茶塵特性與除塵措施研究進展

陳 彬， 楊 云， 林振傳, 林宏政， 柳鎮(zhèn)章， 孫 云

(1.福建農(nóng)林大學園藝學院，福建 福州 350002;2.福建品品香茶業(yè)有限公司，福建 福鼎 355200)

茶塵是茶葉加工過程中受到外力作用而折斷、粉碎以及生產(chǎn)環(huán)境中產(chǎn)生的細小顆粒物質(zhì)混合后形成的粉塵，對人體健康、茶葉品質(zhì)及生產(chǎn)環(huán)境造成不同程度的影響。《工業(yè)企業(yè)設(shè)計衛(wèi)生標準》[1]規(guī)定，工作場所茶塵濃度不能超過2 mg·m-3；日本勞動省根據(jù)日本茶葉衛(wèi)生學會提出的要求，規(guī)定車間茶葉粉塵濃度必須在10 mg·m-3以內(nèi)[2]。由于受加工工藝、技術(shù)設(shè)備和車間環(huán)境的限制，現(xiàn)實車間的茶塵濃度遠高于規(guī)定的標準，茶塵問題已成為茶葉清潔化生產(chǎn)亟需重視和解決的問題[3]。解決茶塵問題的關(guān)鍵在于了解其發(fā)生源頭，掌握茶塵顆粒的特性，科學合理地制訂防塵措施和選用除塵設(shè)備。因此，本文通過查閱相關(guān)文獻并結(jié)合生產(chǎn)實際，闡述茶塵產(chǎn)生的主要來源、特性和危害，對茶葉除塵技術(shù)研究進行綜述，并提出除塵措施的新思路，旨在為茶葉生產(chǎn)中的除塵、降塵提供參考。

1 茶塵的主要來源與特性

1.1 主要來源

粉塵指粒徑小于75 μm的固體懸浮顆粒[4]。茶塵既是一種生產(chǎn)性粉塵，又是一種植物性混合粉塵，其組成成分主要是粒徑小于10 μm的微小顆粒物質(zhì)[5-6]。茶塵主要來源于兩方面：(1)茶鮮葉在加工(如烘干、篩分、風選、揀剔和勻堆等)過程中由于水分散失，柔軟度逐漸下降，加之受到摩擦、擠壓和切揉等內(nèi)外部機械力作用，導致茶葉粉碎、折斷產(chǎn)生的微小顆粒物；(2)加工環(huán)境中夾雜的煤灰、泥沙[7]和微生物[8]等非茶類物質(zhì)。茶葉精加工過程中產(chǎn)生的茶塵量最多，毛茶需要通過傳輸帶的水平運動和提升機的上下運動來運送，在此期間毛茶受到前后和上下不同程度的振動從而形成茶塵[9]；茶葉篩分機依靠轉(zhuǎn)動和抖動的機械力，使茶葉通過不同大小篩孔而篩分，此過程由于運動幅度較大且碰撞劇烈，也會造成茶塵的分散[10]；風選機是根據(jù)茶葉重量、形狀、受風面積的不同，利用均勻的空氣流將物料分離[11]，這一過程中風力會加劇茶塵的產(chǎn)生和擴散；色選機與揀梗機功能類似，主要是將茶葉與梗以及其他異物分離，茶梗在下落過程中被壓縮的空氣打擊[12]，快速形成茶塵；熱風烘干會將茶葉上的茶塵吹起造成污染；勻堆機工作時也容易形成碎末茶塵。綜上所述，傳輸、分篩、風選、色選揀剔、烘干、勻堆等未封閉的加工工序是茶塵產(chǎn)生和逸散的主要原因。

茶葉初加工過程中也會產(chǎn)生茶塵，如閩北烏龍茶做青時通過燃燒木炭控制車間溫度和進行加溫萎凋，木炭燃盡后的煙塵受到風的影響會造成逸散和積累。此外，白茶生產(chǎn)中鮮葉原料主要選用多毫茶樹品種(如福鼎大毫茶、政和大白茶)，在加工過程中茶毫容易脫落，人員的走動和加工過程中機械產(chǎn)生的風力會造成茶毫漂浮，形成茶塵。

