堿處理玉米秸稈制備可降解育苗缽研究

王延鵬，孫 勇，曲京博，劉金明,2，王尚坤

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學 信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163319)

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堿處理玉米秸稈制備可降解育苗缽研究

王延鵬1，孫 勇1，曲京博1，劉金明1,2，王尚坤1

(1.東北農(nóng)業(yè)大學 工程學院，哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學 信息技術(shù)學院，黑龍江 大慶 163319)

以堿處理玉米秸稈制備的懸浮漿液為原料，采用負壓吸附成型工藝，利用有機可降解育苗缽成型機做缽，進行可降解育苗缽成型探索。試驗發(fā)現(xiàn)：堿處理玉米秸稈得到的秸稈纖維中纖維素和半纖維素總量保持在75%～85%，堿濃度越高，纖維素比例越高；TS在4%～6%時，育苗缽的濕坯含水率適宜，對應(yīng)漿液表觀粘度也較大，育苗缽成型效果好；吸漿時間在1.5～3s、真空度在230～270kPa時，育苗缽濕坯含水率在合適范圍，吸附力對漿液表觀粘度影響較小，育苗缽成型效果較好。本研究可為育苗缽的成型和降解提供參考。

玉米秸稈；堿處理；負壓吸附成型；可降解育苗缽

0 引言

玉米秸稈中含有木質(zhì)素、纖維素和半纖維素等大分子，可用于發(fā)酵和作燃料，是一種優(yōu)秀的可再生能源[1-3]。但玉米秸稈特別是寒區(qū)玉米秸稈因含有高質(zhì)量比例的木質(zhì)素，其屏蔽作用阻礙了纖維素和半纖維素的應(yīng)用，既不利于高效率發(fā)酵的進行，也不能使秸稈有效還田利用，阻礙了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4]。菌處理、爆破法、酸或堿處理可在一定程度上降低秸稈中木質(zhì)素的阻礙作用[5-7]，酸或堿處理較為方便快捷，但酸或堿處理容易引起二次污染[8]，而爆破和膨化處理往往耗能較高。可降解育苗缽為秸稈的高效利用提供了一種新途徑[9]，是適應(yīng)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)輔助裝備，通常以農(nóng)業(yè)廢棄物為原料，采用熱壓[10-11]或負壓吸附工藝制作[12]。負壓吸附工藝制備育苗缽?fù)ǔＰ枰獙⒃牧洗驖{和施加正負壓力[13]，秸稈固體質(zhì)量含量(TS)、吸漿時間和真空度對育苗缽成型產(chǎn)生重要影響。因此，有必要采用堿處理玉米秸稈，提高漿液的粘度，探索影響育苗缽成型的因素及影響規(guī)律，促進育苗缽的成型。

本文以寒區(qū)玉米秸稈為原材料，用堿處理玉米秸稈制備漿液，采用負壓吸附工藝制備可降解育苗缽，探究堿處理玉米秸稈引起秸稈成分變化的規(guī)律，揭示育苗缽基體基本構(gòu)成，以及TS、轉(zhuǎn)速對漿液表觀粘度的影響，固體質(zhì)量含量(TS)、吸漿時間和真空度對育苗缽成型的影響規(guī)律，為可降解育苗缽漿液的制備、育苗缽成型及工藝優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

玉米秸稈和豬糞沼液分別取自黑龍江省哈爾濱市平房區(qū)周邊農(nóng)場和雙城區(qū)順利村示范基地。使用9QS20-60秸稈揉切機將玉米秸稈粉碎至10～20mm并烘干3h，將豬糞沼液、NaOH和蒸餾水配置預(yù)處理液。其中，豬糞沼液質(zhì)量比例8%，堿濃度質(zhì)量分數(shù)分別為2%、3%、4%，將預(yù)處理液與烘干的玉米秸稈按照質(zhì)量比5:26的質(zhì)量比混合封裝處理10天，以備打漿測量粘度和做缽。有機可降解育苗缽成型機如圖1所示。

