CN114316074B

CN114316074B - 一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法

Info

Publication number: CN114316074B
Application number: CN202111468829.0A
Authority: CN
Inventors: 万锐; 汪童; 李晓晓; 査韵艺; 吴梦琦; 董琪琪; 马菁菁; 陶金玉; 胡欣怡; 魏震
Original assignee: Anhui Normal University
Current assignee: Anhui Normal University
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2022-11-22
Anticipated expiration: 2041-12-03
Also published as: CN114316074A

Abstract

本发明公开了一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，包括以下步骤：S1、餐厨垃圾前处理；S2、餐厨垃圾中果胶和脂肪的去除；S3、餐厨垃圾中半纤维素的去除；S4、餐厨垃圾中木质素的去除；S5、漂白与干燥；S6、纳米纤维素的合成。可解决目前餐厨垃圾处理的难题、减轻环境污染，并可实现餐厨垃圾的资源化利用；本方法涉及的去除杂质的索氏抽提、碱洗、硫酸水解等技术可靠、操作简单易行、不会带入其他杂质；餐厨垃圾中回收的纤维素可根据用户需要，进行步骤调整，实现微晶纤维素和纳米纤维素的回收；回收完成后，得到的纤维素可作为原材料，具有可观的经济效益，从而为餐厨垃圾的二次利用及经济效益，提供了有效的实行方案。

Description

一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法

技术领域

本发明涉及固体废弃物污染治理及资源回收利用技术领域，具体涉及一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法。

背景技术

餐厨垃圾主要是指在家庭、企业和一些公共机构的餐饮部门在饮食生活消费过程中产生的食物残渣和加工废料等具有高含水率、高植物性组分和容易腐烂发臭的有机固体废物。餐厨垃圾作为一种混合物质，有机质和水分含量明显高于其他垃圾种类，长时间的堆积会腐烂并滋生细菌，对人类的嗅觉和视觉造成影响，严重损害环境。

目前，餐厨垃圾常用填埋或者焚烧处理，但近年研究表明，垃圾填埋具有严重污染地下水等风险，用地紧张国家或地区不适合用填埋法处理餐厨垃圾，而如果盲目焚烧处理会导致餐厨垃圾中化学价值的损失，尤其是会产生二噁英等有毒污染物，严重污染大气。目前正规途径回收餐厨垃圾的渠道有三个：动物饲料、堆肥肥料和厌氧消化回收生物能源。在我国，餐厨垃圾回收主要用于畜牧业饲料，但是餐厨垃圾中含有大量的病原微生物和细菌，在缩短食物链的过程中产生的生物毒素容易在牲畜的体内富集，继而危害人体健康。堆肥处理虽是一种有效的垃圾生物转化方法，但是其中国大量有机成分变成CO₂和甲烷，难以实现回收利用，同时产生的大量温室气体N₂O和CH₄，其气候变化潜力是CO₂的310倍和20倍。厌氧消化这一技术应用的主要目的是利用餐厨垃圾作为厌氧发酵生产沼气的底物，但是餐厨垃圾的水解效率低，只有不到50％的挥发性固体可以用于沼气生产，余下的残渣由于重金属含量过高被禁止用于农业，所以厌氧消化在一定程度上与循环经济的发展理念相悖。综上所述，餐厨垃圾对环境危害较大，且餐厨垃圾的利用率较低。

近年来，随着资源的日益紧张，作为自然界可再生资源的纤维素，因易被生物降解、可化学改性、生物相容等，进入公众视野。纤维素被大量应用于食品添加剂、包装材料、3D打印、吸附材料等领域。而对微晶纤维素进行进一步加工获得的纳米纤维素，具有比表面积大、结晶度更高、透明度好、抗拉强度高等优点，而大量被用于重金属的吸附、缓释药物、纤维素塑料等领域。而随着人们对饮食健康的逐渐关注，我国国民“菜篮子”中的蔬菜类食物比例逐步增大，从而引发了餐厨垃圾中植物性组分逐渐增加，尤其是近年来我国各地均在执行垃圾分类政策，使得从餐厨垃圾中实现纤维素回收的具备一定的可行性，而现有技术中缺乏一种从餐厨垃圾回收纤维素的方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，以解决现有技术中餐厨垃圾污染严重、利用率较低、资源回用浪费等技术问题。为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：

