惰性粉氣溶膠防蟲(chóng)技術(shù)在橫向通風(fēng)糧倉(cāng)中的應(yīng)用

汪中明 曹 陽(yáng) 張振軍 齊艷梅 石天玉 張 濤 季振江 楊 旭 張宏宇 李燕羽

(國(guó)家糧食局科學(xué)研究院1，北京 100037) (河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院2，鄭州 450001) (清苑國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)3，保定 071000) (山東費(fèi)縣魯南國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)4，臨沂 237400)

惰性粉氣溶膠防蟲(chóng)技術(shù)在橫向通風(fēng)糧倉(cāng)中的應(yīng)用

汪中明1曹 陽(yáng)1張振軍1齊艷梅2石天玉1張 濤1季振江3楊 旭3張宏宇4李燕羽1

(國(guó)家糧食局科學(xué)研究院1，北京 100037) (河南工業(yè)大學(xué)糧油食品學(xué)院2，鄭州 450001) (清苑國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)3，保定 071000) (山東費(fèi)縣魯南國(guó)家糧食儲(chǔ)備庫(kù)4，臨沂 237400)

為了解惰性粉氣溶膠防蟲(chóng)技術(shù)在橫向通風(fēng)系統(tǒng)倉(cāng)房使用中，惰性粉隨氣流在糧堆中的擴(kuò)散和分布狀態(tài)，采用稱重和顯微鏡、電子顯微鏡觀察等方法對(duì)糧堆不同部位采集的粉塵樣本進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明，在施粉階段，施粉對(duì)側(cè)主風(fēng)道內(nèi)能夠檢測(cè)到惰性粉氣溶膠濃度約為0.039 mg/L，表明惰性粉氣溶膠能夠在糧堆中糧粒的空隙間擴(kuò)散，可以穿透21 m糧堆，到達(dá)對(duì)側(cè)主風(fēng)道。施粉結(jié)束后，檢測(cè)糧堆內(nèi)糧粒沾粉情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)緊挨噴粉側(cè)的糧粒沾粉率較高，最高可達(dá)6.9%。而沿著氣流向糧堆內(nèi)流動(dòng)的方向，糧堆中沾粉糧粒的百分率逐漸降低。

食品級(jí)惰性粉 橫向通風(fēng) 氣溶膠 分布

為了保證在糧食儲(chǔ)藏環(huán)節(jié)降低有害物質(zhì)殘留，無(wú)公害儲(chǔ)糧技術(shù)受到青睞[1]。惰性粉是一些物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的物質(zhì)，在防治儲(chǔ)糧害蟲(chóng)方面有較早的應(yīng)用歷史，成分也有多種類別。其中，食品級(jí)惰性粉(以下簡(jiǎn)稱惰性粉)是屬于人工合成的二氧化硅，常作為食品添加劑，它通過(guò)磨損昆蟲(chóng)關(guān)節(jié)等方式殺蟲(chóng)，是一種物理防治方法[2-4]。傳統(tǒng)的惰性粉的施用多采用拌合等方法，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且與糧食混合后的均勻性差，為了該技術(shù)的廣泛推廣應(yīng)用，急需探尋出新的施用工藝。本研究擬利用惰性粉顆粒小、比重低的物理特性，在具備通風(fēng)系統(tǒng)的糧倉(cāng)內(nèi)，通過(guò)噴粉機(jī)將惰性粉噴施到空氣中與空氣形成氣溶膠，再通過(guò)風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)使氣溶膠化的惰性粉形成氣固兩相流，進(jìn)入糧堆，發(fā)揮防止糧食結(jié)塊和防蟲(chóng)殺蟲(chóng)作用[5]。將該施用方法命名為食品級(jí)惰性粉氣溶膠防蟲(chóng)技術(shù)。

根據(jù)儲(chǔ)糧通風(fēng)工藝中氣流流向和分布的不同，可以把儲(chǔ)糧通風(fēng)分為豎向通風(fēng)和橫向通風(fēng)兩大類[6]。前期，我們?cè)谪Q向通風(fēng)系統(tǒng)倉(cāng)房?jī)?nèi)對(duì)該技術(shù)進(jìn)行測(cè)試。而橫向通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式是通風(fēng)道在倉(cāng)房檐墻南北兩側(cè)垂直放置，糧面覆膜，氣流接近水平穿過(guò)糧層[7]。因此，對(duì)于惰性粉氣溶膠防蟲(chóng)技術(shù)來(lái)說(shuō)，由于糧面覆膜，沒(méi)有了糧堆上部空間，噴粉的位置和空間需要改變。此外，氣流穿過(guò)糧層的方向的差異，必然也會(huì)導(dǎo)致惰性粉氣溶膠在糧層中的擴(kuò)散和分布，也會(huì)導(dǎo)致對(duì)害蟲(chóng)的防護(hù)效果的差異。