1.2 基本特性

茶塵問題不僅影響企業(yè)的經(jīng)濟效益，還危害人體健康，制約茶葉生產(chǎn)的清潔化發(fā)展。為提升茶葉品質(zhì)，并創(chuàng)造良好的加工環(huán)境，對茶塵基本特性的測定十分重要。茶樹鮮葉、加工工藝、加工設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境均會影響茶塵特性。同一茶類中，茶葉加工原料的老嫩程度、采摘標準及加工人員、加工時間、加工條件的差異也會造成茶塵的特性和內(nèi)含物不一[13]。

1.2.1 粒徑與分布 李一鳴[6]研究發(fā)現(xiàn)，眉茶、花茶、工夫紅茶、烏龍茶和紅碎茶等6個車間95%的茶塵粒徑在10 μm以下；木文兵[5]利用自然沉降法測試了6個大葉種加工過程中產(chǎn)生的粉塵粒徑，發(fā)現(xiàn)茶塵的分布面較廣，粒徑大小主要集中在20 μm以內(nèi)；趙先明等[14]測定了茶葉精制車間的茶塵分布，從茶塵的積累量上看，設(shè)備旁吸入性茶塵(粒徑大于10 μm)占43.66%，離設(shè)備1.3 m處呼吸性茶塵(粒徑小于5 μm)占54.24%；胡善國等[15]對祁門紅茶精加工車間中的抖篩、分篩、撩篩、緊門和風選5道工藝研究表明，不同工序茶塵的物理特性差異較大，粒徑小于2.5 μm粉塵主要集中于分篩機旁，濃度可達65.321 mg·m-3；粒徑在2.5～10 μm之間的粉塵集中于撩篩機旁，最高濃度達29.667 mg·m-3。總體來看，茶塵粒徑主要集中在10 μm以下。因此，對加工過程中茶塵濃度和分布情況進行調(diào)查時，應(yīng)重點關(guān)注PM2.5和PM10的積累情況。

1.2.2 流動性 茶塵是一種流動性差的灰塵[6]，粒徑小、聚合性強，極易吸水致使其含水率大。茶塵安息角大、滑動角小，因此茶葉除塵機械中的集塵部件傾斜角應(yīng)超過45°，且吸塵管道應(yīng)當設(shè)置足夠風速以確保茶塵滑動。根據(jù)不同茶類的茶塵流動特性(如休止角、滑動角)設(shè)計門窗、百葉窗[16]、集塵部件等，是除塵控制的基礎(chǔ)要求。

1.2.3 浸潤性與吸濕性 茶塵是一種浸潤性低的物料，不適宜采用濕式除塵器[6]。茶塵粒徑越小分散度越高，其表面積則越大，吸濕性越強，溶解速度也越快。濕度增加后容易黏附在濾袋上，縮短濾袋使用壽命，降低除塵效果。因此，采用袋式除塵時要保持除塵器周圍環(huán)境的干燥，濾袋材料的選擇要注重集塵效果，還要注意防潮、防變質(zhì)和易于清灰[17]。

2 茶塵的危害

茶塵會降低茶葉品質(zhì)，影響生產(chǎn)環(huán)境和損害人體健康。根據(jù)茶塵組成成分、分散度和濃度的不同，其危害程度也不同。

2.1 降低茶葉品質(zhì)

茶產(chǎn)品上附著茶塵，沖泡出的茶湯顏色較暗濁，入口滋味帶苦澀味[18]，影響產(chǎn)品感官品鑒質(zhì)量。若茶塵中帶有泥土，會導致茶湯渾濁產(chǎn)生沉淀，且滋味中還帶有泥土味[19]。這類茶葉產(chǎn)品質(zhì)量低下，嚴重影響茶葉生產(chǎn)者和銷售者的收益。

