惰性粉氣溶膠防蟲技術在橫向通風糧倉中的應用

汪中明 曹 陽 張振軍 齊艷梅 石天玉 張 濤 季振江 楊 旭 張宏宇 李燕羽

(國家糧食局科學研究院1，北京 100037) (河南工業大學糧油食品學院2，鄭州 450001) (清苑國家糧食儲備庫3，保定 071000) (山東費縣魯南國家糧食儲備庫4，臨沂 237400)

惰性粉氣溶膠防蟲技術在橫向通風糧倉中的應用

汪中明1曹 陽1張振軍1齊艷梅2石天玉1張 濤1季振江3楊 旭3張宏宇4李燕羽1

(國家糧食局科學研究院1，北京 100037) (河南工業大學糧油食品學院2，鄭州 450001) (清苑國家糧食儲備庫3，保定 071000) (山東費縣魯南國家糧食儲備庫4，臨沂 237400)

為了解惰性粉氣溶膠防蟲技術在橫向通風系統倉房使用中，惰性粉隨氣流在糧堆中的擴散和分布狀態，采用稱重和顯微鏡、電子顯微鏡觀察等方法對糧堆不同部位采集的粉塵樣本進行檢測。結果表明，在施粉階段，施粉對側主風道內能夠檢測到惰性粉氣溶膠濃度約為0.039 mg/L，表明惰性粉氣溶膠能夠在糧堆中糧粒的空隙間擴散，可以穿透21 m糧堆，到達對側主風道。施粉結束后，檢測糧堆內糧粒沾粉情況，結果發現緊挨噴粉側的糧粒沾粉率較高，最高可達6.9%。而沿著氣流向糧堆內流動的方向，糧堆中沾粉糧粒的百分率逐漸降低。

食品級惰性粉 橫向通風 氣溶膠 分布

為了保證在糧食儲藏環節降低有害物質殘留，無公害儲糧技術受到青睞[1]。惰性粉是一些物理和化學性質穩定的物質，在防治儲糧害蟲方面有較早的應用歷史，成分也有多種類別。其中，食品級惰性粉(以下簡稱惰性粉)是屬于人工合成的二氧化硅，常作為食品添加劑，它通過磨損昆蟲關節等方式殺蟲，是一種物理防治方法[2-4]。傳統的惰性粉的施用多采用拌合等方法，費時費力且與糧食混合后的均勻性差，為了該技術的廣泛推廣應用，急需探尋出新的施用工藝。本研究擬利用惰性粉顆粒小、比重低的物理特性，在具備通風系統的糧倉內，通過噴粉機將惰性粉噴施到空氣中與空氣形成氣溶膠，再通過風機驅動使氣溶膠化的惰性粉形成氣固兩相流，進入糧堆，發揮防止糧食結塊和防蟲殺蟲作用[5]。將該施用方法命名為食品級惰性粉氣溶膠防蟲技術。

根據儲糧通風工藝中氣流流向和分布的不同，可以把儲糧通風分為豎向通風和橫向通風兩大類[6]。前期，我們在豎向通風系統倉房內對該技術進行測試。而橫向通風系統的設計形式是通風道在倉房檐墻南北兩側垂直放置，糧面覆膜，氣流接近水平穿過糧層[7]。因此，對于惰性粉氣溶膠防蟲技術來說，由于糧面覆膜，沒有了糧堆上部空間，噴粉的位置和空間需要改變。此外，氣流穿過糧層的方向的差異，必然也會導致惰性粉氣溶膠在糧層中的擴散和分布，也會導致對害蟲的防護效果的差異。

因此本研究的目的是評價在橫向通風系統糧倉內惰性粉氣溶膠防蟲技術的適用性。包括測定該技術應用的工藝參數，了解惰性粉氣溶膠氣固兩相流在糧堆內的分布情況和均勻性。

1 材料和方法

1.1 材料與設備

食品級惰性粉：國家糧食局科學研究院；糧食：小麥(河北產)，平均含水量12.5%，入倉時間為2014年8月。

3F-30噴粉機，單位噴施量為8～20 kg/h；7.5 kW變頻器、CZTY 450型7.5 kW強力軸流風機：河南未來機電工程有限公司； 4-72-4.5型7.5 kW離心風機：河北省高碑店市鼓風機廠；糧食扦樣器；CCZ20粉塵采樣器；Hitachi S-3000 N掃描電鏡；萬分之一天平；CQM-2倉房氣密性檢測裝置。