圖1 有機可降解育苗缽成型機

成型機主要是由氣缸、回流裝置、成型模具、儲氣罐、儲漿池及電機等部分組成，主要工作技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 工作技術(shù)參數(shù)

1.2 試驗方法

1.2.1 原料組分分析

原料中纖維素和半纖維素采用ANKOM 200i半自動纖維分析儀進行測定分析，單因素控制變量法確定堿濃度對纖維素和半纖維素的影響。

1.2.2 TS和轉(zhuǎn)速對漿液粘度的影響

轉(zhuǎn)速對漿液產(chǎn)生外力作用，力的大小和作用時間影響漿液粘度，漿液粘度影響育苗缽成型；轉(zhuǎn)速步長設(shè)置成6、12、30、60r/min，每個轉(zhuǎn)速下測量5次，然后取均值。TS反應(yīng)的是漿液中固體物質(zhì)含量，影響育苗缽吸漿時間，進而影響育苗缽成型；步長設(shè)置成2%、3%、4%、5%、6%，每個TS濃度下重復(fù)測量5次，取均值。

1.2.3 負壓吸附成型的影響因素

成型機負壓吸附過程中，真空度、漿液濃度和吸漿時間對育苗缽的成型產(chǎn)生重要影響[14]。本文采用單因素試驗方法，初步確定真空度、漿液濃度和吸漿時間對濕坯含水率的影響規(guī)律，確定使育苗缽成型的基本數(shù)值范圍。

1.3 考察指標

1.3.1 表觀粘度

表觀粘度是數(shù)顯粘度計測量得出的粘度，其值越大，靜態(tài)漿液粘度也就越大；漿液粘性越大，纖維之間搭接穩(wěn)固，育苗缽成型穩(wěn)定。

1.3.2 濕坯含水率

濕坯含水率是育苗缽成型時，濕坯含水質(zhì)量與對應(yīng)濕坯的比值。濕坯含水率高，脫模易破碎；含水率低，成型較困難，一般在71%～76.5%較適宜。

2 結(jié)果與分析

2.1 原料組分變化

堿和沼液混合預(yù)處理玉米秸稈導(dǎo)致玉米秸稈成分產(chǎn)生變化，對秸稈成分構(gòu)成產(chǎn)生了影響。玉米秸稈纖維素、半纖維素隨堿濃度的變化規(guī)律如表2所示。

表2 2%～4%堿預(yù)處理玉米秸稈纖維素和半纖維素含量

Table 2 Cellulose and hemicellulose content of corn stalk of 2%～4% alkali pretreatment %

堿濃度纖維素半纖維素254.4921.96373.9311.31477.19.93

由表2可知：堿濃度從2%增加到4%時，玉米秸稈中纖維素含量從54.49%增加到77.1%，半纖維素含量從21.96%降低到9.93%。這說明，在相同的預(yù)處理時間(均處理到第10天)內(nèi)，堿濃度越高，堿與玉米秸稈化學反應(yīng)越強[15〗，玉米秸稈解離越充分，導(dǎo)致玉米秸稈中纖維素含量越高，半纖維素含量越低。此時，秸稈纖維約75%的成分是纖維素和半纖維素，纖維素占比高于半纖維素，這類秸稈纖維將是育苗缽缽體的主體，有助于研究育苗缽成型和降解利用。

2.2 TS和轉(zhuǎn)速對漿液粘度的影響規(guī)律

2.2.1 TS對漿液粘度的影響

由圖2可知：在不同堿濃度預(yù)處理條件下，漿液表觀粘度都隨著TS增加近似S形曲線增加；TS在2%～4%之間時，漿液的表觀粘度上升緩慢；TS在4%～5%之間，漿液表觀粘度上升加速；TS在5%～6%之間，漿液的表觀粘度上升趨于緩慢。TS越高，漿液中秸稈纖維含量越高，漿液中秸稈纖維搭接[16]幾率和搭接穩(wěn)固性就越高，漿液的表觀粘度也越高，秸稈纖維搭接成型的可能性也就越高。初步確定，TS為4%～6%的漿液有助于育苗缽成型。