一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，包括以下步骤：

S1、餐厨垃圾前处理：先对餐厨垃圾进行分拣以剔除其中塑料袋、塑料瓶、骨头、无机物杂质；然后将餐厨垃圾进行烘干、粉碎以得到餐厨垃圾粉末，对所述餐厨垃圾粉末再次烘干以进一步去除水分；

S2、餐厨垃圾中果胶和脂肪的去除：所述餐厨垃圾粉末以甲苯和乙醇混合溶液为萃取剂，以1:20～1:40的体积比混合所述餐厨垃圾粉末与烘干后的所述餐厨垃圾粉末并加热，然后在沸腾状态下、对混合物进行索氏抽提6～18h，以去除脂肪和果胶，回收经抽提后的固体残渣G1；

S3、餐厨垃圾中半纤维素的去除：以1:10～1:30固液比将所述残渣G1与1％～10％质量分数的NaOH溶液混合后得到固液混合物，将所述固液混合物进行50～75℃水浴加热并持续搅拌1～6h，而后通过抽滤回收滤渣，并用水洗滤渣至中性，回收去除半纤维素后的滤渣G2；

S4、餐厨垃圾中木质素的去除：以20:1～50:1的质量比将所述滤渣G2分散到去离子水中，获得含有滤渣G2的分散液；然后，在50～75℃水浴条件下，向所述滤渣G2分散液中，先后加入亚氯酸钠和冰乙酸，直到固体变白为止，然后通过抽滤回收滤渣、并水洗滤渣至中性，回收去除了木质素的滤渣G3；

S5、漂白与干燥：在20～30℃条件下，将所述滤渣G3进行漂白，抽滤回收滤渣，将滤渣冷冻干燥后回收固体，可获得从餐厨垃圾中提取的微晶纤维素X1；

S6、纳米纤维素的合成：用质量浓度为40％-60％的硫酸、按照1:10～1:30的微晶纤维素X1和硫酸的固液质量比、在40～65℃条件下进行水浴搅拌1～4h，以进行纤维素的水解，然后用十倍以上体积的去离子水进行稀释，终止硫酸水解反应，静置8h后，通过离心回收固体残渣，将收集的残渣固体至于透析袋，在去离子水中透析至中性；透析完成后，将样品溶液超声，在5000rpm回收固体，并用去离子水洗涤最后将回收的固体进行冷冻干燥，得到从餐厨垃圾中回收的纳米纤维素X2。

优选地，步骤S2萃取剂甲苯和乙醇的体积比为1:1～5:1。

优选地，在步骤S4中，为提高木质素去除效果，将步骤S3获得的滤渣G2首先按照残渣G2和去离子水重量比为1:10～100，加入去离子水进行分散，获得含有残渣G2的分散液；然后，向所述分散液中每间隔0.5～2小时先后添加一次亚氯酸钠和冰乙酸；其中亚氯酸钠和冰乙酸的添加量依据分散液中残渣G2的总重量确定，按照每1.0g残渣G2，每次向含有残渣G2的分散液中添加0.3g亚氯酸钠和1mL冰醋酸。

优选地，在步骤S5中，所述滤渣G3采用浓度为5～20％的过氧化氢溶液进行漂白。

优选地，在步骤S6中，所述硫酸质量浓度采用40～55％；所述硫酸的添加量按照微晶纤维素X1和硫酸的固液质量比1:10～1:30加入；所述超声时间为5～90min。

本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：

餐厨垃圾中因有机质含量高、水分含量高、成分复杂等特征，处理过程中会出现易会引发恶臭、垃圾焚烧热值低、发酵与堆肥困难等问题，从而成为城市垃圾处理的难点；故本发明的优点之一在于，餐厨垃圾来源广泛充足，可解决目前餐厨垃圾处理的难题、减轻环境污染，并可实现餐厨垃圾的资源化利用；本发明的优点之二在于，本方法涉及的去除杂质的索氏抽提、碱洗、硫酸水解等技术可靠、操作简单易行、不会带入其他杂质；本发明的优点之三在于，餐厨垃圾中回收的纤维素可根据用户需要，进行步骤调整，实现微晶纤维素和纳米纤维素的回收；本发明的优点之四在于，回收完成后，得到的纤维素可作为原材料，具有可观的经济效益，从而为餐厨垃圾的二次利用及经济效益，提供了有效的实行方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