倉房：高大平房倉(60 m×21 m×11 m)，糧高為6 m，5 466 t，配有橫向通風系統(見圖1)。主風道：南北墻底部，扇形通風道(1/4半圓)，直徑50 cm。支風道：南北墻上垂直半圓形通風道，直徑40 cm。南墻19個支風道，北墻17個支風道，間距：2.7 m。通風口：南北兩側各4個；直徑500 cm。

1.2 方法

1.2.1 試驗參數測定

1.2.1.1 噴粉機出口風速

噴粉機啟動后，調節發動機油門和流量開關，用葉輪式風速儀檢測不同功率、不同流量下噴管出口風速。

1.2.1.2 通風糧堆單位面積上的通風量(表觀風速)

檢測點布置：測點根據糧面形狀，按均勻網格狀布置，測點離墻約0.5 m，點之間距離1.5～2 m。 測算通風糧堆單位面積上的通風量(表觀風速)。

風機測試管風速：用風速儀對測試風機測試管測定截面的2個方向共16個測點依次測量風速值。

式中：V為所測量截面平均風速/m/s；v1，v2～v16分別為所測量截面上各點風速值/m/s。

風機總風量：根據截面平均風速計算截面平均風量，即單個風機平均總風量。

截面平均風量：Q=3 600×V×S

式中：Q為所測量截面平均風量/m3/h；V為所測量截面平均風速/m/s；S為測試所取截面面積/m2。

總通風量：根據測得的單個風機的平均總風量，計算通過整個糧倉糧堆橫向通風的總通風量：

倉房糧堆橫向通風系統總風量 (m3/h)：Q總=Q1+Q2+…+Qn

表觀風速：根據總通風量計算糧堆氣流通過單位面積上的單位通風量[m3/(s·m2)],俗稱表觀風速(m/s)。

式中：VS為表觀風速/[m3/(s·m2)]；Q總為所測倉房總通風量/m3/s；S為糧堆氣流通過的總截面面積/m2。

1.2.1.3 倉房氣密性

2次施粉前，對薄膜密封后的糧堆進行氣密性測定，方法參照LS/T 1213—2008。

1.2.2 施粉方法

采用從倉房兩側向倉內施粉的方法。根據噴粉的方向，將4臺7.5 kW風機安裝在粉流向終點側的4個通風口，采取負壓吸出式通風，產生橫向通風氣流。啟動風機進行通風1 h后，將4臺噴粉機的噴粉管連接在粉流向起點的通風機口，向通風主風道內噴施，噴施完設定用量后，繼續通風1 h后停機。結束一側噴粉后，調轉風機至另一側，以同樣方法進行另一側的施粉。劑量為20 mg/L分2次噴施，每次10 mg/L，惰性粉總用量為50 kg。

1.2.3 惰性粉施粉工藝效果檢測

1.2.3.1 施粉過程中糧堆內惰性粉氣溶膠濃度檢測

粉流向終點側主風道內粉塵取樣：在風道口與風機的軟連接處接入一根氣體粉塵取樣管，延伸至主風道0.5 m處，進行粉塵采樣，用粉塵采樣儀進行。

通風30 min后，在(第2次)向倉南側施粉前，采集2個北側主風道內粉塵樣品，采樣20 min，編號依次為1、2。開始噴粉后，采集北側主風道內粉塵樣品，采樣時間為60 min，編號為3。

糧堆內粉塵取樣：噴粉結束后30 min，在倉內的N6截面選擇3個取樣點，分別對應支風道1、支風道5和支風道9，距離糧面約30 cm，采樣時間為20 min，編號依次為4、5和6。進行顯微結構觀察。

氣溶膠濃度計算：將所采集樣本用萬分之一天平稱重，用公式計算氣溶膠濃度。

式中：C為惰性粉氣溶膠質量濃度/mg/L；M為采集惰性粉質量/mg；V為采集時間內的空氣體積/L；M為采集后濾紙質量-濾紙初始質量/mg；V=采集時間/min×采樣器流量/L/min。

