玉米秸秆粉级配及其孔隙特性试验研究
2021-04-01胡亚风魏洋闫亚东章维要
胡亚风 魏洋 闫亚东 章维要
摘 要：试验研究以不同粒径组成的玉米秸秆颗粒对孔隙结构的影响。采用激光粒度分析仪检测玉米秸秆颗粒的粒度组成，压汞仪检测玉米秸秆颗粒的孔隙结构特性。试验结果表明：把不同粒度的玉米秸秆颗粒进行组合，间断级配颗粒的孔隙结构其孔隙率相近，孔隙分布峰值随75 μm以下颗粒含量的增加，孔隙分布的峰值由21 μm移动到65 μm;对于连续级配的颗粒，孔隙分布相似，孔隙分布的峰值在32 μm，而孔隙率随粗颗粒（200～300 μm）含量的增大，总孔隙率增大近两倍;间断级配组成的颗粒比表面积只有连续级配颗粒的50%。试验研究结果为玉米秸秆粉的应用提供参考价值。
关键词：玉米秸秆;粒度组成;孔隙分布;孔隙率;分形维数;比表面积
中图分类号：S233.1;S216 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2021）01-0111-06
Abstract：The experiment studied the influences of different particle size components of corn stalk on its pore structure. The particle size distribution of corn stalk was measured by laser particle analyzer （LPA）， and the pore structure between corn stalk particles was measured by mercury intrusion porosimeter （MIP）. The experimental results showed that the pore ratio of the discontinuously graded particles was similar， but the peak value of pore distribution moved from 21 μm to 65 μm with the increase of particle content when the particle size was below 75 μm， therefore the peak value of pore distribution was 32 μm for continuously graded particles， when the coarse particle size （200～300 μm） increased， it showed that the maximum pore peak value would increase twice. The continuously graded particles had a double specific surface area than that of discontinuously. The experimental results provide reference value for the application of corn stalk powder.
Keywords：Corn stalk; particle size composition; pore distribution; pore ratio; fractal dimension; specific surface
0 引言
玉米在我国各地都有广泛种植，每年可收集的玉米秸秆资源达2.73亿t，在资源短缺和环境污染的压力下，生物可降解材料的开发与利用已成为学者们研究的热点问题[1]。玉米秸秆主要成分由含氮粗蛋白、碳水化合物（粗纤维）、粗脂肪等有机物和少量的粗灰分质无机物以及水所组成[2]。由于玉米秸秆量大、可利用价值高，目前，玉米秸秆在国民生产各领域有着广泛的应用[3-6]。刘立华等[7]利用玉米秸秆粉做吸附剂，通过批次实验对废水中Cr（Ⅵ）进行吸附行为研究;杨奇亮[8]利用玉米秸秆粉末，通过活化、碳化得到了多孔碳材料（MPC800-10），用来吸附去除废水中的抗生素类污染物;安嫄嫄等[9]研究表明了连续秸秆还田除对土壤总碳、碱解氮和速效钾有显著影响，还能使土壤水稳性团聚体中氮更易富集。岳建芝[10]通过系统的研究，发现秸秆粒度对其降解度、纤维素酶解糖化率等指标影响大，且降解度、纤维素酶解糖化率随着粒度的减小而提高。孙媛媛[11]、候建伟等[12]对玉米秸秆等生物质资源制备的活性炭材料形貌結构、表面特性等进行研究后发现，比表面积和孔径分布是影响活性炭吸附性能的主要因素。因此，本文选取南京周边玉米秸秆制备生物质材料颗粒，用激光粒度分析与压汞试验相结合的方法，分析比较以不同粒径组成的玉米秸秆颗粒的粒度组成、孔隙分布特征和比表面积大小等特性，为生物质玉米秸秆颗粒的级配选取、孔结构参数优化提供参考价值。
1 试验材料与研究方法
1.1 试验材料
本次试验原料为玉米秸秆，自然风干并粉碎，接着在60 ℃、-0.1 MPa的真空干燥箱中烘干至恒重，最后用定制的40目（350 μm）、60目（245 μm）、110目（150 μm）、200目（75 μm）、320目（45 μm）及1 250目（10 μm）方孔筛分别过筛，配制出间断级配和连续级配玉米秸秆颗粒共4组，见表1。
1.2 试验研究方法