图1为本发明实施方式中整体的流程框图；

图2为本发明实施例9制备的SEM表征图；

图3为本发明实施例9制备的SEM表征图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，旨在通过对餐厨垃圾的二次利用，以减少餐厨垃圾在自然环境中的排放，最终达到保护环境、实现资源回收利用、为餐厨垃圾处理提供经济来源等目的，主要包括以下步骤：

一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，包括以下步骤：

优选地，步骤S2萃取剂甲苯和乙醇的体积比为1:1～5:1。

为保证较大程度上去除餐厨垃圾中的水分并防止对纤维素的破坏，步骤S1中的烘干步骤采用初烘干-粉碎-二次烘干三步法，首先优选初烘干温度90℃保持12h，二次烘干温度为105℃保持4h。

为提高对餐厨垃圾中果胶和脂肪去除的效果、减少对甲苯和乙醇的浪费，并防止对纤维素结构的破坏，在步骤S2中所述，溶剂中甲苯与乙醇的体积比优选为2:1，餐厨垃圾和甲苯+乙醇的溶剂质量比优选为1:30，抽提时间以12h为宜，温度以溶剂沸腾即可。

为提高对餐厨垃圾中半纤维素的去除效果并减少对纤维素结构的破坏，在步骤S3中所述，氢氧化钠去除半纤维素采用两步法。首先优选固液比(即残渣G1和氢氧化钠溶液质量比)为1:20，氢氧化钠质量百分数以5％，75℃水浴3h；经离心收集固体后，在固液比、水浴温度和时间不变的条件下，再采用质量百分数为8％的氢氧化钠浸泡，进一步去除半纤维素。

为保证对餐厨垃圾中的木质素的去除效果，在步骤S4中，优选滤渣G2+次氯酸钠+冰乙酸的添加量分别为1g滤渣G2中分别添加0.3g次氯酸钠，0.1mL冰乙酸，添加的频率为1次/h，直到试样变白，表示木质素已去除干净；

为了从保证餐厨垃圾中获得去的纤维素的感官，步骤S5中在冷冻干燥之前，采用过氧化氢进行漂白操作，其优选过氧化氢的浓度为10％。

在S6步骤中的，可通过调整硫酸水解的浓度、质量比以及水浴的温度和时间来控制从餐厨垃圾中回收的微晶纤维素的水解程度，从而控制纳米纤维素的回收率以及纳米纤维素的尺寸。而后通过离心、洗涤以及透析等步骤完成硫酸的去残以及小分子物质的去除，透析袋的规格可采用3500D。

实施例1

S1对餐厨垃圾进行基本处理：通过对安徽省某居民家某天餐厨垃圾的收集和分拣，去除其中的塑料袋以及骨头等大型的无机物，发现该用户当天餐厨垃圾中含有大量的黄豆壳和少量的饭菜残渣；将分拣完成的残放在90℃条件下烘干12h，粉碎后过50目筛，再在105℃下再干燥4h；

S2餐厨垃圾中果胶和脂肪的去除：选用索氏抽提装置，将餐厨垃圾样品粉末15g用滤布包裹(甲苯和乙醇分别为300mL、150mL)在80℃下进行索氏抽提12h，回收经抽提后的固体残渣G1；

S3餐厨垃圾中半纤维素的去除：以1:20固液比将S2中获得的残渣G1与5％质量分数的NaOH溶液混合后，将固液混合物进行75℃水浴加热并持续搅拌3h，而后通过抽滤回收滤渣，并用水洗滤渣至中性，回收去除了半纤维素的滤渣G2；

S4餐厨垃圾中木质素的去除：以32:1质量比将S3中获得滤渣G2分散到去离子水中，在75℃水浴条件下，按照1.0g残渣每次加入0.3g亚氯酸钠和0.1mL冰乙酸的比例关系，每间隔1小时加入一次，直到固体变白为止，而后通过抽滤回收滤渣、并用水洗滤渣至中性，回收去除了木质素的滤渣G3；

