惰性粉气溶胶防虫技术在横向通风粮仓中的应用

汪中明 曹 阳 张振军 齐艳梅 石天玉 张 涛 季振江 杨 旭 张宏宇 李燕羽

(国家粮食局科学研究院1，北京 100037) (河南工业大学粮油食品学院2，郑州 450001) (清苑国家粮食储备库3，保定 071000) (山东费县鲁南国家粮食储备库4，临沂 237400)

惰性粉气溶胶防虫技术在横向通风粮仓中的应用

汪中明1曹 阳1张振军1齐艳梅2石天玉1张 涛1季振江3杨 旭3张宏宇4李燕羽1

(国家粮食局科学研究院1，北京 100037) (河南工业大学粮油食品学院2，郑州 450001) (清苑国家粮食储备库3，保定 071000) (山东费县鲁南国家粮食储备库4，临沂 237400)

为了解惰性粉气溶胶防虫技术在横向通风系统仓房使用中，惰性粉随气流在粮堆中的扩散和分布状态，采用称重和显微镜、电子显微镜观察等方法对粮堆不同部位采集的粉尘样本进行检测。结果表明，在施粉阶段，施粉对侧主风道内能够检测到惰性粉气溶胶浓度约为0.039 mg/L，表明惰性粉气溶胶能够在粮堆中粮粒的空隙间扩散，可以穿透21 m粮堆，到达对侧主风道。施粉结束后，检测粮堆内粮粒沾粉情况，结果发现紧挨喷粉侧的粮粒沾粉率较高，最高可达6.9%。而沿着气流向粮堆内流动的方向，粮堆中沾粉粮粒的百分率逐渐降低。

食品级惰性粉 横向通风 气溶胶 分布

为了保证在粮食储藏环节降低有害物质残留，无公害储粮技术受到青睐[1]。惰性粉是一些物理和化学性质稳定的物质，在防治储粮害虫方面有较早的应用历史，成分也有多种类别。其中，食品级惰性粉(以下简称惰性粉)是属于人工合成的二氧化硅，常作为食品添加剂，它通过磨损昆虫关节等方式杀虫，是一种物理防治方法[2-4]。传统的惰性粉的施用多采用拌合等方法，费时费力且与粮食混合后的均匀性差，为了该技术的广泛推广应用，急需探寻出新的施用工艺。本研究拟利用惰性粉颗粒小、比重低的物理特性，在具备通风系统的粮仓内，通过喷粉机将惰性粉喷施到空气中与空气形成气溶胶，再通过风机驱动使气溶胶化的惰性粉形成气固两相流，进入粮堆，发挥防止粮食结块和防虫杀虫作用[5]。将该施用方法命名为食品级惰性粉气溶胶防虫技术。

根据储粮通风工艺中气流流向和分布的不同，可以把储粮通风分为竖向通风和横向通风两大类[6]。前期，我们在竖向通风系统仓房内对该技术进行测试。而横向通风系统的设计形式是通风道在仓房檐墙南北两侧垂直放置，粮面覆膜，气流接近水平穿过粮层[7]。因此，对于惰性粉气溶胶防虫技术来说，由于粮面覆膜，没有了粮堆上部空间，喷粉的位置和空间需要改变。此外，气流穿过粮层的方向的差异，必然也会导致惰性粉气溶胶在粮层中的扩散和分布，也会导致对害虫的防护效果的差异。

因此本研究的目的是评价在横向通风系统粮仓内惰性粉气溶胶防虫技术的适用性。包括测定该技术应用的工艺参数，了解惰性粉气溶胶气固两相流在粮堆内的分布情况和均匀性。

1 材料和方法

1.1 材料与设备

食品级惰性粉：国家粮食局科学研究院；粮食：小麦(河北产)，平均含水量12.5%，入仓时间为2014年8月。

3F-30喷粉机，单位喷施量为8～20 kg/h；7.5 kW变频器、CZTY 450型7.5 kW强力轴流风机：河南未来机电工程有限公司； 4-72-4.5型7.5 kW离心风机：河北省高碑店市鼓风机厂；粮食扦样器；CCZ20粉尘采样器；Hitachi S-3000 N扫描电镜；万分之一天平；CQM-2仓房气密性检测装置。

仓房：高大平房仓(60 m×21 m×11 m)，粮高为6 m，5 466 t，配有横向通风系统(见图1)。主风道：南北墙底部，扇形通风道(1/4半圆)，直径50 cm。支风道：南北墙上垂直半圆形通风道，直径40 cm。南墙19个支风道，北墙17个支风道，间距：2.7 m。通风口：南北两侧各4个；直径500 cm。

1.2 方法

1.2.1 试验参数测定

1.2.1.1 喷粉机出口风速

喷粉机启动后，调节发动机油门和流量开关，用叶轮式风速仪检测不同功率、不同流量下喷管出口风速。

1.2.1.2 通风粮堆单位面积上的通风量(表观风速)

