餐廚垃圾油制備油脂類固體燃料塊的技術研究

王潤霖 李格樂 應宇軒 揚林林 秦慧芳 翦英紅

(吉林化工學院資源與環境工程學院，吉林 132022)

從餐飲業回收的餐廚垃圾油，屬于常見地溝油的一種，其質量、衛生極差，水分、過氧化值和酸值嚴重超標，滋生大量的細菌和病毒，一旦被人食用，不僅會破壞人體白血球和消化黏膜，還有可能導致肝臟損壞，危害人民群眾健康[1]。最近幾年，地溝油回流餐桌產生的食品安全問題屢見報道[2]。

其實地溝油也是一種可以再生利用的資源，其相關的資源化技術研究也越來越多[3-10]。如利用地溝油制備生物柴油[3-5]就是當今的研究熱點。另外，利用地溝油制備混合脂肪酸[6]、浮選劑[7]、皂粉[8]等研究也十分普遍。據文獻報道，可以利用地溝油中所含的脂肪酸酯制備聚羥基脂肪酸酯(PHA)新型塑料[9]、生物基烯烴[10]等高值產品，可大幅提高地溝油的附加值。

依據餐廚垃圾油等油脂類物質具有高燃燒值的特點，擬定利用廢棄油脂制備一種油脂類的固體燃料塊，為餐廚垃圾油資源提供一種新的利用途徑。固體燃料塊是人們日常生活中常用的燃料之一，市場上常用的酒精塊，就屬于固體燃料塊的范疇。而利用餐廚垃圾油制備固體燃料塊的研究，國內外的報道很少[11]。

本研究主要參考了國內外利用液體酒精制備酒精塊[12，13]的工藝進行相關的研究，將廢棄油脂經過預處理后，與適宜的固化劑反應固化制備成固體燃料塊。此技術的優點是實現了餐廚垃圾油的“變廢為寶”，不僅為餐廚垃圾油的處理開辟了新道路，確保廢棄食用油脂得到合理化處理和利用，同時也可解決食品安全、環境污染等社會問題。

1 材料與方法

1.1 試驗儀器

ZNCL-T智能磁力電熱套，AL104電子天平(精密度0.000 1 g)，3K15高速離心機(最大轉速26 000 r/min)。

1.2 試驗試劑

檸檬酸、磷酸、NaOH、無水亞硫酸鈉、無水乙醇、濃硫酸、硬脂酸、固體石蠟，均為分析純。

餐廚垃圾油樣品主要來源于某高校食堂，或家庭。食用油：市售。

1.3 實驗內容

1.3.1 樣品除雜

采用過濾、離心等操作，除去餐廚垃圾油中的固體雜質，具體操作：將回收的餐廚垃圾油用篩網重復過濾一次，以除去體積較大的固體不溶物，將得到的液體進行靜置分液。取上層油層離心分離，以除去餐廚垃圾油中的小體積不溶物與大部分蛋白質。將離心管內上層液體回收，得到相對較為清澈的餐廚垃圾油。

1.3.2 脫膠、除水

按照文獻報道方法[14]將油脂內的膠體加以去除，然后采用加熱等技術除去油中水分，獲得餐廚垃圾油原料，具體操作：將除雜后的餐廚垃圾油加熱，加入檸檬酸與磷酸混合而成的酸洗溶液，在恒溫磁力攪拌器上加熱、攪拌。待降溫后，用氫氧化鈉溶液調節油樣的pH，然后恒溫、攪拌。再次降溫后，往油樣中加入蒸餾水，加熱、攪拌反應后，恒溫靜置一段時間。最后離心分離，除去餐廚垃圾油中吸附了大量雜質成分的膠體復合物，得到清澈的餐廚垃圾油。

用恒溫磁力攪拌器加熱到105 ℃，直到沒有水泡冒出后，冷卻至室溫。往餐廚垃圾油中加入無水亞硫酸鈉，直到有亞硫酸鈉固體出現，再加入少量無水亞硫酸鈉。攪拌、靜置，過濾，除去亞硫酸鈉，即可得到無水餐廚垃圾油。

