CN111909022A - 长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，通过添加催化剂，在100～300℃温度下，30s～180min反应时间内，利用水热法在短时间内直接对高含水率湿垃圾进行转化产乳酸。本发明以自然界储量丰富的长石类矿物质作为催化剂，在水热条件下对湿垃圾进行快速转化，湿垃圾无需经过复杂的组分筛选以及高能耗的脱水处理。相比于其他化学催化法或者传统生物发酵法，本发明使用的催化剂廉价易得且可以回收循环使用，在实际生产中具有更好的应用前景。本方法可以使湿垃圾在满足快速减量化的前提下实现资源利用最大化，方法处理周期短、产品附加值高以及容易实现产业化，具有显著的经济效益以及社会效益。

Description

长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法

技术领域

本发明涉及一种制备乳酸的方法，尤其涉及一种长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，属于废弃物资源化处理技术领域。

背景技术

自全国范围内推广垃圾分类政策以来，湿垃圾在人们生活垃圾中的占比迅速增加，导致现有湿垃圾处置能力严重不足。湿垃圾含有大量有机质，含水率较高，容易腐烂产生异味影响居民环境，并且会滋生病菌对人类健康造成伤害，因此湿垃圾的有效处理，特别是资源化转化处理尤其重要。现有湿垃圾的处理技术主要为生物法，例如好氧发酵、厌氧发酵以及堆肥技术。然而由于生物法耗时长、占地面积大，让生物法的大范围推广受到限制。此外，生物法处理湿垃圾过程中通常伴有大量的污水和臭气的产生，会对环境造成严重的二次污染。如专利文献CN104450802A公开了一种餐厨垃圾的处理方法，包括热碱预处理和单相厌氧发酵。将餐厨垃圾料浆与厌氧污泥加入到单相厌氧反应器中，加入NaOH调节到设定的pH至8-12；加热反应后；再向反应器充入氮气，放入35±1℃的恒温水浴箱中静态发酵3-5d。该方法提高了餐厨垃圾单相厌氧发酵总VFA产量。可见现有技术中并未有采用将湿垃圾制备乳酸的相关报道。

乳酸作为重要的化学品，被广泛应用于食品、化工、医药领域。更重要的是，乳酸是生物可降解塑料聚乳酸的单体，随着一般塑料(化石燃料由来塑料)的环境问题的加剧与限制使用，生物可降解聚乳酸应用前景巨大。当前乳酸的制备方法主要是以玉米淀粉或者葡萄糖等食物来源有机物为反应原料，利用生物法进行发酵产乳酸。此类工艺生产周期长且存在“与人抢粮”等争议问题。湿垃圾中含有大量的淀粉和食物纤维类有机质，是优异的碳水化合物或葡萄糖来源。如果能够直接以湿垃圾为原料，对其进行转化产乳酸，将能够同步实现垃圾减量化以及增值化，令环境效益以及经济效益达到统一。

目前利用化学法产乳酸的现有专利和技术多使用昂贵复杂催化剂或者使用大量碱性催化剂，成本高昂且容易带来二次污染。因此，开发高效可行并且更加廉价易得的催化剂用以催化转化湿垃圾产乳酸意义重大。长石类矿物是钾、钠、钙以及钡等碱金属或碱土金属的硅铝酸岩矿物，自身具备碱性且结构稳定。长石是地壳中分布最广和最重要的造岩类矿物，约占整个地壳总重量的一半，这使其在碱催化领域拥有巨大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的是提供一种长石类矿物质催化湿垃圾直接转化制备乳酸的方法，具体是以湿垃圾为原料，使用廉价易得的长石类矿物质材料对其进行直接快速转化制备乳酸的方法。本方法利用自然的长石类矿物作为碱催化剂，水热转化湿垃圾产乳酸，克服传统化学法产乳酸技术要求底物纯度高的限制，催化剂成本高昂，以及常规碱(NaOH，KOH等)的强腐蚀等缺陷，实现湿垃圾快速资源化转化。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，包括以下步骤：将湿垃圾与一定量水混合，然后粉碎，粉碎后的湿垃圾中加入长石类矿物作为催化剂，并搅拌均匀，然后在100～400℃的水热条件下直接反应30s～180min，制得乳酸。

优选地，所述湿垃圾为厨余垃圾和餐厨垃圾，包括日常生活及食品加工、饮食服务活动中产生的高含水率有机垃圾。所述湿垃圾为高碳水化合物含量的固体有机废弃物。

优选地，所述湿垃圾无需组分筛选和脱水处理。

优选地，所述粉碎后的湿垃圾的含水率不低于50％。

优选地，所述湿垃圾和水以重量比为1:0-1:10进行混合。

优选地，所述长石类矿物包含钠长石、钾长石、中长石、拉长石、培长石、钙长石中的一种或几种。

优选地，所述长石类矿物包含钠长石、钾长石、中长石、拉长石、培长石、钙长石中的至少两种。

优选地，所述长石类矿物的粒度为10目～500目。

优选地，所述长石类矿物的用量为1g/L～500g/L。更优选50～500g/L，最优选50g/L。

优选地，所述反应为在300～400℃的水热条件下直接反应30～60s。更优选所述反应为在300℃的水热条件下直接反应60s。

优选地，所述粉碎后的湿垃圾装入反应器中进行反应，粉碎后的湿垃圾在反应器中的填充率为30％。

优选地，所述方法还包括产物分离的步骤，具体为：反应结束后，冷却反应釜体并待降至室温后打开反应釜，然后取出反应产物，进行分离。

与现有乳酸生产以及湿垃圾处理技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)与现有热化学法生产乳酸相比，本技术使用的原料为废弃的难处理的湿垃圾，而且成分品质无严格要求，非碳水化合物组分不影响乳酸的产出和品质；

