高效的PAC–CPAM协同破乳技术用于O/W型厨房废水的处理，以实现油类回收和可持续资源利用

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Efficient PAC–CPAM synergistic demulsification of O/W kitchen wastewater for oil recovery and sustainable resource utilization

厨房废水脱乳化回收油技术研究：通过PAC/CPAM协同作用降低油水乳化稳定性，优化药剂配比（10:1）、温度（45±2℃）、搅拌速度（500rpm）及pH条件，实现85-92%油回收率。机理分析表明，PAC通过电荷中和消除静电排斥，CPAM通过 bridging作用促进油滴碰撞凝聚，形成可沉降油絮体。zeta电位从-35mV升至近零，油滴粒径由微米级增至数十微米级，FTIR证实油品结构完整。摘要分隔符

　　

耿明浩|崔萌|李正泽|李发社|王华

中国云南省昆明市昆明理工大学清洁能源与储能技术重点实验室，邮编650093

摘要

厨房废水通常含有大量的脂肪、油脂和表面活性剂，这些物质会形成稳定的油水（O/W）乳液，使用传统处理方法难以分离。在本研究中，采用聚铝氯化物（PAC）和阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）协同作用来破乳这种乳化的厨房废水并回收可回收的油。系统地研究了PAC/CPAM的投加比例、搅拌速度、反应温度和pH值对破乳效果的影响，并通过Zeta电位和粒径分析来阐明其作用机制。结果表明，在45 ± 2°C、500转/分钟的操作条件下，当PAC:CPAM的质量比为10:1时，乳液的稳定性显著降低。油滴的表面电位从-35 mV降至接近零，有效消除了静电排斥作用。相应地，油滴的粒径从微米级变为几十微米，表明乳化油滴发生了聚结，形成了密集的可沉淀油絮。PAC的电荷中和作用与CPAM的桥接作用共同加速了电动力调节过程，促进了碰撞驱动的聚结和絮体生长，使系统从稳定的乳液转变为固液两相混合物。破乳后的油回收率达到了85–92%。在相同的最佳条件下，水相中的残余油浓度通常在0.80–0.90 g/L范围内。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实，回收的油中的酯基团和烃链结构保持完整。

引言

为了高效分离油水（O/W）乳液中的油和水——特别是含有表面活性剂的高油含量厨房废水，破乳技术受到了广泛研究。其中，物理化学破乳方法引起了越来越多的关注和研究[1]、[2]。厨房废水是一种典型的复杂污染物，含有高浓度的油和有机物，主要来源于食品加工和食用油生产[3]、[4]。其主要成分包括动植物脂肪、蛋白质、碳水化合物以及大量的表面活性剂[5]。在机械搅拌和混合的作用下，这些成分容易形成稳定的O/W乳液[6]。乳液具有很高的热力学稳定性：油滴表面常常覆盖着带电的表面活性剂分子[7]。由于双层静电排斥、空间位阻和氢键的作用，这些分子有效阻止了油滴的聚结[8]。因此，传统的物理分离方法（如空气浮选[9]、酸破乳[10]和离心过滤[11]）往往效率较低。长期排放此类废水可能导致管道堵塞、富营养化和生物毒性积累，给废水处理系统带来巨大负担[12]。

近年来，从厨房废水中回收和再利用油脂受到了重视。从O/W乳液中提取油的技术可以分为物理破乳、化学破乳和生物破乳方法。物理破乳方法包括加热、空气浮选、超声波处理、电场处理和膜分离[13]。Martínez-Palou R[14]比较了微波加热和油浴加热的破乳时间，发现微波介电加热比传统加热更快、更有效。A. D. Nikolov[15]分析了在絮凝剂存在下空气浮选过程中气泡/油界面和油/油界面的膜厚度稳定性，表明阳离子高分子量聚合物絮体能有效破乳原油O/W乳液。Xianzhen Xu[16]研究了超声波辅助的破乳和脱水过程，发现在特定温度和超声功率条件下效率较高；然而，过度超声处理会导致分离混合物重新乳化，而温和的超声处理则能增强化学破乳剂的性能。Yuying Deng[17]研究了基于膜的破乳方法，指出该方法具有能耗低、成本低、效率高和环保等优点，但其作用机制尚不清楚，且膜污染和稳定性问题限制了其工业应用。Yubin Wang[18]进一步探讨了离心破乳方法，发现在最佳条件下分离效率可达99.9%；然而，其高能耗和设备成本限制了大规模应用。

