齊菁, 於洪亮, 林海, 王洋, 李永富
摘要: 採用電子顯微鏡對稻殼生物質顆粒進行顯微觀察, 從而分析了稻殼生物質顆粒的成型機理, 包括化學和物理兩方面. 該研究工作為稻殼生物質顆粒燃料技術的開發及產業化應用奠定了基礎.
利用生物質緻密成型設備, 充分利用農林廢棄物如稻殼, 木屑, 秸稈等生產顆粒燃料, 具有較好的經濟效益和社會效益. 在生物質顆粒產品中, 稻殼顆粒是一種新興產品. 與其它種類的生物質顆粒產品相比, 稻殼顆粒的原料來源更廣泛, 價格更低廉, 成型效果更好, 生產過程更簡單, 具有很好的經濟, 生態和社會效益.
本文報道了通過電子掃描顯微鏡對稻殼生物質顆粒進行顯微觀察結果, 從中分析其成型機理, 為改進生產工藝, 提高產品質量提供理論依據.
1試驗材料和方法
1.1試驗材料及儀器
試材: 稻殼生物質顆粒, 圓柱狀, 尺寸為: 長80mm, 直徑8mm.
儀器: Quanta200型掃描電子顯微鏡(美國FEI公司).
1.2試驗方法
試件製作: 以稻殼作為原料成分, 製造出稻殼生物質顆粒的成型產品, 從中選取成型質量好的用於電鏡觀察試驗.
電鏡觀察: 首先將直徑為8mm的圓柱形試件的長度裁至8mm, 用砂紙進行表面清潔. 選表面平整, 成型效果好, 無嚴重缺陷的試件進行編號, 作為試驗用材. 然後將試件橫截面向上放置在用於顯微觀察的載物台上; 進行固定之後, 對試件表面進行噴金處理. 最後, 將載物台放置於電子掃描顯微鏡中進行顯微觀察, 觀察結束後將選好的電鏡照片拷貝存放, 用於研究分析.
2試驗結果與分析
2.1稻殼顆粒化學結合分析
從化學結合方面看, 通過圖1, 我們發現以水稻殼作為原料的生物質顆粒, 其原料之間的結合不如木質顆粒那樣緊密, 能夠明晰地觀察到單片狀水稻殼的存在, 水稻殼之間的縫隙也比較大, 而且片狀的水稻殼沒有發生明顯的彎曲和變形. 這是因為, 一方面, 水稻殼的外表面覆蓋著一層矽和矽的無機化合物(圖1中片狀 '癩皮' 式的半球狀突起), 呈現網狀排列. 由於矽及其無機化合物的化學性質很穩定, 在普通條件下很難和別的物質發生反應, 而且它還具有很高的硬度. 因此水稻殼原料在壓縮成型過程中, 原料外表面與外表面, 外表面與內表面相接觸, 相結合的時, 含有極性基團的纖維素, 半纖維素之間無法形成氫鍵等化學結合. 另一方面, 由於水稻屬於草本植物, 其纖維素, 半纖維素和木質素與木材相比含量較低, 尤其是木質素含量不到木材的50%, 而木質素是一種天然的粘合劑, 當溫度為70~ 110℃時木質素就能夠開始軟化, 具有一定的粘度. 在200~ 300℃呈熔融狀, 粘度高.
2.2稻殼顆粒物理結合分析
從物理結合方面來分析. 微觀上, 由於原料水稻殼的外表面覆蓋著一層矽質, 這層矽質具有很高的硬度, 特殊的排列方式和立體空間結構.
從而使得在壓縮成型過程中, 兩片水稻殼相接觸時, 很難緊密靠近形成分子間的作用力, 而且由於矽及其無機化合物是不具有極性的穩定物質, 所以水稻殼之間也就不具有靜電吸附力. 因此, 水稻殼之間的結合程度就不如鋸木屑那樣緊密. 宏觀上, 由於本研究採用的水稻殼在脫粒後未經過粉碎, 還保持著水稻殼的原有形態, 它的直徑較大, 一般在4~ 7mm之間, 而且呈片狀; 它很難形成木質原料之間那樣的緊密填充結合. 從圖2中可以看出, 水稻殼生物質顆粒中的水稻殼原料之間, 片與片錯落有致的層疊在一起.
從圖3中可以觀察出水稻殼原料之間明顯的分層現象. 這表明在水稻殼原料的壓縮成型過程中, 原料之間產生的主要是 '搭橋' , '橋接' 結合, 英文稱為Solidbridge. 它的形成方式是, 體積較大或有一定長度的原料物質之間互相搭頭, 並層層疊搭.
本研究中採用的水稻殼原料呈片狀, 因此我們將它的這種結合稱為 '片搭' 或 '疊片' . 由於較硬的矽質層的存在, 使得水稻殼的塑性極差, 在壓縮過程中很難發生變形來實現原料之間的緊密接觸, 原料之間存在較大空隙, 因此在 '片搭' 的結合方式下(見圖4), 原料之間的摩擦力有限; 機械阻力方面, 也只有垂直於水稻殼方向的剪切, 彎曲阻力較好, 而平行於水稻殼的機械阻力就比較差. 與木質生物質顆粒相比較, 水稻殼顆粒很容易出現斷層現象, 顆粒產品容易折斷. 此外水稻殼屬於硬質短纖維生物質材料, 與木材相比纖維長度較短; 在壓縮成型過程中, 不會出現木質原料那樣的纖維纏繞式的結合.
3結論
本試驗通過電子顯微鏡對稻殼生物質顆粒進行了觀察和對比, 分析了它成型的機理, 及與木質顆粒的差異. 總的來說, 稻殼顆粒產品的成型機理包括化學結合和物理結合兩部分. 首先, 由於矽質層的存在, 稻殼原料的化學結合能力要低於木質原料; 其次, 稻殼原料之間的物理結合主要採用的是 '片搭' 的形式, 其結合效果要比木質材料稍差. 總的來說, 利用稻殼作為生產生物質顆粒的原料是可行的, 產品成型效果較好, 有廣闊的市場前景, 具有很好的經濟, 生態和社會效益.
參考文獻 :
[1]俞國勝, 肖江, 袁湘月, 等.發展中國林木生物質成型燃料[J].生物質化學工程, 2006, (S1).
[2]陳永生, 沐森林, 朱德文, 等.生物質成型燃料產業在我國的發展[J].太陽能 , 2006, (04).
[3]Lindley J A, VossoughiM.Physical properties of biomass bri-quets[J].Transactions of the A SAE, 1989, 32 (2) : 361~ 366.
[4]郭康權, 等.植物材料壓縮成型時粒子的變形及結合形式[J].農業工程學報 , 1995, 11 (1) : 139~ 143.
[5]盛奎川, 吳傑.生物質成型燃料的物理品質和成型機理的研究進展[J].農業工程學報, 2004, 20(2) : 242~ 245.
