉煤灰原灰進行機械活化,破碎燒結(jié)顆粒,降低顆粒粒徑,以獲得可供浮選的高炭粉煤灰.

圖1 高炭粉煤灰原灰圖像

將高炭粉煤灰原灰置于60℃的電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)將其烘干至恒重,取10kg置于球磨機進行機械活化.以1min為機械活化時間梯度,在每梯度機械活化時間結(jié)束后,立即進行取樣并分別采用0.125, 0.075和0.045mm的負(fù)壓篩對機械活化后的高炭粉煤灰進行負(fù)壓篩析,確定其最適宜進行浮選的高炭粉煤灰機械活化時間.

1.3.2 餐廚廢油捕收劑的制備 餐廚廢油捕收劑制備流程如下:(1)將餐廚廢油靜置48h,沉淀大顆粒雜質(zhì),待其分層后,取上層清液;(2)將沉淀后的餐廚廢油通過0.045mm方孔篩進行過濾,濾除小顆粒雜質(zhì);(3)對過濾后的餐廚廢油進行蒸餾,去除其中混合的揮發(fā)性物質(zhì);(4)將蒸餾后的餐廚廢油和乙醇置于圓底燒瓶,采用磁力轉(zhuǎn)子攪拌器在轉(zhuǎn)速1000r/ min、反應(yīng)溫度80℃、油醇比1:1、催化劑濃硫酸用量2%和反應(yīng)時間6h的條件下進行反應(yīng);(5)待反應(yīng)完成后,將乙酸乙酯同反應(yīng)產(chǎn)物1:1進行混合,加水萃取反應(yīng)產(chǎn)物,去除催化劑濃硫酸和醇;(6)將萃取產(chǎn)物置于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器,在80℃水浴加熱下進行分離,得到目標(biāo)產(chǎn)物.

1.3.3 浮選試驗 參照GB/T 36167-2018《選煤實驗室分步釋放浮選試驗方法》[20]進行高炭粉煤灰浮選脫炭試驗.試驗完畢后,將產(chǎn)品置于60℃電熱鼓風(fēng)干燥箱中烘干,分別測試兩種產(chǎn)物的產(chǎn)量,通過箱式電阻爐在950℃下灼燒兩種產(chǎn)物至恒重,測試其燒失量和灰分.

1.3.4 餐廚廢油捕收劑FTIR分析 采用FTIR測試技術(shù),將制備的餐廚廢油捕收劑,同石油化工類捕收劑煤油在600～4000cm-1的波數(shù)范圍內(nèi)進行對比分析,探究其與煤油官能團的區(qū)別.

1.3.5 餐廚廢油捕收劑浮選性能分析 在浮選過程中礦漿溫度對目標(biāo)礦物的產(chǎn)量有著重要影響作用[21].因此,本文分別在常溫20℃、加熱30℃和制冷10℃3種不同礦漿溫度工況下,對餐廚廢油捕收劑的浮選性能進行了試驗研究,分析其產(chǎn)物產(chǎn)率及性能變化,同常規(guī)石油化工類捕收劑煤油的浮選性能進行綜合對比,并確定餐廚廢油捕收劑的最佳浮選工況.

1.3.6 浮選試驗產(chǎn)物性能分析 對最佳浮選工況下的浮選產(chǎn)物脫炭粉煤灰和浮選炭,分別測試其基本物理性能,并通過SEM技術(shù)對二者和高炭粉煤灰、普通Ⅰ級粉煤灰的微觀形貌進行了對比探究,通過TG技術(shù)將浮選炭和高炭粉煤灰樣品升溫至1200℃,分析其燃燒特性及質(zhì)量損失變化,通過XRD技術(shù)在5～60°的測試角度下比較分析了脫炭粉煤灰、普通Ⅰ級粉煤灰和高炭粉煤灰的礦物成分組成.其中,粉煤灰的基本物理性能測試及分析參照GB/T 1596-2017《用于水泥和混凝土的粉煤灰》進行[22],炭的基本物理性能測試及分析參照GB∕T 212-2008《煤的工業(yè)分析方法》進行[23],SEM分析以其外觀形貌為依據(jù),TG分析以其質(zhì)量損失率為依據(jù),XRD分析以特征峰峰值為依據(jù).