因此本研究的目的是評(píng)價(jià)在橫向通風(fēng)系統(tǒng)糧倉(cāng)內(nèi)惰性粉氣溶膠防蟲(chóng)技術(shù)的適用性。包括測(cè)定該技術(shù)應(yīng)用的工藝參數(shù)，了解惰性粉氣溶膠氣固兩相流在糧堆內(nèi)的分布情況和均勻性。

1 材料和方法

1.1 材料與設(shè)備

食品級(jí)惰性粉：國(guó)家糧食局科學(xué)研究院；糧食：小麥(河北產(chǎn))，平均含水量12.5%，入倉(cāng)時(shí)間為2014年8月。

3F-30噴粉機(jī)，單位噴施量為8～20 kg/h；7.5 kW變頻器、CZTY 450型7.5 kW強(qiáng)力軸流風(fēng)機(jī)：河南未來(lái)機(jī)電工程有限公司； 4-72-4.5型7.5 kW離心風(fēng)機(jī)：河北省高碑店市鼓風(fēng)機(jī)廠；糧食扦樣器；CCZ20粉塵采樣器；Hitachi S-3000 N掃描電鏡；萬(wàn)分之一天平；CQM-2倉(cāng)房氣密性檢測(cè)裝置。

倉(cāng)房：高大平房倉(cāng)(60 m×21 m×11 m)，糧高為6 m，5 466 t，配有橫向通風(fēng)系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。主風(fēng)道：南北墻底部，扇形通風(fēng)道(1/4半圓)，直徑50 cm。支風(fēng)道：南北墻上垂直半圓形通風(fēng)道，直徑40 cm。南墻19個(gè)支風(fēng)道，北墻17個(gè)支風(fēng)道，間距：2.7 m。通風(fēng)口：南北兩側(cè)各4個(gè)；直徑500 cm。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定

1.2.1.1 噴粉機(jī)出口風(fēng)速

噴粉機(jī)啟動(dòng)后，調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)和流量開(kāi)關(guān)，用葉輪式風(fēng)速儀檢測(cè)不同功率、不同流量下噴管出口風(fēng)速。

1.2.1.2 通風(fēng)糧堆單位面積上的通風(fēng)量(表觀風(fēng)速)

檢測(cè)點(diǎn)布置：測(cè)點(diǎn)根據(jù)糧面形狀，按均勻網(wǎng)格狀布置，測(cè)點(diǎn)離墻約0.5 m，點(diǎn)之間距離1.5～2 m。 測(cè)算通風(fēng)糧堆單位面積上的通風(fēng)量(表觀風(fēng)速)。

風(fēng)機(jī)測(cè)試管風(fēng)速：用風(fēng)速儀對(duì)測(cè)試風(fēng)機(jī)測(cè)試管測(cè)定截面的2個(gè)方向共16個(gè)測(cè)點(diǎn)依次測(cè)量風(fēng)速值。

式中：V為所測(cè)量截面平均風(fēng)速/m/s；v1，v2～v16分別為所測(cè)量截面上各點(diǎn)風(fēng)速值/m/s。

風(fēng)機(jī)總風(fēng)量：根據(jù)截面平均風(fēng)速計(jì)算截面平均風(fēng)量，即單個(gè)風(fēng)機(jī)平均總風(fēng)量。

截面平均風(fēng)量：Q=3 600×V×S

式中：Q為所測(cè)量截面平均風(fēng)量/m3/h；V為所測(cè)量截面平均風(fēng)速/m/s；S為測(cè)試所取截面面積/m2。

總通風(fēng)量：根據(jù)測(cè)得的單個(gè)風(fēng)機(jī)的平均總風(fēng)量，計(jì)算通過(guò)整個(gè)糧倉(cāng)糧堆橫向通風(fēng)的總通風(fēng)量：

倉(cāng)房糧堆橫向通風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量 (m3/h)：Q總=Q1+Q2+…+Qn

表觀風(fēng)速：根據(jù)總通風(fēng)量計(jì)算糧堆氣流通過(guò)單位面積上的單位通風(fēng)量[m3/(s·m2)],俗稱表觀風(fēng)速(m/s)。

式中：VS為表觀風(fēng)速/[m3/(s·m2)]；Q總為所測(cè)倉(cāng)房總通風(fēng)量/m3/s；S為糧堆氣流通過(guò)的總截面面積/m2。