2.2 影響生產(chǎn)環(huán)境

茶塵顆粒微小易懸浮，一定濃度的茶塵會影響生產(chǎn)車間的美觀度、照明度[20]和清潔度[21]。茶葉加工環(huán)境高溫高濕，茶塵濃度過高會加大易燃和易爆危險[22]。Hikmah et al[23]測試了不同粒徑茶塵對爆炸嚴重程度的影響表明，粒徑小于160 μm時，較細的茶塵比較粗的反應(yīng)更加劇烈。此外，茶塵落入加工機械中，會導致機械磨損并縮短使用壽命。若茶塵漂浮到加工車間外，在大氣中形成氣溶膠可減弱太陽的輻射強度，改變車間周圍環(huán)境的小氣候，對周圍生態(tài)環(huán)境和植被的呼吸及光合作用產(chǎn)生嚴重影響[24]。

2.3 損害人體健康

與煙草[25]、面粉[26]和玉米[27]等植物加工生產(chǎn)相似，茶塵對人體的主要危害是引發(fā)加工人員的肺部和呼吸道疾病。茶塵懸浮在空中會形成氣溶膠體，雖然大部分顆粒被阻隔在鼻腔中，但是微小顆粒物會直接進入人體肺部，對健康產(chǎn)生危害。常見因粉塵引起的疾病有肺病[28]、鼻炎[29]、皮膚干燥[30]、呼吸道疾病[31]等，并伴隨頭暈、頭痛、失眠、惡心、腹脹等現(xiàn)象[32]，引發(fā)人體的呼吸系統(tǒng)[33]、神經(jīng)系統(tǒng)[34]發(fā)生病變。粉塵最開始作用于呼吸道粘膜，引起功能亢奮，毛細血管擴張，促使分泌液增加，阻留更多的粉塵，從而引起病變[35]。若茶葉害蟲(如茶毛蟲)的毒毛脫落粘附在茶葉上，并隨著加工混入茶塵，沾染在皮膚上會引起瘙癢的過敏反應(yīng)。含有鉛、銅等重金屬的粉塵在呼吸粘膜上溶解還會導致人體中毒[6]。茶塵的二氧化硅含量在3%～5%時，容易導致塵肺[7]。

3 茶塵的控制措施

茶葉除塵受加工工藝、設(shè)備條件和環(huán)境條件等多因素影響。對茶塵的控制可以從加工工藝的減塵、單機設(shè)備的降塵和車間的整體除塵3個方面開展。

3.1 加工工藝的減塵

加工工藝主要指鮮葉管理(采摘、分級等)、初加工(萎凋、搖青、殺青等)和精加工(篩分、揀剔、勻堆、干燥等)。調(diào)整部分工藝參數(shù)能減少茶塵產(chǎn)生。在鮮葉管理方面，應(yīng)避免鮮葉采摘過遲而混入老葉、老梗，此類鮮葉纖維化、木質(zhì)化嚴重，加工中容易粉碎；鮮葉運輸中應(yīng)保持環(huán)境和器具的清潔；鮮葉進廠后通過快速清洗、脫水和烘干工序可以洗刷其灰塵和雜質(zhì)，加工中應(yīng)注意避免混入泥砂等各類雜質(zhì)[36]。初加工時應(yīng)改變傳統(tǒng)加工設(shè)備的供能方式，推廣應(yīng)用生物質(zhì)燃燒顆粒[37]、電能等清潔化能源；調(diào)整烘干機的熱風對流供熱模式，采用熱傳導和熱輻射的烘干方法進行烘干[38]。可建立茶葉加工流水線，實行自動化、清潔化不落地生產(chǎn)，減少加工過程中不必要的摩擦擠壓和人員走動。