(2)与现有热化学法生产乳酸相比，本发明未使用传统的强碱催化剂，而使用的自然界储量丰富的长石类矿物作为催化剂，催化剂廉价易得并且可以循环使用；

(3)与现有湿垃圾处理技术相比，本技术处理湿垃圾过程中无需进行脱水干燥处理，对于含水率较低湿垃圾的补充水可以使用品质较低的中水，大大减少垃圾处理成本投入；

(4)与现有湿垃圾处理技术相比，本发明在快速实现湿垃圾减量化的同时实现湿垃圾资源化，湿垃圾转化后得到的乳酸具有很高附加值；

(5)处理过程中不产生臭味，无废气排放，环境友好。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1采用钠长石催化水热转化白菜茎叶产乳酸高效液相色谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

对比例1无催化水热转化白菜茎叶产乳酸

本对比例以白菜茎叶为湿垃圾的模型化合物，首先取白菜茎叶和水进行混合(白菜茎叶和水的固液比例为1:10)粉碎后装入反应器保持填充率为30％，密封反应器，在300℃下反应60s后迅速冷却，反应后的产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为3.7wt％。

实施例1钠长石催化水热转化白菜茎叶产乳酸

本实施例取白菜茎叶和水进行混合(白菜茎叶和水的固液比例为1:10)，粉碎后装入反应器保持填充率为30％，加入一定量钠长石(50g/L，200目)后密封反应器，在300℃下反应60s后迅速冷却，反应后的产物利用高效液相色谱进行分析，产物分析所得高效液相色谱图如图1所示，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为17.0wt％。乳酸产率计算方式如下所示：乳酸产率＝(乳酸质量/总有机质干重)×100wt％。

实施例2钠长石催化水热转化米饭产乳酸

剩米饭作为湿垃圾中含量较高的组成之一，同样是湿垃圾的典型模型化合物之一。本实施例取熟米饭和水进行混合(米饭和水的固液比例为1:5)，粉碎后装入反应器保持填充率为30％，加入一定量钠长石(50g/L，200目)后密封反应器，在300℃下反应60s后迅速冷却，反应后的产物利用高效液相色谱进行分析确定得到乳酸，并经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为22.3wt％。

实施例3钠长石催化水热转化湿垃圾产乳酸

本实例选择上海交通大学第三餐饮食堂作为湿垃圾样品采集点，采集食堂现场收集的湿垃圾，去除塑料袋、易拉罐等非湿垃圾杂物，将经过分选得到的湿垃圾和水进行混合(湿垃圾和水的固液比例为1:5)粉碎后装入反应器保持填充率为30％，加入一定量钠长石(50g/L，200目)，随后密封反应器，在300℃下反应60s后迅速冷却，反应后的产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为11.0wt％。

实施例4钾长石和钠长石协同催化水热转化湿垃圾产乳酸

本实施例湿垃圾样品的采集以及预处理和实施例4相同，并使用两种长石类矿物质进行协同催化湿垃圾产乳酸。将经过分选得到的湿垃圾和水进行混合(湿垃圾和水的固液比例为1:5)粉碎后装入反应器保持填充率为30％，加入一定量钾长石和钠长石(50g/L，其中钾长石和钠长石加入比例为3:1，粒径均为200目)，随后密封反应器，在300℃下反应60s后迅速冷却，反应后的产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为16.0wt％。

实施例5

本实例与实施例4的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中加入的钾长石和钠长石的量为1g/L。所得产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为4.5wt％。

实施例6

本实例与实施例4的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中加入的钾长石和钠长石的量为500g/L。所得产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为16.7wt％。

实施例7

本实例与实施例4的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中反应条件为400℃下反应30s。所得产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为13.3wt％。

实施例8

本实例与实施例4的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中反应条件为100℃下反应180min。所得产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为0.3wt％。

对比例2

本实例与实施例4的方法基本相同，不同之处仅在于：本实施例中湿垃圾和水进行混合的固液比例为1:1。所得产物利用高效液相色谱进行分析，经过定性定量分析换算出体系中乳酸产率为5.5wt％。

本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：包括以下步骤：将湿垃圾与一定量水混合，然后粉碎，粉碎后的湿垃圾中加入长石类矿物作为催化剂，在100～400℃的水热条件下直接反应30s～180min，制得乳酸。

2.根据权利要求1所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述湿垃圾为厨余垃圾和餐饮垃圾，包括日常生活及食品加工、饮食服务活动中产生的高含水率有机垃圾。

3.根据权利要求1或2所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述湿垃圾无需组分筛选和脱水处理。

4.根据权利要求1所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述粉碎后的湿垃圾的含水率不低于50％。

5.根据权利要求1所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述湿垃圾和水以重量比为1:0-1:10进行混合。

6.根据权利要求1所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述长石类矿物包含钠长石、钾长石、中长石、拉长石、培长石、钙长石中的一种或几种。

7.根据权利要求书6所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述长石类矿物的粒度为10目～500目。

8.根据权利要求书1或6所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述长石类矿物的用量为1g/L～500g/L。

9.根据权利要求书1所述的长石类矿物质催化湿垃圾直接水热转化制备乳酸的方法，其特征在于：所述粉碎后的湿垃圾装入反应器中进行反应，粉碎后的湿垃圾在反应器中的填充率为30％。

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