2 結(jié)果與討論

2.1 高炭粉煤灰原灰機械活化

如圖2所示,高炭粉煤灰原灰在經(jīng)球磨機機械活化后,高炭粉煤灰的顏色由原灰的灰色轉(zhuǎn)變?yōu)楹谏?這是由于經(jīng)機械活化后,原灰中大尺寸顆粒被粉碎,顆粒內(nèi)部氧化程度較低的界面暴露出來,因而使得機械活化前后顏色發(fā)生變化.

圖2 機械活化后的高炭粉煤灰

由圖3可知,各粒徑等級篩余量均呈不斷下降的趨勢,下降趨勢較為平滑,且下降速度不斷降低.這是由于高炭粉煤灰原灰顆粒變小后,磨介與粉煤灰顆粒碰撞產(chǎn)生的能量較低,使得破碎效率降低[24].此外,高炭粉煤灰原灰顆粒在機械活化15min后可全部通過0.125mm方孔篩,在機械活化30min時, 0.075mm篩余量僅為2.4%,已十分適合進行粉煤灰浮選脫炭.且在此后隨著機械活化時間的增長, 0.075mm方孔篩篩余量不再有大幅度降低.此時0.045mm方孔篩篩余量為20.2%,符合GB/T 1596～2017 《用于水泥和混凝土的粉煤灰》[22]中Ⅱ級粉煤灰細(xì)度要求.這使得高炭粉煤灰在經(jīng)浮選脫炭處理后,若脫炭粉煤灰化學(xué)成分滿足要求,可直接做Ⅱ級粉煤灰使用,避免二次機械活化造成的能源浪費.

圖3 機械活化時間與篩余量的關(guān)系

綜上所述,確定了采用球磨機對高炭粉煤灰原灰進行機械活化的最佳時間為30min.在此機械活化時間條件下,高炭粉煤灰的0.075mm篩余量僅為2.4%.

2.2 餐廚廢油捕收劑FTIR析

餐廚廢油捕收劑和煤油的FIRT圖像如圖4所示.

圖4 不同樣品的傅里葉變換紅外光譜

(a)煤油;(b)餐廚廢油捕收劑

捕收劑中疏水基團的含量決定了其對目標(biāo)礦物甄選能力的強弱[25],疏水基團越多,其改變高炭粉煤灰中未燃盡炭的表面性質(zhì)的能力越強.

由圖4可知,樣品在3750～3000cm-1處的O—H、N—H伸縮振動區(qū)均存在峰值,但差距不大;在3000～ 2800cm-1處的C—H伸縮振動區(qū)中,餐廚廢油捕收劑的峰值遠(yuǎn)高于煤油;在1900～1600cm-1處的C=O伸縮振動區(qū)中,餐廚廢油捕收劑的峰值強度遠(yuǎn)大于煤油;在1450～1000cm-1的X—H面內(nèi)彎曲振動區(qū)及X—Y伸縮震動區(qū),餐廚廢油捕收劑出現(xiàn)了大量低矮密集的峰,但在煤油中并未出現(xiàn)此特征;在1000～ 650cm-1處的C—H面外彎曲振動區(qū)僅有餐廚廢油捕收劑出現(xiàn)了峰值,煤油圖譜則較為平滑.

在上述振動區(qū)中,含親水基團的僅有O—H、N—H伸縮振動區(qū),其他振動區(qū)均含有大量的C=O、C—H、—CH3和—CH2等疏水基團.在這些振動區(qū)中,餐廚廢油捕收劑的峰值遠(yuǎn)高于煤油.有效證明了餐廚廢油處理后的餐廚廢油捕收劑具有遠(yuǎn)超石油化工捕收劑煤油的改變礦物表面性質(zhì)的能力.