1.2.1.3 倉(cāng)房氣密性

2次施粉前，對(duì)薄膜密封后的糧堆進(jìn)行氣密性測(cè)定，方法參照LS/T 1213—2008。

1.2.2 施粉方法

采用從倉(cāng)房?jī)蓚?cè)向倉(cāng)內(nèi)施粉的方法。根據(jù)噴粉的方向，將4臺(tái)7.5 kW風(fēng)機(jī)安裝在粉流向終點(diǎn)側(cè)的4個(gè)通風(fēng)口，采取負(fù)壓吸出式通風(fēng)，產(chǎn)生橫向通風(fēng)氣流。啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)1 h后，將4臺(tái)噴粉機(jī)的噴粉管連接在粉流向起點(diǎn)的通風(fēng)機(jī)口，向通風(fēng)主風(fēng)道內(nèi)噴施，噴施完設(shè)定用量后，繼續(xù)通風(fēng)1 h后停機(jī)。結(jié)束一側(cè)噴粉后，調(diào)轉(zhuǎn)風(fēng)機(jī)至另一側(cè)，以同樣方法進(jìn)行另一側(cè)的施粉。劑量為20 mg/L分2次噴施，每次10 mg/L，惰性粉總用量為50 kg。

1.2.3 惰性粉施粉工藝效果檢測(cè)

1.2.3.1 施粉過(guò)程中糧堆內(nèi)惰性粉氣溶膠濃度檢測(cè)

粉流向終點(diǎn)側(cè)主風(fēng)道內(nèi)粉塵取樣：在風(fēng)道口與風(fēng)機(jī)的軟連接處接入一根氣體粉塵取樣管，延伸至主風(fēng)道0.5 m處，進(jìn)行粉塵采樣，用粉塵采樣儀進(jìn)行。

通風(fēng)30 min后，在(第2次)向倉(cāng)南側(cè)施粉前，采集2個(gè)北側(cè)主風(fēng)道內(nèi)粉塵樣品，采樣20 min，編號(hào)依次為1、2。開(kāi)始噴粉后，采集北側(cè)主風(fēng)道內(nèi)粉塵樣品，采樣時(shí)間為60 min，編號(hào)為3。

糧堆內(nèi)粉塵取樣：噴粉結(jié)束后30 min，在倉(cāng)內(nèi)的N6截面選擇3個(gè)取樣點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)支風(fēng)道1、支風(fēng)道5和支風(fēng)道9，距離糧面約30 cm，采樣時(shí)間為20 min，編號(hào)依次為4、5和6。進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。

氣溶膠濃度計(jì)算：將所采集樣本用萬(wàn)分之一天平稱重，用公式計(jì)算氣溶膠濃度。

式中：C為惰性粉氣溶膠質(zhì)量濃度/mg/L；M為采集惰性粉質(zhì)量/mg；V為采集時(shí)間內(nèi)的空氣體積/L；M為采集后濾紙質(zhì)量-濾紙初始質(zhì)量/mg；V=采集時(shí)間/min×采樣器流量/L/min。

1.2.3.2 施粉結(jié)束后惰性粉在糧堆中的分布

扦樣點(diǎn)的選擇：將糧堆從北到南依次分為7個(gè)截面，分別為N1(緊靠支風(fēng)道10 cm以內(nèi))～N7(圖1)。每個(gè)截面選擇3個(gè)扦樣點(diǎn)，M1：2～3支風(fēng)道之間；M2：正對(duì)著第3支風(fēng)道；M3：正對(duì)著倉(cāng)門(mén)中線。每個(gè)點(diǎn)扦取5個(gè)不同深度的樣本)。

圖1 扦取小麥樣品的取樣樣點(diǎn)分布示意圖

表1 小麥樣本距糧面深度

樣本層數(shù)距糧面深度/cm對(duì)應(yīng)編號(hào)上層5～11-1第2層21～27-2第3層37～43-3第4層53～59-4下層64～70-5

取樣次數(shù)：共取2次樣品，即第1次和第2次施粉結(jié)束后在同一取樣點(diǎn)各取1次，進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察。

1.2.4 顯微結(jié)構(gòu)觀察

采用掃描電鏡對(duì)噴粉時(shí)空間惰性粉樣品和體氏顯微鏡對(duì)黏附惰性粉后小麥樣品的進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 惰性粉氣溶膠橫向通風(fēng)施粉工藝參數(shù)