S5漂白与干燥：在室温条件下，用10％的过氧化氢溶液将步骤S4中获得的滤渣G3进行漂白，抽滤回收滤渣，将滤渣冷冻干燥后，回收固体，可获得从餐厨垃圾中提取的微晶纤维素X1，测定微晶纤维素回收率和并通过硝酸-乙醇法进行纯度检测；

S6纳米纤维素的合成：取步骤S5获得的微晶纤维素0.8g，用质量浓度为55％的硫酸、按照1:20的固液质量比、在55℃条件下进行水浴搅拌2h，实现纤维素的水解；而后用十倍以上去离子水进行稀释，终止硫酸水解反应；静置8h后，通过离心回收固体残渣；将收集的残渣固体至于透析袋，在去离子水中透析质至中性；透析完成后，将样品溶液超声60min，在5000rpm回收固体，并用去离子水洗涤；最后将回收的固体进行冷冻干燥，得到从餐厨垃圾中回收的纳米纤维素X2，测定纳米纤维素回收率和并通过硝酸-乙醇法进行纯度检测。

提取结果发现，按照上面操作步骤，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素5.91g和5.97g，得率分别为39.4％和39.8％，所得微晶纤维素的纯度分别为91％和97％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别22％，纯度为89％，在某一维度上粒径为80nm，品性良好。

实施例2

取某户人家以黄豆壳以及少量小青菜叶及根为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素4.67g和4.68g，得率分别为31.1％和31.2％，所得微晶纤维素的纯度分别为86％和88％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别24％，纯度为90％，某一维度上粒径为65nm，同样品性良好。

实施例3

取某户人家以小油菜以及少量芹菜叶及根为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素1.15g和1.07g，得率分别为7.7％和7.1％，所得微晶纤维素的纯度分别为86％和89％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别23％，纯度为86％，某一维度上粒径为45nm，同样品性良好。

实施例4

取某户人家以小油菜以及少量菠菜及根为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素0.96g和1.35g，得率分别为6.4％和9.0％，所得微晶纤维素的纯度分别为84％和87％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别25％，纯度为88％，某一维度上粒径为60nm，同样品性良好。

实施例5

取某户人家以卷心菜叶及根\少量青菜和莴笋皮和米饭为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素1.41g和1.75g，得率分别为9.4％和11.6％，所得微晶纤维素的纯度分别为83％和85％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别22％，纯度为89％，某一维度上粒径为78nm，同样品性良好。

实施例6

取某户人家以卷心菜叶及根、油菜、青菜为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素2.13g和1.75g，得率分别为14.2％和11.7％，所得微晶纤维素的纯度分别为88％和87％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别31％，纯度为88％，某一维度上粒径为71nm，同样品性良好。

实施例7

取某户人家以卷心菜、油菜、青菜和少量米饭为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素1.54g和2.68g，得率分别为10.3％和17.9％，所得微晶纤维素的纯度分别为89％和84％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别34％，纯度为89％，某一维度上粒径为68nm，同样品性良好。

实施例8

取某户人家以卷心菜、油菜、少量米饭、肉类为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素1.02g和1.06g，得率分别为6.8％和7.1％，所得微晶纤维素的纯度分别为84％和85％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别38％，纯度为89％，某一维度上粒径为76nm，同样品性良好。

实施例9

取某户人家以豆壳、卷心菜叶、少量米饭、肉类为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，开展纤维素的提取。提取结果发现，从2份15g餐厨垃圾中分别回收获得微晶纤维素1.15g和1.11g，得率分别为7.7％和7.4％，所得微晶纤维素的纯度分别为89％和90％。再进一步利用所得的微晶纤维素进行纳米纤维素提取，结果表明，经提取纳米纤维素得率分别39％，纯度为90％，某一维度上粒径为69nm，同样品性良好。

实施例10

取某户人家以豆壳、卷心菜叶、少量肉类和米饭为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，提取微晶纤维素。而后S6步骤中纤维素水解的硫酸浓度为45％，水解时间为1.5h，水解温度为45℃，经提取纳米纤维素得率分别51.92％，纯度为93％。