2.3 不同捕收劑在不同礦漿溫度工況下的浮選性能分析

圖5 餐廚廢油捕收劑浮選試驗結(jié)果

由圖5和圖6可知,在不同溫度工況下,采用餐廚廢油捕收劑的脫炭粉煤灰燒失量均低于采用煤油捕收劑的脫炭粉煤灰,且兩種捕收劑在不同溫度工況下,隨礦漿溫度的降低,脫炭粉煤灰的燒失量不斷降低,浮選炭的灰分不斷增加.即餐廚廢油捕收劑的浮選性能高于煤油捕收劑,且兩種捕收劑均在低溫下有著更好的浮選效果.

隨兩種捕收劑用量的不斷增加,脫炭粉煤灰的燒失量降低趨勢放緩,甚至不再有較大變動,但浮選炭的灰分仍不斷增加.這是由于在高炭粉煤灰原灰機械活化過程中,無法完全將所有的未燃盡炭解離出來,部分未燃盡炭仍然同粉煤灰顆粒嵌合在一起.當(dāng)捕收劑用量增加時,捕收劑對炭的捕收能力增強,使得這部分含有未燃盡炭的嵌合體顆粒同樣被浮選泡沫裹挾而出,因而出現(xiàn)脫炭粉煤灰燒失量不變,但浮選炭灰分不斷增加的現(xiàn)象.這也直接決定了脫炭粉煤灰和浮選炭產(chǎn)率的變化規(guī)律.即隨捕收劑用量的增加,捕收能力增強,脫炭粉煤灰產(chǎn)率不斷降低,浮選炭產(chǎn)率不斷增加.其中,當(dāng)兩種捕收劑用量為25kg/t時,兩種捕收劑在3種溫度工況下的脫炭粉煤灰均達到脫炭效果極限.此時在3種溫度工況下,采用餐廚廢油捕收劑的脫炭粉煤灰燒失量分別為0.33%,0.34%和0.28%,采用煤油的脫炭粉煤灰燒失量分別為0.75%,0.9%和1.06%.同樣有效證明了餐廚廢油捕收劑的浮選性能高于煤油捕收劑.

2.4 浮選試驗產(chǎn)物性能分析

由于在浮選過程中10℃和30℃下的溫度工況需要額外對礦漿進行制冷或加熱,需要消耗額外的能源,但餐廚廢油捕收劑的脫炭效果同常溫工況20℃相差不大.且在各溫度工況下,餐廚廢油捕收劑用量達到5kg/t后,繼續(xù)增加其用量,脫炭粉煤灰燒失量變化不大,但脫炭粉煤灰的產(chǎn)率卻快速下降,浮選炭的灰分也不斷上升,不利于后期兩種產(chǎn)物的綜合利用.因此,本文選定餐廚廢油捕收劑的最適宜浮選工況為:溫度20℃,用量5kg/t.此時浮選炭產(chǎn)率為33.22%,灰分為33.46%;脫炭粉煤灰產(chǎn)率為66.78%,燒失量為1.18%,滿足Ⅰ級粉煤灰燒失量要求,最佳工況下兩種產(chǎn)物如圖7所示.

圖7 浮選脫炭產(chǎn)品

2.4.1 浮選炭性能分析 由圖8的SEM圖像可知,在高炭粉煤灰中,存在大量的細(xì)小炭屑,這些炭屑密集的覆蓋在粉煤灰顆粒上.而經(jīng)餐廚廢油捕收劑處理后,這些炭屑均被集中在一起,僅存在部分較大的浮選炭和粉煤灰顆粒的嵌合體.