圖2 漿液表觀粘度隨TS變化規(guī)律

2.2.2 轉(zhuǎn)速對漿液粘度的影響

由圖3可知：隨著轉(zhuǎn)速的升高，漿液的表觀粘度非線性降低，在6～30r/min的轉(zhuǎn)速下，漿液的表觀粘度下降比較快；30～60r/min轉(zhuǎn)速下，漿液的表觀粘度趨于緩慢。這說明，轉(zhuǎn)速越高，剪切速率越高，轉(zhuǎn)子對漿液的剪切作用增強，漿液中的微粒構(gòu)建的氫鍵等結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)子的剪切作用下遭到破壞，秸稈纖維之間的復(fù)雜纏繞搭接也因轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動得到簡化[17-18]，漿液的表觀粘度下降。負壓吸附工藝制備育苗缽時，轉(zhuǎn)速表征外力對漿液粘度的擾動，制備育苗缽時可用吸漿時間和真空度表示。因此，可適當控制吸漿時間和真空度，選擇較小的吸附力作用，獲得較大的漿液粘度，更好地促進育苗缽的成型。

圖3 漿液表觀粘度隨測量轉(zhuǎn)速變化規(guī)律

2.3TS、真空度和吸漿時間對育苗缽濕坯含水率的影響規(guī)律

2.3.1 TS對育苗缽濕坯含水率的影響規(guī)律

TS直接影響育苗缽濕坯含水量。以4%預(yù)處理玉米秸稈制備的懸浮漿液制備育苗缽，吸漿時間控制在3s，真空度為250kPa，得到不同漿液濃度對濕坯含水率的影響規(guī)律如表3所示。

表3 不同漿液濃度對濕坯含水率的影響的試驗結(jié)果

Table 3 The experimental records of moisture content with different slurry concentration

TS/%漿液表觀粘度濕坯含水率/%1—表面殘缺,不成形213071.34382072.161322074.2

由表3可知：在吸漿時間和真空度一定的情況下，濕坯含水率隨著TS的濃度增加而增加。這是因為隨著TS的增加，在相同的吸漿時間內(nèi)，育苗缽濕坯厚度也增加，導(dǎo)致其內(nèi)部水分在脫水階段脫水比例少。在試驗中發(fā)現(xiàn)：當濃度低于2%時，濕坯含水率雖低，漿液中秸稈纖維過少，導(dǎo)致濕坯厚度不夠，脫模后發(fā)現(xiàn)育苗缽濕坯表面殘缺，不成型；育苗缽的濕坯含水率與漿液表觀粘度的增長呈現(xiàn)出了較好的一致性，說明TS增加不僅為漿液中提供了大量的秸稈纖維，且漿液的表觀粘度保持了較高水平，促進了育苗缽的成型。因此，TS在4%～6%之間，育苗缽濕坯含水率合適且能夠順利脫模。

2.3.2 吸漿時間對育苗缽濕坯含水率的影響規(guī)律

吸漿時間影響育苗缽成型厚度，進而影響濕坯含水率和育苗缽成型。選定4%堿預(yù)處理液處理的玉米秸稈制備的懸浮漿液制備育苗缽，試驗中保持TS為4%和成型機真空度250kPa不變，通過時間繼電器控制吸漿時間分別為1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5s，得到試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同吸漿時間對濕坯含水率影響的試驗結(jié)果

從圖4可以看出：在TS和真空度一定的情況下，1～3s時，濕坯含水率隨著吸漿時間的增加不斷增加；3～3.5s時，濕坯含水率迅速增加；3.5s～5.5s時，濕坯含水率增加緩慢甚至趨于平衡。這主要是因為吸附在濾網(wǎng)上的是濕坯厚度不再增加，此時影響濕坯含水率的不是吸漿時間，而是TS和真空度；但吸漿時間過短，對漿液施加外力較大，降低了漿液的表觀粘度，既不利于秸稈纖維之間的穩(wěn)固搭接，又引起吸附在濾網(wǎng)的秸稈纖維等固體物質(zhì)太少而達不到想要的壁厚。因此，當吸漿時間控制在1.5～3s時，濕坯含水率較為合適且能夠吸漿完整成功脫模。

