芬顿氧化预处理通过热液法提高了从厨余垃圾中制备人工腐殖酸的生产效率

《Waste Management》：Fenton oxidation pretreatment enhanced the production efficiency of artificial humic acids from kitchen waste by hydrothermal process

厨房废物经Fenton氧化预处理后，水热处理时间从6小时缩短至3小时，人工腐殖酸（AHAs）产量提升至18.43 wt%。结构分析表明预处理产物（FHA-3）与未处理产物（HHA-6）结构相似但不同于商业腐殖酸（CHA），证实预处理加速了中间产物的形成。

　　厨房垃圾（Kitchen Waste, KW）的高效处理一直是环境科学和资源循环利用领域的重要课题。随着全球对可持续发展和资源回收的关注日益增加，如何将厨房垃圾转化为高附加值的有机产物成为研究热点。近年来，人工腐殖酸（Artificial Humic Acids, AHAs）因其在土壤改良、农业应用和环境修复中的广泛潜力，逐渐受到重视。AHAs是通过模拟自然腐殖化过程，利用高温高压条件对生物质进行转化所得到的产物，具有结构复杂性和功能多样性。然而，传统的AHAs制备方法通常需要较长的处理时间，这限制了其在实际工程中的应用。因此，如何在不增加能耗的前提下，提高AHAs的产率并缩短处理时间，成为当前研究的关键。

在这一背景下，Fenton氧化反应作为一种高效的高级氧化技术，因其强大的氧化能力被广泛应用于有机废水处理。Fenton反应通过过氧化氢（H?O?）和亚铁离子（Fe2?）的协同作用，产生羟基自由基（·OH），这些自由基具有极强的氧化能力，能够有效破坏有机分子的结构，促进其分解和转化。近年来，Fenton氧化技术也被引入到生物质预处理过程中，以提高后续反应的效率。然而，目前尚缺乏系统研究Fenton氧化预处理对厨房垃圾在高温高压条件下转化为AHAs的具体影响。因此，本研究首次尝试将Fenton氧化作为预处理手段，应用于厨房垃圾的水热腐殖化过程，以期提高AHAs的产量并缩短反应时间。

本研究以模拟厨房垃圾为原料，通过Fenton氧化预处理，随后在180°C下进行水热转化，成功制备出AHAs。结果表明，经过Fenton氧化预处理后，AHAs的产率显著提高，从传统的6小时水热处理所需的14.37±0.61%提升至仅需3小时即可达到的18.43±0.21%。这一成果不仅证明了Fenton氧化预处理在提升AHAs产率方面的有效性，也为实现厨房垃圾的高效资源化利用提供了新的思路。此外，研究还通过多种表征手段，如元素分析（EA）、固态13C核磁共振（13C NMR）和X射线光电子能谱（XPS）等，对AHAs的结构特性进行了深入分析，揭示了Fenton氧化如何改变原料的化学结构，从而加速AHAs中间产物的形成，提高最终产物的产率。

厨房垃圾的主要成分包括淀粉和蛋白质，这些成分在自然条件下容易分解，因此其在水热处理过程中可能面临结构不稳定的问题。而传统水热处理通常需要较长的时间才能使这些成分转化为稳定的AHAs。相比之下，Fenton氧化预处理能够在较低的反应时间下，通过引入自由基，对原料进行有效氧化，破坏其复杂的分子结构，促进芳香核和侧链的形成，从而提高AHAs的产率。这种预处理方式不仅减少了反应时间，还降低了能耗，提高了整个水热腐殖化过程的效率，为实际工程应用提供了技术支撑。

在实际应用中，AHAs的产率和反应时间是影响其经济性和环境效益的重要因素。传统的水热处理方法虽然能够有效生成AHAs，但其较长的处理时间往往导致设备运行成本增加，限制了其大规模推广。而Fenton氧化预处理的引入，为解决这一问题提供了新的可能。通过Fenton氧化，原料的化学结构被改变，使得在后续的水热处理过程中，反应速度加快，产物生成效率提高。这不仅有助于缩短整个处理流程的时间，还能降低能源消耗，提高资源回收的可持续性。