圖8 不同樣品形貌對比

由表1可知,采用餐廚廢油捕收劑進行浮選脫炭后,產(chǎn)品浮選炭的揮發(fā)分增長至12.40%,灰分降低至33.46%,固定炭提高至54.14%,熱值增加至21.57MJ/kg.變化幅度依次為:179.9%、125.3%、168.4%和166.6%.經(jīng)餐廚廢油捕收劑處理后,浮選炭的熱值可達到中高熱值燃料要求[26],具有較高的使用價值.

表1 不同樣品的工業(yè)分析及熱值

由圖9的熱重圖像可知,浮選炭和高炭粉煤灰在被加熱的過程中,二者前期質(zhì)量變化較為平緩,在溫度到達1000℃后質(zhì)量開始迅速降低.這是由于前期主要為未燃盡炭中的—COOH和—OH等揮發(fā)分析出[27],質(zhì)量損失率較小,而在溫度達到1000℃后,開始劇烈氧化燃燒,使得質(zhì)量迅速下降.

圖9 不同樣品的熱重圖像

(a)高炭粉煤灰;(b)浮選炭

此外,高炭粉煤灰和浮選炭的質(zhì)量變化曲線在290℃處出現(xiàn)交叉,上下位置變動.這是由于浮選炭經(jīng)餐廚廢油捕收劑處理后,表面會附有一層油膜,這會阻礙浮選炭中揮發(fā)分的析出,使得升溫初始階段浮選炭的質(zhì)量降低程度低于高炭粉煤灰的質(zhì)量降低程度.而這層油膜在290℃時受熱分解揮發(fā),此后,浮選炭質(zhì)量降低速度反超高炭粉煤灰.

除此以外,浮選炭的燃燒特性同普通煤炭也有所不同.普通煤炭的燃點一般為300℃[28]左右,而浮選炭的燃點則升至近1000℃.這是由于浮選炭曾在燃燒過程中經(jīng)過高溫氧化,后又經(jīng)過低溫冷卻,相當(dāng)于在其表面鍍了一層氧化保護膜,這層氧化膜會阻礙浮選炭同氧氣接觸,使得浮選炭在二次燃燒過程中燃點偏高.這個缺陷使得浮選炭二次使用時較難引燃,但可按一定比例添加至普通煤粉中使用,以發(fā)揮其高熱值的優(yōu)勢,避免燃點高的劣勢.

2.4.2 脫炭粉煤灰性能分析 由圖10可知,脫炭粉煤灰同普通Ⅰ級粉煤灰的微觀形貌有極大的差別.Ⅰ級粉煤灰中的顆粒主要以圓形微珠為主,而脫炭粉煤灰中的顆粒大多呈現(xiàn)不規(guī)則的幾何狀,僅有少量圓形微珠.這是由于普通Ⅰ級粉煤灰多由燃燒技術(shù)和鍋爐設(shè)備十分先進的大型火電廠產(chǎn)出,這些粉煤灰由于煤炭燃燒充分,含炭量極低,在高溫爐膛中逸出后,經(jīng)空氣迅速冷卻形成規(guī)則的圓形微珠.而高炭粉煤灰則是將采用落后燃燒技術(shù)產(chǎn)出的顆粒大小不均的高炭粉煤灰原灰通過一定時間的機械活化后獲得的.這使得原灰中大部分顆粒在經(jīng)機械活化后,碎裂為不規(guī)則的幾何狀,因而導(dǎo)致了二者微觀形貌的不同.

圖10 不同粉煤灰微觀形貌對比

圖11 不同粉煤灰的XRD對比

(a)Ⅰ級粉煤灰;(b)高炭粉煤灰;(c)脫炭粉煤灰

由圖11可知,經(jīng)餐廚廢油捕收劑處理后,脫炭粉煤灰的各項活性礦物成分含量均獲得了明顯的提高,達到甚至超過了Ⅰ級粉煤灰中的含量.