实施例11

取某户人家以豆壳、卷心菜叶、少量肉类和米饭为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，提取微晶纤维素。而后S6步骤中纤维素水解的硫酸浓度为45％，水解时间为2h，水解温度为50℃，经提取纳米纤维素得率分别29.8％，纯度为86％。

实施例11

取某户人家以豆壳、卷心菜叶、少量肉类和米饭为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，提取微晶纤维素。而后S6步骤中纤维素水解的硫酸浓度为50％，水解时间为1.5h，水解温度为50℃，经提取纳米纤维素得率分别35.9％，纯度为88％。

实施例12

取某户人家以豆壳、卷心菜叶、少量肉类和米饭为主要成分的餐厨垃圾，按照实施案例1相同的步骤及参数，提取微晶纤维素。而后S6步骤中纤维素水解的硫酸浓度为55％，水解时间为2h，水解温度为55℃，经提取纳米纤维素得率分别13.9％，纯度为89％。

综上所述，通过大量实施实例表明，本发明提供的技术方法可通过对餐厨垃圾进行简单的分拣和前处理，去除里面的塑料袋、骨头等个头较大的杂质后，通过一系列步骤从餐厨垃圾中提取出其中的微晶纤维素和纳米纤维素，且所获得的纤维素，纯度均在80％以上。在解决餐厨垃圾处理困难、易引发环境污染和资源浪费等问题的同时，实现高价值产品的回收。

以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、餐厨垃圾中果胶和脂肪的去除：所述餐厨垃圾粉末以甲苯和乙醇混合溶液为萃取剂，以1:20~1:40的体积比混合并加热，然后在沸腾状态下、对混合物进行索氏抽提6~18 h，以去除脂肪和果胶，回收经抽提后的固体残渣G1；

S3、餐厨垃圾中半纤维素的去除：以1:10~1:30固液比将所述残渣G1与1%~10%质量分数的NaOH溶液混合后得到固液混合物，将所述固液混合物进行50~75℃水浴加热并持续搅拌1~6 h，而后通过抽滤回收滤渣，并用水洗滤渣至中性，回收去除半纤维素后的滤渣G2；

S4、餐厨垃圾中木质素的去除：以20:1~50:1的去离子水和残渣G2的质量比将所述滤渣G2分散到去离子水中，获得含有滤渣G2的分散液；然后，在50~75℃水浴条件下，向所述滤渣G2分散液中，先后加入亚氯酸钠和冰乙酸，直到固体变白为止，然后通过抽滤回收滤渣、并水洗滤渣至中性，回收去除了木质素的滤渣G3；

S5、漂白与干燥：在20~30 ℃条件下，将所述滤渣G3进行漂白，抽滤回收滤渣，将滤渣冷冻干燥后回收固体，可获得从餐厨垃圾中提取的微晶纤维素X1；

S6、纳米纤维素的合成：用质量浓度为40%-60%的硫酸、按照1:10~1:30的微晶纤维素X1和硫酸的固液质量比、在40~65℃条件下进行水浴搅拌1~4 h，以进行纤维素的水解，然后用十倍以上体积的去离子水进行稀释，终止硫酸水解反应，静置8 h后，通过离心回收固体残渣，将收集的残渣固体至于透析袋，在去离子水中透析至中性；透析完成后，将样品溶液超声，在5000 rpm回收固体，并用去离子水洗涤最后将回收的固体进行冷冻干燥，得到从餐厨垃圾中回收的纳米纤维素X2。

2.根据权利要求1所述的一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，其特征在于，步骤S2萃取剂甲苯和乙醇的体积比为1:1~5:1。

3.根据权利要求1所述的一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述滤渣G3采用浓度为5~20%的过氧化氢溶液进行漂白。

4.根据权利要求1所述的一种从餐厨垃圾中回收纤维素的方法，其特征在于，在步骤S6中，所述硫酸质量浓度采用40~55%；所述硫酸的添加量按照微晶纤维素X1和硫酸的固液质量比1:10~1:30加入；所述超声时间为5~90 min。