一种用于食品废弃物消化液脱水的环氧乙烷-环氧丙烷破乳剂

《Water Research X》：A novel ethylene oxide-propylene oxide demulsifier for dewatering of food waste digestate

　　

食品废弃物消化液由于高盐度和残余油脂而难以脱水。本研究评估了一种两亲性环氧乙烷-环氧丙烷（EO-PO）破乳剂用于食品废弃物消化液的脱水，并与其它方法（如聚丙烯酰胺（PAM）、聚合氯化铝（PAC）、Fe(II)-Oxone和聚环氧乙烷（PEO））进行了比较。与原始样品（RS）相比，EO-PO调理显示出最高的过滤性能改善，毛细管吸入时间（CST）降低87%，比过滤阻力（SRF）降低93%。相比之下，PAM、PAC、Fe(II)-Oxone和PEO的CST和SRF降低效率有限。EO-PO在脱水中的优越性还通过结合水、中位粒径、Zeta电位、可压缩性、滤液质量、脱水滤饼含水率和流变学结果得到进一步证实。此外，EO-PO的添加将主要有机组分从亲水性物质转变为疏水性酸性有机物。它还增加了C–CH₃（非极性碳基团）的比例，并降低了C–OH（亲水性羟基）的比例。EO-PO处理消化液的第二最小值能量和Lewis酸碱相互作用能明显大于其他调理方法，表明消化液颗粒具有更强的聚集趋势。EO-PO将滤饼从孤立孔隙转变为连通孔隙网络，总孔隙率从RS的1.36%增加到13.54%，曲折度从RS的1.46降低到1.04。进一步分析表明，EO-PO破乳剂作为脱水剂在经济上可行且环境友好。本研究提出了一种新型EO-PO破乳剂方法用于增强消化液脱水。

**论文解读：环氧乙烷-环氧丙烷破乳剂强化食品废弃物消化液脱水**

**研究背景与问题**
食品废弃物经厌氧消化（AD）后产生的消化液，因高盐度、残余油脂及丰富的胞外聚合物（EPS）、微生物残体、腐殖质等复杂组分，导致脱水困难。传统调理剂如聚丙烯酰胺（PAM）和聚合氯化铝（PAC）在高离子强度下效果有限，不能有效释放结合水；高级氧化方法如Fe(II)-Oxone虽能破坏EPS，但能耗高、成本大；聚环氧乙烷（PEO）虽能改善脱水，但其降低界面张力的能力有限。目前缺乏针对消化液复杂油-水-固体系的高效脱水方法。环氧乙烷-环氧丙烷（EO-PO）破乳剂在石油工业中用于破乳，但其在消化液脱水中的应用及机制尚未系统研究。因此，研究人员开展了本研究，旨在评估EO-PO破乳剂用于食品废弃物消化液脱水的可行性、效果及机理，并与PAM、PAC、Fe(II)-Oxone、PEO进行比较。该研究发表在《Water Research X》。

**研究开展与结论**
研究人员通过实验室规模实验，对比了不同调理剂对消化液脱水性能的影响，得出了EO-PO破乳剂在过滤性、结合水释放、颗粒聚集、滤饼孔隙结构等方面均优于其他方法的结论。其重要意义在于提出了一种经济可行、环境友好的消化液脱水新策略，并为理解两亲性破乳剂在复杂基质中的作用机制提供了新见解。

**关键技术方法**
主要技术方法包括：1）脱水性能评价：毛细管吸入时间（CST）、比过滤阻力（SRF）、结合水、滤饼含水率、可压缩性、中位粒径（D₅₀）、Zeta电位、流变学（Herschel-Bulkley模型拟合）；2）EPS组分分析：阳离子交换树脂法提取可溶性EPS（S-EPS）和结合态EPS（B-EPS），测定总有机碳（TOC）、蛋白质、多糖；3）亲疏水性极性分馏：使用XAD-4/XAD-8树脂将EPS分为亲水性物质（HPI）、疏水性酸性有机物（HPO-A）、过渡亲水性酸性物质（TPI-A）、疏水性中性有机物（HPO-N）和过渡亲水性中性物质（TPI-N）；4）界面相互作用能分析：基于扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek（XDLVO）理论计算总相互作用能（W_TOT），并辅以X射线光电子能谱（XPS）表征表面官能团；5）孔隙结构表征：采用X射线微型计算机断层扫描（CT）对脱水滤饼进行三维重建，分析孔隙率、喉道数量、配位数、曲折度等。样本来自福建福州中城科再生资源利用有限公司。