3.2 單機設(shè)備的降塵

在加工輸送過程中，彭忠[39]利用對上下風機的控制，在傳送帶上形成自上而下的除塵風道。在篩分設(shè)備中，朱建一[40]在舊篩分機的基礎(chǔ)上更換了不同材料的篩板，增加茶葉的過篩率，并將原來開放式作業(yè)的篩分機改造成封閉式作業(yè)，不僅提高了篩分效率，還最大程度地控制了篩分機產(chǎn)生的茶塵。揀梗設(shè)備中，林琴花[41]利用抽風機收集茶梗分離時夾雜產(chǎn)生的茶塵。在除雜設(shè)備中，林振傳等[42]在靜電除雜設(shè)備基礎(chǔ)上，增設(shè)吸塵裝置，利用風機將茶塵送入滾筒，再利用噴水裝置進行沉降。干燥工序中，李正山[43]在烘干機的烘干室上加裝了吸塵風機，用于收集熱風烘干時產(chǎn)生的茶塵。鄭紹偉[44]開發(fā)了一種滾筒式的雙層結(jié)構(gòu)烘干機，在外層殼體的下側(cè)設(shè)置抽風機吸塵口，吸取烘干過程中產(chǎn)生的茶塵。茶葉勻堆機分為行車式和滾筒式，由于滾筒式勻堆容易造成碎茶，所以目前生產(chǎn)上多采用行車式勻堆機。在勻堆過程中，輸送茶葉和進行茶葉混合操作是勻堆機產(chǎn)生茶塵的主要來源，可以在底部安裝吸塵罩，用風機來控制茶塵濃度[45]。

3.3 車間的整體除塵

車間的整體除塵主要是清除逸散茶塵，凈化車間空氣。鄭功宇[46]對閩北烏龍茶烘焙車間的生產(chǎn)環(huán)境進行參數(shù)檢測顯示，烘干機進料口和出料口的總茶塵量嚴重超標，認為提高通風系統(tǒng)的通風量可改善車間環(huán)境溫濕度，達到負壓除塵的目的。趙先明等[14]研究表明，精制車間中不同機械(圓篩機、抖篩、風選機和切茶機等)周圍的茶塵組成存在極顯著差異，風選機周圍主要以吸入性茶塵為主，切茶機周圍茶塵粒徑分布則較為一致，在車間除塵設(shè)備的選擇上要有針對性，車間的地表和墻面要采用清潔化材料。此外，茶廠要多設(shè)置通風窗口和排氣風扇，利用好通風除塵設(shè)施。適當提高風速和降低通風除塵的高度也能夠提高除塵效果并減少車間內(nèi)空氣流動的死角[47]。在棉紡織業(yè)中，利用空調(diào)系統(tǒng)對生產(chǎn)環(huán)境進行溫濕度調(diào)控，充分利用空調(diào)吸風和送風的功能，將含塵氣體進行濕過濾后沉降，以達到凈化空氣的目的。凈化空氣的同時利用除塵系統(tǒng)對機器上的落塵進行收集和清理，是空調(diào)系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)的復合型應(yīng)用[48]。在茶葉加工中合理利用復合型除塵空調(diào)系統(tǒng)不僅可以控制加工生產(chǎn)的環(huán)境條件，還可以凈化車間空氣。但目前的研究多關(guān)注空調(diào)系統(tǒng)對茶葉加工環(huán)境以及茶葉品質(zhì)特征的影響[49-50]，對空調(diào)系統(tǒng)的除塵效果研究尚未見報道。左青等[51]將大豆生產(chǎn)車間的除塵設(shè)備分為3個相互獨立、互不干擾的負壓除塵系統(tǒng)，利用風網(wǎng)形成的正負壓不僅完成了產(chǎn)品的輸送，還達到了較好的除塵效果，實現(xiàn)清潔化安全生產(chǎn)。茶葉加工生產(chǎn)線的除塵系統(tǒng)可以參照大豆預處理的除塵風網(wǎng)搭建。需注意的是，茶葉初加工后含水率有所降低，在風網(wǎng)搭建和管道選擇時要注意碰撞粉碎給茶葉物料帶來的影響，風網(wǎng)系統(tǒng)的風量和管道彎口角度的設(shè)計應(yīng)根據(jù)茶產(chǎn)品特性重新設(shè)定，避免生產(chǎn)過程中造成不必要的損失。

