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(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)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(xué) 工程學(xué)院，哈爾濱 150030； 2.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)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(fù)壓吸附成型工藝，利用有機(jī)可降解育苗缽成型機(jī)做缽，進(jìn)行可降解育苗缽成型探索。試驗(yàn)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(shí)，育苗缽的濕坯含水率適宜，對(duì)應(yīng)漿液表觀粘度也較大，育苗缽成型效果好；吸漿時(shí)間在1.5～3s、真空度在230～270kPa時(shí)，育苗缽濕坯含水率在合適范圍，吸附力對(duì)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(fù)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(jìn)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?？山到庥缋彏榻斩挼母咝Ю锰峁┝艘环N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(fù)壓吸附工藝制作[12]。負(fù)壓吸附工藝制備育苗缽?fù)ǔＰ枰獙⒃牧洗驖{和施加正負(fù)壓力[13]，秸稈固體質(zhì)量含量(TS)、吸漿時(shí)間和真空度對(duì)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(jìn)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(fù)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(duì)漿液表觀粘度的影響，固體質(zhì)量含量(TS)、吸漿時(shí)間和真空度對(duì)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(yàn)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(jī)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?jǐn)?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(jī)可降解育苗缽成型機(jī)如圖1所示。

圖1 有機(jī)可降解育苗缽成型機(jī)

成型機(jī)主要是由氣缸、回流裝置、成型模具、儲(chǔ)氣罐、儲(chǔ)漿池及電機(jī)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(yàn)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(dòng)纖維分析儀進(jìn)行測定分析，單因素控制變量法確定堿濃度對(duì)纖維素和半纖維素的影響。

1.2.2 TS和轉(zhuǎn)速對(duì)漿液粘度的影響

轉(zhuǎn)速對(duì)漿液產(chǎn)生外力作用，力的大小和作用時(shí)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(gè)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(shí)間，進(jìn)而影響育苗缽成型；步長設(shè)置成2%、3%、4%、5%、6%，每個(gè)TS濃度下重復(fù)測量5次，取均值。

1.2.3 負(fù)壓吸附成型的影響因素

成型機(jī)負(fù)壓吸附過程中，真空度、漿液濃度和吸漿時(shí)間對(duì)育苗缽的成型產(chǎn)生重要影響[14]。本文采用單因素試驗(yàn)方法，初步確定真空度、漿液濃度和吸漿時(shí)間對(duì)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(biāo)

1.3.1 表觀粘度

表觀粘度是數(shù)顯粘度計(jì)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(shí)，濕坯含水質(zhì)量與對(duì)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(duì)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(shí)，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(shí)間(均處理到第10天)內(nèi)，堿濃度越高，堿與玉米秸稈化學(xué)反應(yīng)越強(qiáng)[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(shí)，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(duì)漿液粘度的影響規(guī)律

2.2.1 TS對(duì)漿液粘度的影響

由圖2可知：在不同堿濃度預(yù)處理?xiàng)l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(shí)，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(duì)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(duì)漿液的剪切作用增強(qiáng)，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(dòng)得到簡化[17-18]，漿液的表觀粘度下降。負(fù)壓吸附工藝制備育苗缽時(shí)，轉(zhuǎn)速表征外力對(duì)漿液粘度的擾動(dòng)，制備育苗缽時(shí)可用吸漿時(shí)間和真空度表示。因此，可適當(dāng)控制吸漿時(shí)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(jìn)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(shí)間對(duì)育苗缽濕坯含水率的影響規(guī)律

2.3.1 TS對(duì)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(shí)間控制在3s，真空度為250kPa，得到不同漿液濃度對(duì)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(duì)濕坯含水率的影響的試驗(yàn)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(shí)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?yàn)殡S著TS的增加，在相同的吸漿時(shí)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)濃度低于2%時(shí)，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(jìn)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(shí)間對(duì)育苗缽濕坯含水率的影響規(guī)律

吸漿時(shí)間影響育苗缽成型厚度，進(jìn)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(yàn)中保持TS為4%和成型機(jī)真空度250kPa不變，通過時(shí)間繼電器控制吸漿時(shí)間分別為1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5s，得到試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同吸漿時(shí)間對(duì)濕坯含水率影響的試驗(yàn)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(shí)，濕坯含水率隨著吸漿時(shí)間的增加不斷增加；3～3.5s時(shí)，濕坯含水率迅速增加；3.5s～5.5s時(shí)，濕坯含水率增加緩慢甚至趨于平衡。這主要是因?yàn)槲皆跒V網(wǎng)上的是濕坯厚度不再增加，此時(shí)影響濕坯含水率的不是吸漿時(shí)間，而是TS和真空度；但吸漿時(shí)間過短，對(duì)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(dá)不到想要的壁厚。因此，當(dāng)吸漿時(shí)間控制在1.5～3s時(shí)，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(duì)育苗缽濕坯含水率的影響規(guī)律