1.3.3 地溝油的脫酸處理

取適量餐廚垃圾油于三口燒瓶中，加入一定量的乙醇溶液，在恒溫磁力攪拌器攪拌下緩慢加入濃硫酸。加熱、回流，30～60 ℃下酯化反應1～1.5 h，終止反應，冷卻至室溫。靜置分層，得下層油脂物質。

1.3.4 固體燃料塊的制備

將適當比例的氫氧化鈉、硬脂酸和石蠟溶解于乙醇中，控制溫度30～80 ℃，攪拌溶解。然后取50 mL餐廚垃圾油倒入三口燒瓶中，取適量混合溶液，加入燒瓶中，與餐廚垃圾油完全混合，攪拌反應0.5～1.5 h。之后趁熱導入模具中，冷卻至室溫，得固體燃料塊。

1.3.5 燃燒實驗

取5.0 g固體燃料塊放入燃燒勺中，點燃，使其完全燃燒并觀察燃燒現象。記錄燃燒開始與結束時間，測定其燃燒時間。稱量燃燒勺燃燒前后的質量，獲得燃燒殘渣質量，計算燃燒殘余率。

2 結果與討論

2.1 工藝條件優化

2.1.1 混合固化劑用量的影響

本實驗采用石蠟和硬脂酸的混合固化劑，對餐廚垃圾油起到凝聚、固化作用，考察了混合固化劑的固化效果。實驗過程中將石蠟使用量固定為5%油脂質量，然后調整硬脂酸的加入量來考察混合固化劑的固化效果，結果見圖1。

圖1 石蠟/硬脂酸混合固化劑對固化效果的影響

從圖1可以觀察到，在不同的比例下，固化產量和殘留率的變化大相徑庭。固化產量隨著硬脂酸的增加而增加，在硬脂酸用量為3%油脂質量時，固化產量達113.7 g。但殘留率的變化較為復雜，在隨著硬脂酸的用量增加而增加后，出現一個降低的過程，然后再次增加。所以，殘留率在硬脂酸用量為2%油脂質量時，即石蠟與硬脂酸比例為2.5∶1時，存在一個最小值3.1%。并且，在此條件下，固化產量已達到109.2 g，與后續的產量差別不大。并且從產品外觀和燃燒時間上看，本條件下的產品外觀達到最佳，5 g燃料塊可持續燃燒6 min，比一般的酒精塊燃燒時間長10 s左右。

綜上所述，對于50 mL餐廚垃圾油原料(質量約為45.0 g)，添加5 g石蠟和2 g硬脂酸，固化效果為最佳，即混合固化劑與餐廚垃圾油的質量之比為0.16∶1，在后續的實驗中，混合固化劑與餐廚垃圾油的最佳反應條件為0.16∶1。

本實驗中硬脂酸的使用量比制備酒精塊的使用量有所降低，這主要是因為餐廚垃圾油中本身就含有一定的硬脂酸。但為了保證燃料塊的固化效果，石蠟的使用量是較高的，這將導致固體燃料塊的生產成本略有增加。

2.1.2 NaOH用量的影響

NaOH首先是與硬脂酸反應，最終形成三維網狀結構，并將油脂分子固定在網格孔隙之中。其次，NaOH也是一種酯交換催化劑，主要催化脂肪酸甘油酯與乙醇交換，部分轉變為脂肪酸乙酯。本實驗結果表明NaOH的加入，可大大促進燃料塊的生成，增加燃料塊的硬度，其具體的影響效果見圖2。NaOH用量增多時，固化產量雖有起伏，但大體呈增長的趨勢，然后在NaOH加入量為15 g時增到最大，之后固化產量反而降低。殘留率方面，在NaOH用量較低部分，殘留率呈現“先增加后降低”的變化趨勢，在7.5 g條件下殘留率達到最低，之后則隨著NaOH的增多，燃料塊的燃燒殘留率越來越多，標志著燃料塊燃燒性能的下降。綜合考慮到固化產量，NaOH 7.5 g時，固化產量已達106.2 g，已達較高水平，所以，本實驗選擇NaOH用量為7.5 g。