3.4 除塵設(shè)備的應(yīng)用

目前常見的除塵系統(tǒng)構(gòu)成主要為風機、吸塵罩、通風管、凈化器、集塵器等。常見的袋式除塵設(shè)備是利用吸塵罩和風機所產(chǎn)生的風力將含塵氣體吸入凈化器，空氣通過濾芯過濾后排出，茶塵則吸附在濾袋上。通過拍打、鼓風和脈沖等方法可使吸附在濾袋上的塵粒抖落進集塵裝置，從而完成茶塵的清除和收集。袋式除塵效率可達99.50%～99.99%，但對PM2.5以下的茶塵難以消除[52]。當前，茶葉企業(yè)對除塵設(shè)備的集塵裝置關(guān)注過少。在實際生產(chǎn)中，集塵設(shè)備的集成室、連接管道以及卸灰裝置粉塵積累極為嚴重，隨著粉塵濃度的升高，燃爆事故發(fā)生幾率也不斷升高[53]，因此除塵設(shè)備的清理模塊應(yīng)當是后續(xù)研究的重點之一。旋風除塵器是吸入含塵空氣后利用離心力使茶塵與氣流分離，塵粒撞擊器壁落入集塵斗，旋風除塵效率可達85%，但對5 μm以下的茶塵效果不佳。旋風式吸塵器的工作效率與其旋轉(zhuǎn)速度、風管直徑相關(guān)。旋轉(zhuǎn)速度慢、直徑大，工作效率低但能吸收粒徑大的茶塵；旋轉(zhuǎn)速度過快，則無法適應(yīng)茶塵分布范圍廣的工作要求。在袋式除塵原理的基礎(chǔ)上，近些年出現(xiàn)了用水洗塔代替濾袋的茶塵處理裝置[54]。此外，具有分類回收功能的除塵設(shè)備[55]也有相關(guān)報道。

4 小結(jié)與展望

為了促進茶葉清潔化生產(chǎn)的發(fā)展，茶塵問題應(yīng)得到更多關(guān)注[56]。目前，大部分茶廠茶塵控制效果差，對不同茶類茶塵來源與特性的調(diào)查較少；除塵設(shè)備的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新不足，現(xiàn)有的除塵設(shè)備無法兼顧除塵效果和成本問題。旋風式除塵器成本低，但對5 μm以下的茶塵效果不佳；袋式除塵器除塵效果好，但成本投入高。此外，解決茶塵問題不僅要關(guān)注茶葉原料和加工導致的茶塵產(chǎn)生和逸散，還要注意人員活動與周圍環(huán)境產(chǎn)生的茶塵。

為解決以上問題，需要分茶類、分工藝建立統(tǒng)一的茶塵測定方法與分析模型，對加工過程的茶塵情況進行詳細調(diào)查，分茶類、分工藝對茶塵特性開展進一步研究。在茶廠建設(shè)選址上，要遠離煙塵污染源，做好防風防砂工作；及時打掃加工車間，清理加工機械周圍的積塵，避免二次揚塵；結(jié)合茶塵特性，合理設(shè)置廠房門窗、生產(chǎn)線機械運輸?shù)慕嵌燃昂侠碚{(diào)整傳送帶速度，設(shè)計粉塵實時監(jiān)測神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[57-58]；可以采用全管道運輸物料，管道運輸可以避免茶塵四散，在無生產(chǎn)時可以提高風量完成茶塵清理，節(jié)省人工和時間成本。在人員管控方面，要建立完善的衛(wèi)生制度，做好車間清潔管理及員工防塵教育工作。加工人員應(yīng)帶好口罩、帽子、鞋套等個人防護用具，既能防止頭發(fā)和土塵等雜物進入車間，又能保護加工人員不受粉塵影響。應(yīng)按照廠房設(shè)計和生產(chǎn)加工產(chǎn)品的不同靈活設(shè)置除塵機組，形成小型化、多元化、復合化和智能化的除塵系統(tǒng)，既要便于安裝維護又要注重投資和節(jié)能問題。茶塵治理工作的開展對茶產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有深遠意義，對經(jīng)濟、社會和生態(tài)都有積極作用，是安全生產(chǎn)的重要一環(huán)。