真空度影響壓力對(duì)秸稈纖維的作用時(shí)間和對(duì)漿液粘度的擾動(dòng)，進(jìn)而對(duì)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(yàn)中保持TS為4%和吸漿時(shí)間2s不變，成型機(jī)真空度設(shè)置為210、230、250、270、290kPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同真空度對(duì)濕坯含水率的影響的試驗(yàn)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?yàn)樵囼?yàn)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(yàn)初期濕坯含水率不斷降低。當(dāng)真空度大于250kPa時(shí)，部分細(xì)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(dāng)真空度為230～270kPa時(shí)，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(shí)，育苗缽濕坯含水率較低，成型效果好，且此時(shí)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(jìn)育苗缽的成型。

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

[1] Shuai Zu，Wenzhi Li，Mingjian Zhang，et al. Pretreatment of corn stover for sugar production using dilute hydrochloric acid followed by lime[J]. Bioresource Technology, 2014, 152: 364-370.

[2] 肖婷. 厭氧發(fā)酵改性促進(jìn)秸稈壓縮成型性能機(jī)理研究[D]. 保定：華北電力大學(xué), 2014.

[3] S H Ghaffar，M Z Fan. Lignin in straw and its applications as an adhesive[J]. International Journal of Adhesion And Adhesives, 2014, 48: 92-101.

[4] Yufang Wei，Xiujin Li，Liang Yu，et al. Mesophilic anaerobic co-digestion of cattle manure and corn stover with biological and chemical pretreatment[J]. Bioresource Technology, 2015, 198: 431-436.

[5] Chao Zhao，Qianjun Shao，Zhongqing Ma，et al. Physical and chemical characterizations of corn stalk resulting from hydrogen peroxide presoaking prior to ammonia fiber expansion pretreatment[J]. Industrial Crops and Products, 2016, 83: 86-93.

[6] Yang Tianxue，Yun Li，Hou Haobo，et al. Spatial structure characteristic analysis of corn stover during alkali and biological co-pretreatment using XRD[J]. Bioresource Technology, 2014, 163: 356-359.

[7] Eunsoo Hong，Doosub Kim，Jinyeong Kim，et al. Optimization of alkaline pretreatment on corn stover for enhanced production of 1.3-propanediol and 2,3-butanediol by Klebsiella pneumoniae AJ4[J]. Biomass and Bioenergy, 2015, 77:177-185.

[8] 姚曉琰，王潤娟，呂學(xué)斌，等. 堿液預(yù)處理玉米秸稈的條件優(yōu)化及添加劑的選擇[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2014(7): 3011-3017.

[9] 李道義，王曉燕，景全榮，等. 低聚木糖生產(chǎn)廢渣基可降解育苗缽研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2014, 45(S1): 207-212.

[10] 劉洪杰，劉俊峰，郝建軍，等. 生物質(zhì)育苗缽及成型裝備[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2012(2):52-54,74.

[11] 張志軍，王慧杰，李會(huì)珍，等. 秸稈育苗缽質(zhì)量和性能影響因素及成本分析[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011(10): 83-87.

[12] 楊廣衍，于謹(jǐn)，趙元，等.真空吸濾過程影響紙漿模塑制品質(zhì)量問題的分析[J].真空, 2005(3):49-50.

[13] 黃曉梅，唐虹，徐山青.可降解育苗缽的研制[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品, 2001(4):18-20.

[14] 張以忱，姜翠寧.紙漿模塑設(shè)備真空吸濾過程工藝參數(shù)研究[J].真空與低溫, 2003(1):27-30.

[15] Peng Guo，Kazuhiro Mochidzuki，Wei Cheng，et al. Effects of different pretreatment strategies on corn stalk acidogenic fermentation using a microbial consortium[J].Bioresource Technology, 2011,102(16):7526-7531.

[16] 陳玲，龐艷生，李冰，等.利用球磨改變綠豆淀粉顆粒形貌及糊表觀粘度研究[J]. 食品工業(yè)科技, 2004(12): 49-52.

[17] 謝元彥，楊海林，阮建明.流變學(xué)的研究及其應(yīng)用[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程, 2010(1):1-7.

[18] 張少輝，莫蓓紅，田雷.攪拌型酸奶生產(chǎn)過程中粘度變化的研究[J].中國乳品工業(yè), 2002(1):31-36.

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(xiàng)資金項(xiàng)目(2016RAXXJ0 09)；黑龍江省青年科學(xué)基金項(xiàng)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