2.3.3 真空度對育苗缽濕坯含水率的影響規(guī)律

真空度影響壓力對秸稈纖維的作用時間和對漿液粘度的擾動，進而對濕坯含水率產(chǎn)生影響。選定4%堿預(yù)處理液處理的玉米秸稈制備的懸浮漿液制備育苗缽，試驗中保持TS為4%和吸漿時間2s不變，成型機真空度設(shè)置為210、230、250、270、290kPa，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同真空度對濕坯含水率的影響的試驗結(jié)果

由圖5可知：濕坯含水率隨著真空度呈V形變化。這是因為試驗初期，隨著真空度的增加，吸附在濾網(wǎng)上的濕坯中水分被不斷吸走，導(dǎo)致試驗初期濕坯含水率不斷降低。當真空度大于250kPa時，部分細小的纖維穿過濾網(wǎng)的縫隙，使濾網(wǎng)堵塞，導(dǎo)致脫模困難，濕坯含水率開始增大。因此，當真空度為230～270kPa時，濕坯含水率較合適且最容易成型。

3 結(jié)論

1)堿預(yù)處理玉米秸稈制備的漿液中，纖維素含量隨著堿濃度的增加有所增加，半纖維素隨堿濃度增加而減少，纖維素和半纖維素總量保持在75%～85%。秸稈纖維是育苗缽基體，其成分將為育苗缽成型及降解的研究提供指導(dǎo)方向。

2)育苗成型TS選擇4%～6%時，育苗缽濕坯含水率較低，成型效果好，且此時漿液的表觀粘度也比較高，亦有助于秸稈纖維的穩(wěn)固搭接，促進育苗缽的成型。

3)吸漿時間控制在1.5～3s、真空度在230～270kPa時，育苗缽濕坯含水率低，成型效果好。此時，成型過程中吸附力擾動對漿液表觀粘度的影響較小，也有助于育苗缽的成型。

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A Research on Biodegradable Seedling Pot Preparation of Corn Stalk Treated by Alkali

Wang Yanpeng1, Sun Yong1， Qu Jingbo1, Liu Jinming1,2, Wang Shangkun1,

(1.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2.College of Information Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Based on suspension slurry material prepared by corn straw treated by alkali, adopts the vacuum adsorption molding process, use organic biodegradable seedling pot forming machine to do seedling pot, made some research on biodegradable seedling pot shape. We found that, the total of cellulose and hemicellulose of straw fibres made by corn straw treated by alkali was 75% ～ 85%, the higher alkali concentration, the higher the proportion of the cellulose, TS in 4% ～ 6%, the seedling pot wet body moisture content is appropriate, corresponding slurry apparent viscosity is also bigger, seedling pot forming effect is good. Plasma absorption time in 1.5s ～ 3s, vacuum degree during 230 KPa to 270 KPa, seedling pot wet moisture content was in a suitable range, slurry apparent viscosity is a little affected, seedling pot molding effect is better. This paper will help to guide the molding and degradation of seedling pot.

corn stalk; treated by alkali; negative pressure adsorption molding; biodegradable seedling pot

2016-10-18

哈爾濱市科技創(chuàng)新人才研究專項資金項目(2016RAXXJ0 09)；黑龍江省青年科學基金項目(QC2016033)

王延鵬(1991-),男，山東滕州人，碩士研究生，(E-mail) 928797747@qq.com。

孫 勇(1974-)，男，黑龍江青岡人，教授，博士生導(dǎo)師，(E-mail)sunyong740731@163.com。

S223.1+1

A

1003-188X(2017)10-0198-05