由表2可知,脫炭粉煤灰的需水量比略高于Ⅰ級粉煤灰要求,但完全滿足Ⅱ級灰的使用要求,可直接做Ⅱ級灰使用.且脫炭粉煤灰同Ⅰ級粉煤灰的差距僅存在于需水量比這一指標(biāo).這是因為脫炭粉煤灰的微觀形貌與傳統(tǒng)粉煤灰有所不同.當(dāng)Ⅰ級粉煤灰用于混凝土中時,由于其主要由圓形微珠組成,會起到填充不同骨料間的縫隙,充當(dāng)骨料間滾珠的作用,從而增加其流動度,降低了需水量比.而脫炭粉煤灰的不規(guī)則形狀雖同樣會填充骨料間的縫隙,但由于顆粒不規(guī)則,滾珠效應(yīng)較差,導(dǎo)致需水量比較大.這使得脫炭粉煤灰在應(yīng)用于普通混凝土中時,不能有效提高混凝土的流動性.為避免這種物理缺陷,可在不添加骨料的加氣混凝土試塊中,將脫炭粉煤灰做Ⅰ級粉煤灰使用,避免其流動性差的劣勢,發(fā)揮其高活性的優(yōu)勢.

表2 脫炭粉煤灰的主要工作性能

3 結(jié)論

3.1 高炭粉煤灰原灰的最佳機械活化時間為30min,此時0.075mm篩余量僅為2.4%.

3.2 餐廚廢油捕收劑的捕收性能隨溫度的降低而增加,且捕收性能高于石油化工捕收劑煤油.

3.3 最佳工況下,獲得的浮選產(chǎn)物浮選炭的熱值可高達21.57MJ/kg,可部分取代普通煤粉使用,以節(jié)約化石能源.

3.4 最佳工況下,獲得的脫炭粉煤灰活性物質(zhì)含量高于普通Ⅰ級粉煤灰,可直接做Ⅱ級粉煤灰使用或用于對混凝土流動性要求較低的場合做Ⅰ級粉煤灰使用,以節(jié)約水泥用量,保護環(huán)境.

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High carbon fly ash floated by kitchen waste oil collector.

HU Zhen-wen1, LI Qiu-yi1,2, LIN Xiang-ling2, GUO Yuan-xin1*

(1.College of Civil Engineering and Architectural, Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109, China；2.School of Civil Engineering, Qingdao University of Technological, Qingdao 266033, China)., 2021,41(11)：5210～5216

Kitchen waste oil collector was prepared by modifying kitchen waste oil to treat high carbon fly ash. The optimum mechanical activation time of high carbon fly ash raw ash was determined by mechanical activation test, the decarbonization performance law of the kitchen waste oil collector was obtained by flotation tests under different temperatures and compared with that of conventional collector kerosene, the collectors and decarbonization products were systematically analyzed by FTIR, SEM, TG and other techniques. The results showed that the optimum mechanical activation time was 30min, under the condition of optimum temperature, the calorific value of flotation carbon can meet the requirements of medium and high calorific value fuel, and the mineral composition of decarbonized fly ash product can reach the standard of I-class fly ash. It is of great significance to environmental protection, energy conservation and emission reduction, and comprehensive utilization of resources, which has truly realized the goal of "treating waste with waste" and "turning waste into treasure".

kitchen waste oil；kitchen waste oil collector；high carbon fly ash；flotation decarbonization；temperature conditions；product analysis

X705

A

1000-6923(2021)11-5210-07

胡振文(1997-),男,山東臨沂人,青島農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要研究方向為生態(tài)建材與節(jié)能技術(shù).發(fā)表論文2篇.

2021-04-07

國家自然科學(xué)基金資助項目(51878366,51978353,52078261, 51808310);山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2019PEE007, ZR2020ME036);青島市科技惠民示范引導(dǎo)專項(20-3-4-10-nsh)

* 責(zé)任作者, 講師, guoyuanxin@qau.edu.cn