粒度分析采用激光粒度分析仪（S3500，美国Microtrac）完成，如图1所示，取上述真空干燥至恒重，经过筛析、合成的粉碎玉米秸秆粉5 mg，在无水乙醇为介质的烧杯中充分搅拌均匀，用移液管吸取2 mL，再逐点加到以无水乙醇为介质的激光粒度分析仪中，至软件显示“dilute high”为止，根据激光粒度分析仪检测数据绘制“size （μm） - chan （%）”和“size （μm） - pass （%）”曲线， 得到各组级配的玉米秸秆粉在不同粒径处的比例和通过率。激光粒度分析仪是根据光的散射原理测量玉米秸秆粉颗粒大小，当光束遇到颗粒阻挡时，一部分光将发生散射现象，散射光的传播方向将与主光束的传播方向形成一个夹角θ，θ的大小与颗粒的大小有关，颗粒越大，产生的散射光的θ就越小;颗粒越小，产生的散射光的θ就越大。即小角度（θ）的散射光是由大颗粒引起的;大角度（θ1）的散射光是由小颗粒引起的，如图2所示。测量范围：0.1～600 μm，精度和重复性偏差均小于±3%;孔隙特征采用压汞仪（Autopore IV 9510，美国Micromeritics）完成，如图3所示。
2 试验结果与分析
2.1 玉米秸秆粉粒度组成
筛析法配制的1#～4#玉米秸秆粉，用激光粒度分析仪进行了粒度分布观察，其结果如图6—图9 所示，从图6—图9试验结果可以得出：
（1）由图6可得，1#玉米秸秆粉在45 μm处的通过率为22%，即1#在10～45 μm范围的实际含量为22%，比筛析配比低3%（表1）;在150 μm处的通过率为57%，即75～150 μm范围内的含量为35%，比筛析配比高5%（表1）;在350 μm处的通过率为100%，即150～350 μm范围内的含量为43%，比筛析配比低2%（表1）。
（2）由图7可得，2#45 μm通过率46%，即10～45 μm含量为46%，比筛析配比低4%（表1）;1 000 μm通过率为100%，其中超出筛析范围的350～1 000 μm颗粒占4%，即45～350 μm的实际含量为50%。
（3）由图8可得，3#45 μm处的通过率为40%，其中低于筛析范围的6～10 μm颗粒占3%，即10～45 μm范围内的实际含量为37%;500 μm通过率为100%，其中超出筛析范围的350～500 μm占1%，即45～350 μm范围内的实际含量为59%。
（4）由图9可得，4#75 μm处的通过率25%，即10～75 μm范围内的实际含量为25%;350 μm处的通过率为100%，即75～350 μm范围内的含量为75%。
粉碎的玉米秸秆颗粒，经过干燥处理，在筛析的过程中因颗粒之间相互摩擦产生静电，会导致细微的颗粒产生“静电集尘”现象[14]，在图4（b）和图4（c）中可见筛分的玉米秸秆中具有较少的10 μm以下颗粒;粉碎的玉米秸秆颗粒含有的纤维素，因试验介质乙醇含有少量的水分，致使纤维素产生膨胀[15]，图4（b）可见少量的350 μm以上成分。
2.2 玉米秸秆粉孔结构特征
由图10和图11玉米秸秆粉孔结构分析可以看出：
（1） 对于间断级配玉米秸秆粉最可几孔径的大小（见图10曲線的峰值），由玉米秸秆粉中150 μm粒径通过百分率所决定，由表1及图6—图9可知，1#150 μm颗粒通过率占57%，而4#150 μm颗粒通过率占25%，最可几孔径也由21 μm移动到65 μm，具体如图10所示。
（2） 对于连续级配的玉米秸秆粉（2#和3#），最可几孔径值基本相同，约为32 μm;其孔容值与10～45 μm颗粒含量有关;由图7和图9可以看出，当该部分颗粒含量由46%降低到37%时，最可几孔径处孔容（图10）由11.7 ml/g下降到5.8 ml/g。
（3） 由图11玉米秸秆粉孔隙率分布可知，本次试验的玉米秸秆颗粒10 μm以下及100 μm以上的孔隙率合计不足20%，10～100 μm孔隙占有率高达70%～80%。
因此，玉米秸秆粉粒度组成主要影响最可几孔径[16]的大小及其孔容的含量，而对孔隙率分布[17]特性影响不显著。
为了描述不同级配玉米秸秆粉存在于三维空间的分散不规则程度，利用压汞试验“进汞量 - 压力”曲线关系 可以定性分析其分形维数特性。由上述试验结果分析可以得出，各组玉米秸秆粉的最可几孔径分布范围在10～100 μm，其对应的压力范围为2～20 Pa;由Mayer-Stowe（MS）理论，在压汞过程中，级配主要影响汞在玉米秸秆粉的渗透特性，而玉米秸秆粉的骨架渗流特性变化较小。玉米秸秆粉分形维数（D）是表征其粗糙程度的参数，平坦的表面D=2，最粗糙的状态下D=3，真实的表面为2
2.3 玉米秸秆粉比表面积分析
97～100 μm玉米秸秆颗粒的表面形貌（SEM）[10]如图13所示，由SEM图13可见玉米秸秆颗粒10 μm尺度上含有少量呈高亮的无机盐、片状的粗纤维及其管束。氮气吸附法（BET）对1#～4#玉米秸秆粉的比表面积进行了检测，其试验结果如图14所示，从BET吸附曲线可以看出，玉米秸秆粉的比表面积特征主要受60 nm以下纳米孔所控制。同时，图14所反映的玉米秸秆粉粒度组成对总比表面积影响较大，总体来看，连续级配的玉米秸秆粉比间断级配的玉米秸秆粉容易获得较大的总比表面积，本次试验间断级配玉米秸秆粉的比表面积由40～60 m2/g上升到连续级配时的100 m2/g;图14中2#和3#由连续级配的玉米秸秆粉比表面积还表现出基本一致的特征，而图14中间断级配的1#和4#，当100 μm以下的细颗粒比例由55%（1#）减少到25%（4#）时（表1），总比表面积值下降幅度达25%。
3 结论
（1）干燥的玉米秸秆粉容易产生静电，会对10 μm以下的细颗粒产生“静电吸尘”效应，导致细颗粒聚合，而引入少量比10 μm筛孔小的颗粒。
（2）由玉米秸秆粉孔隙结构分布图可知，秸秆粉颗粒间隙分布为5～1 000μm;玉米秸秆粉颗粒之间间隙的最可几孔径为21～65 μm，最可几孔径值及其孔容大小受粒度组合影响大，而孔隙率受粒度组合影响较弱，试验所得孔隙率为秸秆粉颗粒之间的间隙，不含秸秆粉内部孔的孔隙。
（3）玉米秸秆粉的比表面积主要分布在60 nm以下的粉末内部毛细孔中，其特性不受秸秆粉粒度组合的控制，但是总比表面积值表明了连续级配的秸秆粉其比表面积是间断级配的两倍。
（4）間断级配的玉米秸秆粉比连续级配的玉米秸秆粉渗透分形维数大。
【参 考 文 献】
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