1.2.3.2 施粉結束后惰性粉在糧堆中的分布

扦樣點的選擇：將糧堆從北到南依次分為7個截面，分別為N1(緊靠支風道10 cm以內)～N7(圖1)。每個截面選擇3個扦樣點，M1：2～3支風道之間；M2：正對著第3支風道；M3：正對著倉門中線。每個點扦取5個不同深度的樣本)。

圖1 扦取小麥樣品的取樣樣點分布示意圖

表1 小麥樣本距糧面深度

樣本層數距糧面深度/cm對應編號上層5～11-1第2層21～27-2第3層37～43-3第4層53～59-4下層64～70-5

取樣次數：共取2次樣品，即第1次和第2次施粉結束后在同一取樣點各取1次，進行顯微結構觀察。

1.2.4 顯微結構觀察

采用掃描電鏡對噴粉時空間惰性粉樣品和體氏顯微鏡對黏附惰性粉后小麥樣品的進行觀察。

2 結果與分析

2.1 惰性粉氣溶膠橫向通風施粉工藝參數

2次施粉前倉房的氣密性分別為壓力半衰期50 s和27 s。第1次施粉前糧堆的表觀風速分別為0.016 7 m/s，2次施粉前糧堆的表觀風速為0.02 m/s，2次通風的均勻性差異不大，表明惰性粉施用后對糧堆的表觀風速沒有產生影響。每臺噴粉機單位噴施量為10～16 kg/h，均可以滿足惰性粉氣溶膠化和橫向通風形成兩相流的要求。

2.2 惰性粉在小麥糧堆中的分布

2.2.1 糧粒間隙中惰性粉氣溶膠濃度

各采集點的惰性粉氣溶膠濃度列于表2。所采集的惰性粉氣溶膠樣本，在電子顯微鏡下形態如圖2所示。

噴粉過程中，在流向終點側的主風道的內采集到了惰性粉樣本(編號1、2、3)，首先表明惰性粉氣溶膠能夠隨通風氣流穿透21 m糧堆。1號和2號樣本的采集時間為第2次施粉前的通風期間，此期間采集到的惰性粉表明第1次施粉結束后，有部分惰性粉顆粒處于游離狀態或者被糧粒牢固吸附，當反向通風時，會有部分顆粒被帶離糧堆。2次施粉期間，粉流向終點側的主風道內的惰性粉氣流濃度大約保持在0.039 mg/L(3號樣本，采集1 h)。通過主風道內氣溶膠濃度可以計算出通風期間。施粉過程約2 h，4臺7.5 kW離心風機的總風量約為51 272 m3。主風道內的氣溶膠濃度相當于離開糧堆時的惰性粉濃度，因此，被通風氣流帶離糧堆的惰性粉的損失量約為1 999.6 g(51 272 m3×0.039 g/m3)。

第6個截面上(其距離起點側10 m)3個樣本(4、5、6)的平均濃度為0.089 mg/L，是主風道內惰性粉濃度的2.3倍。表明惰性粉兩相流在糧堆的穿行過程中，糧粒對其有吸附作用，氣溶膠濃度隨著氣流在糧堆中的穿行而逐漸降低。

表2 橫向通風惰性粉氣溶膠施粉的主風道和糧堆內粉塵采樣檢測結果

注：4、5、6點分別位于N6-M1、N6-M5、N6-M9表層30 cm。

2.2.2 糧堆中樣本沾粉糧粒的數量統計

將所有扦樣的小麥樣本通過體視顯微鏡進行鏡檢。

2.2.2.1 單側施粉后惰性粉分布

第1次施粉結束后， 粉流向起點至終點的N1～N7的7個截面中，平均沾粉小麥粒不超過10%(表3)，表明惰性粉氣溶膠在隨氣流通過糧粒間隙的時候，大部分粉粒還是克服了糧粒的吸附力隨氣流向吸風側流動。起點側沾粉糧粒的百分率明顯高于終點側，表明惰性粉隨氣流流動的過程中，逐漸被糧粒所吸附。

注：a、b 為采樣獲得的惰性粉氣溶膠樣本，c 為普通粉塵樣本

截面位置深度12345平均沾粉糧粒百分率/%N1N1-M11555313NI-M2212534N1-M33451366.53N2N2-M152183N2-M224004N2-M31272353.87N3N3-M1108236N3-M201010N3-M31010223.07N4N4-M112530N4-M201110N4-M3003211.33N5N5-M110120N5-M211000N5-M3001200.53N6N6-M101024N6-M224302N6-M3010221.53N7N7-M141323N7-M230002N7-M3003111.33