2次施粉前倉(cāng)房的氣密性分別為壓力半衰期50 s和27 s。第1次施粉前糧堆的表觀風(fēng)速分別為0.016 7 m/s，2次施粉前糧堆的表觀風(fēng)速為0.02 m/s，2次通風(fēng)的均勻性差異不大，表明惰性粉施用后對(duì)糧堆的表觀風(fēng)速?zèng)]有產(chǎn)生影響。每臺(tái)噴粉機(jī)單位噴施量為10～16 kg/h，均可以滿足惰性粉氣溶膠化和橫向通風(fēng)形成兩相流的要求。

2.2 惰性粉在小麥糧堆中的分布

2.2.1 糧粒間隙中惰性粉氣溶膠濃度

各采集點(diǎn)的惰性粉氣溶膠濃度列于表2。所采集的惰性粉氣溶膠樣本，在電子顯微鏡下形態(tài)如圖2所示。

噴粉過(guò)程中，在流向終點(diǎn)側(cè)的主風(fēng)道的內(nèi)采集到了惰性粉樣本(編號(hào)1、2、3)，首先表明惰性粉氣溶膠能夠隨通風(fēng)氣流穿透21 m糧堆。1號(hào)和2號(hào)樣本的采集時(shí)間為第2次施粉前的通風(fēng)期間，此期間采集到的惰性粉表明第1次施粉結(jié)束后，有部分惰性粉顆粒處于游離狀態(tài)或者被糧粒牢固吸附，當(dāng)反向通風(fēng)時(shí)，會(huì)有部分顆粒被帶離糧堆。2次施粉期間，粉流向終點(diǎn)側(cè)的主風(fēng)道內(nèi)的惰性粉氣流濃度大約保持在0.039 mg/L(3號(hào)樣本，采集1 h)。通過(guò)主風(fēng)道內(nèi)氣溶膠濃度可以計(jì)算出通風(fēng)期間。施粉過(guò)程約2 h，4臺(tái)7.5 kW離心風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量約為51 272 m3。主風(fēng)道內(nèi)的氣溶膠濃度相當(dāng)于離開(kāi)糧堆時(shí)的惰性粉濃度，因此，被通風(fēng)氣流帶離糧堆的惰性粉的損失量約為1 999.6 g(51 272 m3×0.039 g/m3)。

第6個(gè)截面上(其距離起點(diǎn)側(cè)10 m)3個(gè)樣本(4、5、6)的平均濃度為0.089 mg/L，是主風(fēng)道內(nèi)惰性粉濃度的2.3倍。表明惰性粉兩相流在糧堆的穿行過(guò)程中，糧粒對(duì)其有吸附作用，氣溶膠濃度隨著氣流在糧堆中的穿行而逐漸降低。

表2 橫向通風(fēng)惰性粉氣溶膠施粉的主風(fēng)道和糧堆內(nèi)粉塵采樣檢測(cè)結(jié)果

注：4、5、6點(diǎn)分別位于N6-M1、N6-M5、N6-M9表層30 cm。

2.2.2 糧堆中樣本沾粉糧粒的數(shù)量統(tǒng)計(jì)

將所有扦樣的小麥樣本通過(guò)體視顯微鏡進(jìn)行鏡檢。

2.2.2.1 單側(cè)施粉后惰性粉分布

第1次施粉結(jié)束后， 粉流向起點(diǎn)至終點(diǎn)的N1～N7的7個(gè)截面中，平均沾粉小麥粒不超過(guò)10%(表3)，表明惰性粉氣溶膠在隨氣流通過(guò)糧粒間隙的時(shí)候，大部分粉粒還是克服了糧粒的吸附力隨氣流向吸風(fēng)側(cè)流動(dòng)。起點(diǎn)側(cè)沾粉糧粒的百分率明顯高于終點(diǎn)側(cè)，表明惰性粉隨氣流流動(dòng)的過(guò)程中，逐漸被糧粒所吸附。

注：a、b 為采樣獲得的惰性粉氣溶膠樣本，c 為普通粉塵樣本

截面位置深度12345平均沾粉糧粒百分率/%N1N1-M11555313NI-M2212534N1-M33451366.53N2N2-M152183N2-M224004N2-M31272353.87N3N3-M1108236N3-M201010N3-M31010223.07N4N4-M112530N4-M201110N4-M3003211.33N5N5-M110120N5-M211000N5-M3001200.53N6N6-M101024N6-M224302N6-M3010221.53N7N7-M141323N7-M230002N7-M3003111.33