圖2 NaOH用量對固化效果的影響

2.1.3 乙醇用量的影響

乙醇是分散劑，可以將餐廚垃圾油中的物質，尤其是其與脂肪酸甘油酯反應生成的脂肪酸乙酯，均勻分散于硬脂酸鈉的網格孔隙中，最終達到凝聚、固化的最終目的。本實驗中乙醇用量對固化產量、殘留率的影響情況見圖3。

圖3 乙醇用量對固化效果的影響

從實驗現象看，乙醇的用量對固體燃料塊的固化影響較為明顯和關鍵。當乙醇加入量較少時，固化產物分布不均勻，存在局部凝固的現象。從圖3殘留率數據，可以看到，由于固化產物的分布不均勻，存在不充分燃燒現象，導致殘留率較高。只有隨著乙醇用量增加，乙醇溶劑效應產生，確保油脂分子均勻分布于硬脂酸鈉網格中，燃燒殘留率才大大降低。從固化效果來看，乙醇量的增加，導致油脂固化效果越來越好，固化產物逐漸增大，直到油脂和無水乙醇之比為1∶5時，固化產量達到最大。再增加乙醇用量，因乙醇的稀釋作用，燃料塊的固化效果降低，產量也有所下降。所以，綜合考慮產量和殘留率指標，本實驗選擇油脂和無水乙醇比1∶5為最佳固化條件。

2.1.4 固化溫度的影響

圖4為固化溫度對油脂固化效果的影響圖，可以看到當溫度小于75 ℃時候，油脂的固化產量、殘留率并無太大的變化，但是當溫度超過了75 ℃時，達到78 ℃。

圖4 固化溫度對固化效果的影響

由于達到了無水乙醇的沸點，乙醇揮發，導致固化產量大幅度降低。對于殘留率來說，溫度45 ℃時，出現最小值，僅為6.5%。但超過75 ℃后，固體燃料塊中乙醇含量降低，燃燒性能變差，殘留率大幅度升高，甚至不能完全燃燒。當固化產量相差不大的情況下，選擇在45 ℃下進行固化反應。

2.1.5 固化時間的影響

如圖5所示，當反應時間超過55 min時，所得到固體燃料的產量大大降低，殘渣率顯著升高，性能變差，產品顏色逐漸發紅。反之當反應時間小于55 min時，固化產量以及殘留率在反應時間為50 min時出現極值，其固化產量達到最大，燃燒殘留率僅為7.9%。所以，50 min為最佳反應時間。

圖5 固化時間對固化效果的影響

2.2 實際應用

本實驗選用食堂餐廚垃圾油、煎炸后油兩種餐廚垃圾油進行固體燃料塊的實際制備應用，同時選取大豆油餐廚垃圾油做空白對照實驗，并對所獲得的固體燃料塊與市場上采購的酒精塊的燃燒性能進行了對比，具體數據見表1。

表1 固體燃料塊的制備性能及對比

可以看到：在最佳固化條件下，常見餐廚垃圾油的固化效果都較優，產量均在100.0 g左右，殘留率最高僅為8.2%，而采用食堂餐廚垃圾油制備的固體燃料塊性能更好，其燃燒殘留率僅為6.5%。多次燃燒實驗表明，所制備的燃料塊燃燒時間均較長，分別可達99.3、94.0、83.3 s/g，均優于市場采購酒精塊的61.3 s/g。

3 結論

以餐廚垃圾油為原料，通過工藝條件的優化，最終成功制備出油脂類固體燃料塊，所制備的燃料塊可與市場上的酒精塊相媲美，具有較高的應用價值。油脂類固體燃料塊的成功制備，不僅可以為市場提供一種新型的燃料，帶來良好的社會效益，最為重要的是它的原材料是餐廚垃圾油。餐廚垃圾油不僅來源廣泛，而且廉價易得，可大大降低固體燃料塊的生產成本，同時減少餐廚垃圾油流回餐桌的潛在風險。