此外，研究还发现，经过Fenton氧化预处理后的AHAs（FHA-3）在结构上与未经预处理的AHAs（HHA-6）具有较高的相似性，而与商业腐殖酸（CHA）存在明显差异。这一发现表明，Fenton氧化预处理虽然能够改变原料的化学结构，但其最终产物仍保留了天然腐殖酸的基本特征。同时，这种预处理方式在一定程度上提高了AHAs的结构复杂性和功能多样性，使其在特定应用中更具优势。例如，在土壤改良和农业应用中，AHAs的结构特性能够有效改善土壤的理化性质，提高土壤的持水能力，增强土壤的肥力，从而为农业生产提供支持。

从环境角度来看，厨房垃圾的处理一直是城市垃圾管理中的难题。传统的处理方式如填埋和焚烧虽然在一定程度上能够减少垃圾量，但也会带来严重的环境问题，如土壤和空气污染、温室气体排放等。相比之下，水热腐殖化作为一种绿色、可持续的处理技术，能够在不产生有害物质的前提下，将厨房垃圾转化为具有高附加值的有机产物。而Fenton氧化预处理的引入，进一步优化了这一过程，使得厨房垃圾的资源化利用更加高效和环保。

在技术层面，Fenton氧化预处理为水热腐殖化提供了新的化学路径。通过Fenton反应，原料中的有机大分子被有效分解，形成更小的中间产物，这些中间产物在后续的水热处理过程中更容易发生聚合和交联反应，从而生成结构复杂的AHAs。这种预处理方式不仅提高了AHAs的产率，还改善了产物的物理化学性质，使其在实际应用中更具优势。例如，AHAs具有较强的吸附能力，能够有效去除水体中的重金属离子和有机污染物，从而在水处理和土壤修复中发挥重要作用。

同时，Fenton氧化预处理还能够降低后续水热处理过程中的能耗。由于预处理阶段已经部分分解了原料中的有机成分，后续的水热反应在较低的能耗下即可完成，从而提高了整个处理过程的经济性和可行性。这种技术优势对于大规模处理厨房垃圾尤为重要，因为高能耗往往成为制约技术推广的关键因素。通过Fenton氧化预处理，不仅能够提高AHAs的产率，还能降低整体的处理成本，为厨房垃圾的资源化利用提供了一种更加高效和经济的解决方案。

从应用角度来看，AHAs在多个领域都展现出广阔的应用前景。首先，在农业领域，AHAs能够作为土壤改良剂，提高土壤的肥力和持水能力，促进作物的生长。其次，在环境修复方面，AHAs具有较强的吸附能力和稳定性，能够有效去除水体和土壤中的污染物，如重金属离子和有机污染物。此外，AHAs还被广泛应用于水处理、医药、化妆品等领域，显示出其多方面的应用价值。因此，提高AHAs的产率和优化其制备工艺，不仅有助于实现厨房垃圾的高效资源化利用，还能推动其在更多领域的应用。

本研究的创新点在于首次将Fenton氧化作为预处理手段应用于厨房垃圾的水热腐殖化过程。通过Fenton氧化，原料的化学结构被有效改变，从而在后续的水热处理过程中加速了AHAs的生成，提高了产物的产率。这种预处理方式不仅减少了反应时间，还降低了能耗，为厨房垃圾的资源化利用提供了新的技术路径。此外，研究还通过多种表征手段，揭示了Fenton氧化预处理对AHAs合成过程的具体影响，为后续的工艺优化和机制研究提供了理论依据。

在实际工程应用中，本研究提出的方法具有较高的可行性。首先，Fenton氧化预处理能够在常温下进行，避免了高温高压处理带来的设备限制和安全隐患。其次，Fenton氧化的反应条件相对温和，能够有效控制反应的进行，提高产物的稳定性。此外，该方法还能够与其他处理技术相结合，形成更加完善的厨房垃圾处理体系。例如，Fenton氧化预处理可以与水热处理、生物处理等技术协同使用，提高整体处理效率，实现厨房垃圾的高效资源化利用。

总的来说，本研究通过引入Fenton氧化预处理，成功提高了厨房垃圾转化为AHAs的效率，为实现厨房垃圾的资源化利用提供了新的技术路径。这一成果不仅有助于解决厨房垃圾处理中的环境问题，还能推动AHAs在多个领域的应用，具有重要的理论和实践意义。未来的研究可以进一步优化Fenton氧化预处理的条件，探索其在不同原料中的适用性，并拓展其在其他生物质处理中的应用，以实现更广泛的资源回收和环境治理目标。