從糧堆東西截面來看，M1處于2～3支風道之間、M2正對著第3支風道、M3正對著倉門中線。將每個截面上的所有樣本沾粉百分率取均值，分別是M1為3.51%、M2為1.68%和M3為2.68%，各截面樣本的沾粉百分率差異不顯著。表明在結構相對均勻的糧堆內，氣溶膠隨氣流由北向南移動過程中，沿著糧粒縫隙向四周擴散，最終能夠均勻的橫向擴散。

2.2.2.2 南北雙向主風道施粉后惰性粉分布

第2次施粉結束后，測定各截面的平均沾粉麥粒百分率，見表4。與第1次施粉后檢測結果相比，第1個截面(N1)，經過了第2次施粉通風后，該截面的平均沾粉糧粒有一定程度減少,表明糧粒沾附較多的惰性粉有部分會被二次通風帶離糧粒。兩側施粉的方式可能會造成一定的惰性粉的損耗，但糧堆的兩側濃度偏高的糧粉混合層，可以起到防止儲糧害蟲從通風道口進入糧堆作用。

表4 兩次施粉(南北雙側)后扦樣樣本中沾粉糧粒百分率/%

表4(續)

3 討論

3.1 惰性粉在糧堆中的分布特征

惰性粉氣溶膠隨氣流通過糧粒間隙時，部分顆粒被糧粒所吸附，糧堆截面上的糧粒沾粉率越低。當完成雙側施粉后，整個糧堆在噴粉的兩側的惰性粉濃度明顯高于中間糧堆，相當于在橫向通風系統的糧堆兩側形成兩面糧粉混合層。

3.2 糧粒間隙中惰性粉氣溶膠濃度

主風道內形成的惰性粉氣溶膠隨著橫向通風的氣流從支風道進入糧堆，能夠穿透21 m厚的橫向糧層糧堆，并且在糧堆內較均勻擴散。而氣溶膠的濃度會隨著在糧堆中的流動呈逐漸下降趨勢，出風口處的氣溶膠濃度最低。

4 結論

本研究證實惰性粉以氣溶膠的方式在糧粒間隙擴散，能夠增加接觸害蟲的機會，提高了惰性粉的有效效率。

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Application of Food Grade Inert Dust Aerosol Control Insects in Grain Store Houses with Transverse Ventilation

Wang Zhongming1Cao Yang1Zhang Zhenjun1Qi Yanmei2Shi Tianyu1Zhang Tao1Ji Zhenjiang3Yang Xu3Zhang Hongyu4Li Yanyu1

(Academy of State Administration of Grain1, Beijing 100037) (Institute of grain and oil food, Henan university of technology2, Zhengzhou 450001) (Qingyuan state grain reserve3, Baoding 071000) (Shandong Feixian Lunan state grain reserve4, Linyi 237400)

In order to understand application of inert dust aerosol pest control technology in crosswise ventilating system warehouse and diffusion and distribution status of inert dusts in grain bulk with airflow, weighing and observation with microscope & electron microscope were conducted to detect dust samples collected at different positions of the grain bulk. Results showed that in dust applying phase, applying dusts inside offside main air duct could detect that concentration of inert dust aerosol was about 0.039 mg/L, which indicated that inert dust aerosol could diffuse in interspace between grains in grain bulk. Besides, it could penetrate grain bulk which was 21 meters wide and then reached offside main duct. At the end of dust applying, dust sticking situation of grains in grain bulk was detected, and results found that dust sticking rate of grains which was next to dust spraying side was higher, with the maximum rate reaching 6.9%. While along the direction of airflow flowing to internal grain bulk, percentage of grains which had been stuck with dusts in grain bulk would gradually decrease.

food-grade inert dust, transverse ventilation, aerosol, distribution

S379.5

A

1003-0174(2016)12-0090-05

國家糧食公益專項(201313001,2015449-001-03)，國家國際科技合作(2013DFA31960)

2015-04-23

汪中明，男，1971年出生，博士，儲糧害蟲生物學與防治

李燕羽，女，1980年出生，博士，儲糧害蟲生物學與防治