從糧堆東西截面來(lái)看，M1處于2～3支風(fēng)道之間、M2正對(duì)著第3支風(fēng)道、M3正對(duì)著倉(cāng)門(mén)中線。將每個(gè)截面上的所有樣本沾粉百分率取均值，分別是M1為3.51%、M2為1.68%和M3為2.68%，各截面樣本的沾粉百分率差異不顯著。表明在結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻的糧堆內(nèi)，氣溶膠隨氣流由北向南移動(dòng)過(guò)程中，沿著糧?？p隙向四周擴(kuò)散，最終能夠均勻的橫向擴(kuò)散。

2.2.2.2 南北雙向主風(fēng)道施粉后惰性粉分布

第2次施粉結(jié)束后，測(cè)定各截面的平均沾粉麥粒百分率，見(jiàn)表4。與第1次施粉后檢測(cè)結(jié)果相比，第1個(gè)截面(N1)，經(jīng)過(guò)了第2次施粉通風(fēng)后，該截面的平均沾粉糧粒有一定程度減少,表明糧粒沾附較多的惰性粉有部分會(huì)被二次通風(fēng)帶離糧粒。兩側(cè)施粉的方式可能會(huì)造成一定的惰性粉的損耗，但糧堆的兩側(cè)濃度偏高的糧粉混合層，可以起到防止儲(chǔ)糧害蟲(chóng)從通風(fēng)道口進(jìn)入糧堆作用。

表4 兩次施粉(南北雙側(cè))后扦樣樣本中沾粉糧粒百分率/%

表4(續(xù))

3 討論

3.1 惰性粉在糧堆中的分布特征

惰性粉氣溶膠隨氣流通過(guò)糧粒間隙時(shí)，部分顆粒被糧粒所吸附，糧堆截面上的糧粒沾粉率越低。當(dāng)完成雙側(cè)施粉后，整個(gè)糧堆在噴粉的兩側(cè)的惰性粉濃度明顯高于中間糧堆，相當(dāng)于在橫向通風(fēng)系統(tǒng)的糧堆兩側(cè)形成兩面糧粉混合層。

3.2 糧粒間隙中惰性粉氣溶膠濃度

主風(fēng)道內(nèi)形成的惰性粉氣溶膠隨著橫向通風(fēng)的氣流從支風(fēng)道進(jìn)入糧堆，能夠穿透21 m厚的橫向糧層糧堆，并且在糧堆內(nèi)較均勻擴(kuò)散。而氣溶膠的濃度會(huì)隨著在糧堆中的流動(dòng)呈逐漸下降趨勢(shì)，出風(fēng)口處的氣溶膠濃度最低。

4 結(jié)論

本研究證實(shí)惰性粉以氣溶膠的方式在糧粒間隙擴(kuò)散，能夠增加接觸害蟲(chóng)的機(jī)會(huì)，提高了惰性粉的有效效率。

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Application of Food Grade Inert Dust Aerosol Control Insects in Grain Store Houses with Transverse Ventilation

Wang Zhongming1Cao Yang1Zhang Zhenjun1Qi Yanmei2Shi Tianyu1Zhang Tao1Ji Zhenjiang3Yang Xu3Zhang Hongyu4Li Yanyu1

(Academy of State Administration of Grain1, Beijing 100037) (Institute of grain and oil food, Henan university of technology2, Zhengzhou 450001) (Qingyuan state grain reserve3, Baoding 071000) (Shandong Feixian Lunan state grain reserve4, Linyi 237400)

In order to understand application of inert dust aerosol pest control technology in crosswise ventilating system warehouse and diffusion and distribution status of inert dusts in grain bulk with airflow, weighing and observation with microscope & electron microscope were conducted to detect dust samples collected at different positions of the grain bulk. Results showed that in dust applying phase, applying dusts inside offside main air duct could detect that concentration of inert dust aerosol was about 0.039 mg/L, which indicated that inert dust aerosol could diffuse in interspace between grains in grain bulk. Besides, it could penetrate grain bulk which was 21 meters wide and then reached offside main duct. At the end of dust applying, dust sticking situation of grains in grain bulk was detected, and results found that dust sticking rate of grains which was next to dust spraying side was higher, with the maximum rate reaching 6.9%. While along the direction of airflow flowing to internal grain bulk, percentage of grains which had been stuck with dusts in grain bulk would gradually decrease.

food-grade inert dust, transverse ventilation, aerosol, distribution

S379.5

A

1003-0174(2016)12-0090-05

國(guó)家糧食公益專項(xiàng)(201313001,2015449-001-03)，國(guó)家國(guó)際科技合作(2013DFA31960)

2015-04-23

汪中明，男，1971年出生，博士，儲(chǔ)糧害蟲(chóng)生物學(xué)與防治

李燕羽，女，1980年出生，博士，儲(chǔ)糧害蟲(chóng)生物學(xué)與防治