生物破乳涉及微生物在代谢过程中产生破乳物质，或某些生物材料本身具有破乳能力[19]、[20]。这些生物分子使乳液不稳定并实现相分离。

在各种破乳策略中，化学破乳因反应速度快、能耗低和可扩展性强而受到广泛研究[21]、[22]。聚铝氯化物（PAC，通用公式为[Al?(OH)nCl?-n]m，m表示聚合度，n表示中性度）是一种无机聚合物混凝剂，水解后释放多核高价阳离子，导致带负电的油滴电荷中和和界面不稳定[23]。阳离子聚丙烯酰胺（CPAM，通用公式为(C?H?NO)n，n表示聚合度）由于其长分子链上的正电荷，可实现多点吸附和链桥接作用，促进油滴聚结并形成密集的絮体[24]、[25]。先前的研究表明，单独使用无机或有机破乳剂往往导致破乳速率有限、效率低下或絮体结构不稳定[26]。

引入复合的无机-有机破乳剂可以在分子尺度上分阶段调节界面电位和油滴动态稳定性，从而为探索协同破乳机制提供了新的途径[27]、[28]。

为解决上述实际和科学问题，本研究以真实的高油含量O/W厨房废水为起点，构建了一个具有代表性的稳定乳液系统，保留了悬浮固体/胶体和表面活性剂的复杂组成。我们不是将PAC-CPAM破乳视为常规的混凝-絮凝过程，而是将其视为一种工程上可行的分阶段策略：首先使用PAC进行电荷中和，然后使用CPAM促进聚合物桥接、絮体生长和后续稳定。在此框架内，系统地研究了关键操作因素（尤其是PAC:CPAM的投加比例、反应温度、搅拌强度和pH值）的影响，并通过油回收效率和残余油浓度（单位mg/L）来评估性能，这些指标对实际应用更具参考价值。

通过跟踪处理过程中的电化学变化，并将Zeta电位测量与油滴/絮体粒径分析相结合，提供了对PAC和CPAM作用的清晰解释，从而可以在共同的基础上讨论它们的贡献。除了分离性能外，该工作还考虑了资源利用情况，通过回收油的特性分析来评估下游价值的可行性。

因此，本研究的目标和贡献有三个方面：

(i)

在具有挑战性的实际厨房废水基质中研究破乳效果，并报告定义分离基线条件的关键废水特性；

(ii)

通过系统评估主要可控变量，确定PAC分阶段调整pH值和随后投加CPAM的稳健操作窗口；

(iii)

利用机制指标解释分离效果，将油回收与静电相互作用和聚集体生长的变化联系起来，同时强调资源导向的回收和低影响处理。

实验部分

实验部分

高油含量废水样本来自校园食堂厨房的乳化混合废水。油浓度范围为1.0 × 10?至2.0 × 10? mg/L。聚铝氯化物（PAC，分析试剂级，AR）由西安天茂保定生物技术有限公司提供。使用的阳离子聚丙烯酰胺（CPAM，AR级）的分子量分别为6 × 10?、8 × 10?和12 × 10?；其中6 × 10?级别的CPAM由广东翁江化学试剂有限公司提供，

结果与讨论

分阶段投加PAC–CPAM处理在实际厨房废水中产生了明显的相分离，表明乳液有效失稳并形成了絮体。图2展示了一个典型的结果，其中在澄清的水相上方形成了富含油的絮体层。基于这一实际视觉基准，以下部分通过残余油浓度、破乳效率和油回收率来量化破乳效果，然后进行进一步分析

结论

本研究探讨了高油含量O/W厨房废水的有效破乳和油回收方法，并建立了一种基于聚铝氯化物和阳离子聚丙烯酰胺协同作用的处理系统。通过分阶段投加和操作参数优化，研究了絮凝剂如何调节乳液中的界面电荷和油滴聚集，以支持厨房废水的资源回收。主要研究结果总结如下

实际应用和进一步工作的建议

分阶段投加PAC-CPAM的策略适用于需要快速油回收和减轻负荷的前端分离过程，以便在后续生物处理或高级处理之前进行。在实际操作中，建议对进水进行简要表征，至少了解初始油含量和浊度或悬浮固体含量，以便在有效的PAC:CPAM范围内调整投加量，而不是固定配方。在常规操作中，应保持系统处于最佳状态

作者贡献声明

李发社：撰写——审稿与编辑、监督、正式分析。耿明浩：撰写——初稿、可视化、方法学、实验研究。王华：可视化、概念设计。崔萌：监督、资金获取。李正泽：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了云南省基础研究项目（202201AS070036）、国家自然科学基金（52166013）、云南省重大科技项目（202302AF080005、202302AG050011、202501AU070108）以及云南省科技人才与平台计划（202305AS350016）的财政支持。