**研究结果**
**3.1 消化液脱水性能**
通过CST、SRF、结合水、滤饼含水率、Zeta电位、粒径、可压缩性、滤液质量及流变学测试，发现EO-PO调理后CST降低87.1%、SRF降低93.3%，均优于其他方法。结合水从2.6 g/g TS降至1.2 g/g TS，滤饼含水率降至61%（最低）。Zeta电位绝对值从21.6 mV降至10.1 mV，D₅₀从38.9 μm增至223.5 μm，可压缩系数降至1.35（最低），流变学显示n值最高、k值最低，表明流变性和抗压缩性最佳。

**3.2 固体消化液流变学变化**
Herschel-Bulkley模型拟合表明，EO-PO处理后的消化液具有最高的n值（接近牛顿流体）和最低的k值（黏度最小），证实其流动性和沉降性改善。

**3.3 不同EPS层中有机组分变化**
EO-PO处理后，S-EPS中TOC、蛋白质、多糖含量均最低；B-EPS中蛋白质含量最低（457.4 mg/L），表明EO-PO能有效破坏油水界面，促使EPS脱附并随油相迁移。

**3.4 不同EPS层中有机组分亲疏水极性变化**
XAD树脂分馏显示，EO-PO将HPI比例从48%降至13%，而HPO-A从23%增至50%，成为主要组分。XPS分析表明，C–CH₃（非极性碳）比例从54%升至70%，C–OH（亲羟基）从36%降至17%，表面疏水性显著增强，有利于颗粒聚集和水分离。

**3.5 不同处理对消化液絮体间相互作用能的影响**
XDLVO计算表明，EO-PO处理的消化液具有最大的势垒和第二最小值，主要由Lewis酸碱相互作用能（W_AB）主导。第二最小值能量显著高于其他处理，表明颗粒通过弱可逆吸引形成多孔絮体，有利于保持结构完整性并促进水通道形成。

**3.6 脱水滤饼孔隙发育**
CT重建显示，EO-PO处理后滤饼总孔隙率从1.36%增至13.54%，孤立孔隙消失，全部孔隙连通。喉道数量从274增至972，平均配位数从0.50升至10.80，孔径从5.32 μm增至93.10 μm，曲折度从1.46降至1.04，低曲折度（≤1.2）段比例从76.68%增至92.97%。表明形成了开放、连续的排水通道。

**3.7 潜在脱水机制**
EO-PO通过两亲性结构（亲水EO段、疏水PO段）破坏油-水-固界面，降低界面张力，弱化水与EPS的结合。同时，它改变EPS极性分布（HPI减少、HPO-A增加），增强颗粒表面疏水性，促进颗粒聚集，形成多孔、低曲折度的滤饼结构，从而显著提升脱水效率。

**3.8 意义**
经济分析表明，EO-PO的处理成本（600-800美元/吨干固体）低于PEO（850-1700美元/吨干固体），且最终含水率最低（61%），环境兼容性相当。尽管PAM和PAC成本更低，但脱水效果有限。EO-PO在操作便利性、成本和环境友好性方面具有优势，但需进一步研究其残留物及生态毒性。

**结论翻译**
本研究证明了EO-PO破乳剂是食品废弃物消化液脱水的高效调理剂，且明显优于传统方法如PAM、PAC、Fe(II)-Oxone和PEO。得出以下结论：
(1) EO-PO调理显示出最强的过滤性能改善，与RS相比，CST降低效率达87.1%，SRF降低效率达93.3%。相比之下，PAM、PAC、Fe(II)-Oxone和PEO的CST和SRF降低效率有限，分别为3%、13%、63%、24%和39%、41%、53%、77%。同时，滤液浊度从RS的997 NTU急剧降至11 NTU，表明EO-PO同时提高了固液分离效率和滤液澄清度。
(2) EO-PO破乳剂的优越性能与消化液理化性质和有机物组成的协同变化相关。EO-PO将D₅₀从RS的38.9 μm增至223.5 μm，Zeta电位从?21.6 mV移至?10.1 mV，有利于颗粒聚集。EPS分馏进一步揭示，主要有机组分从RS中的HPI（48%）转变为EO-PO处理后的HPO-A（50%）。
(3) 界面和结构分析为观察到的脱水增强提供了机制证据：XDLVO计算显示，EO-PO调理的消化液具有独特的W_TOT曲线，主要由Lewis酸碱相互作用控制，且在所有处理中具有最大的势垒和第二最小值。这种相互作用能模式有利于颗粒聚集而非过度压缩。CT重建进一步表明，EO-PO将滤饼从RS的致密孤立孔隙系统转变为开放、完全连通的网络，总孔隙率从1.36%增至13.54%，消除孤立孔隙，喉道数量从274增至972，曲折度从1.46降至1.04。
(4) 总体而言，EO-PO破乳剂通过EPS疏水重构、界面相互作用调控和滤饼孔隙网络重建的联合机制增强了消化液脱水能力。这些发现为应用两亲性EO-PO破乳剂作为食品废弃物消化液脱水的实用调理剂提供了机理基础。