检测点布置：测点根据粮面形状，按均匀网格状布置，测点离墙约0.5 m，点之间距离1.5～2 m。 测算通风粮堆单位面积上的通风量(表观风速)。

风机测试管风速：用风速仪对测试风机测试管测定截面的2个方向共16个测点依次测量风速值。

式中：V为所测量截面平均风速/m/s；v1，v2～v16分别为所测量截面上各点风速值/m/s。

风机总风量：根据截面平均风速计算截面平均风量，即单个风机平均总风量。

截面平均风量：Q=3 600×V×S

式中：Q为所测量截面平均风量/m3/h；V为所测量截面平均风速/m/s；S为测试所取截面面积/m2。

总通风量：根据测得的单个风机的平均总风量，计算通过整个粮仓粮堆横向通风的总通风量：

仓房粮堆横向通风系统总风量 (m3/h)：Q总=Q1+Q2+…+Qn

表观风速：根据总通风量计算粮堆气流通过单位面积上的单位通风量[m3/(s·m2)],俗称表观风速(m/s)。

式中：VS为表观风速/[m3/(s·m2)]；Q总为所测仓房总通风量/m3/s；S为粮堆气流通过的总截面面积/m2。

1.2.1.3 仓房气密性

2次施粉前，对薄膜密封后的粮堆进行气密性测定，方法参照LS/T 1213—2008。

1.2.2 施粉方法

采用从仓房两侧向仓内施粉的方法。根据喷粉的方向，将4台7.5 kW风机安装在粉流向终点侧的4个通风口，采取负压吸出式通风，产生横向通风气流。启动风机进行通风1 h后，将4台喷粉机的喷粉管连接在粉流向起点的通风机口，向通风主风道内喷施，喷施完设定用量后，继续通风1 h后停机。结束一侧喷粉后，调转风机至另一侧，以同样方法进行另一侧的施粉。剂量为20 mg/L分2次喷施，每次10 mg/L，惰性粉总用量为50 kg。

1.2.3 惰性粉施粉工艺效果检测

1.2.3.1 施粉过程中粮堆内惰性粉气溶胶浓度检测

粉流向终点侧主风道内粉尘取样：在风道口与风机的软连接处接入一根气体粉尘取样管，延伸至主风道0.5 m处，进行粉尘采样，用粉尘采样仪进行。

通风30 min后，在(第2次)向仓南侧施粉前，采集2个北侧主风道内粉尘样品，采样20 min，编号依次为1、2。开始喷粉后，采集北侧主风道内粉尘样品，采样时间为60 min，编号为3。

粮堆内粉尘取样：喷粉结束后30 min，在仓内的N6截面选择3个取样点，分别对应支风道1、支风道5和支风道9，距离粮面约30 cm，采样时间为20 min，编号依次为4、5和6。进行显微结构观察。

气溶胶浓度计算：将所采集样本用万分之一天平称重，用公式计算气溶胶浓度。

式中：C为惰性粉气溶胶质量浓度/mg/L；M为采集惰性粉质量/mg；V为采集时间内的空气体积/L；M为采集后滤纸质量-滤纸初始质量/mg；V=采集时间/min×采样器流量/L/min。

1.2.3.2 施粉结束后惰性粉在粮堆中的分布

扦样点的选择：将粮堆从北到南依次分为7个截面，分别为N1(紧靠支风道10 cm以内)～N7(图1)。每个截面选择3个扦样点，M1：2～3支风道之间；M2：正对着第3支风道；M3：正对着仓门中线。每个点扦取5个不同深度的样本)。

图1 扦取小麦样品的取样样点分布示意图

表1 小麦样本距粮面深度

样本层数距粮面深度/cm对应编号上层5～11-1第2层21～27-2第3层37～43-3第4层53～59-4下层64～70-5

取样次数：共取2次样品，即第1次和第2次施粉结束后在同一取样点各取1次，进行显微结构观察。

1.2.4 显微结构观察

采用扫描电镜对喷粉时空间惰性粉样品和体氏显微镜对黏附惰性粉后小麦样品的进行观察。

2 结果与分析

2.1 惰性粉气溶胶横向通风施粉工艺参数

2次施粉前仓房的气密性分别为压力半衰期50 s和27 s。第1次施粉前粮堆的表观风速分别为0.016 7 m/s，2次施粉前粮堆的表观风速为0.02 m/s，2次通风的均匀性差异不大，表明惰性粉施用后对粮堆的表观风速没有产生影响。每台喷粉机单位喷施量为10～16 kg/h，均可以满足惰性粉气溶胶化和横向通风形成两相流的要求。

2.2 惰性粉在小麦粮堆中的分布

2.2.1 粮粒间隙中惰性粉气溶胶浓度

各采集点的惰性粉气溶胶浓度列于表2。所采集的惰性粉气溶胶样本，在电子显微镜下形态如图2所示。

喷粉过程中，在流向终点侧的主风道的内采集到了惰性粉样本(编号1、2、3)，首先表明惰性粉气溶胶能够随通风气流穿透21 m粮堆。1号和2号样本的采集时间为第2次施粉前的通风期间，此期间采集到的惰性粉表明第1次施粉结束后，有部分惰性粉颗粒处于游离状态或者被粮粒牢固吸附，当反向通风时，会有部分颗粒被带离粮堆。2次施粉期间，粉流向终点侧的主风道内的惰性粉气流浓度大约保持在0.039 mg/L(3号样本，采集1 h)。通过主风道内气溶胶浓度可以计算出通风期间。施粉过程约2 h，4台7.5 kW离心风机的总风量约为51 272 m3。主风道内的气溶胶浓度相当于离开粮堆时的惰性粉浓度，因此，被通风气流带离粮堆的惰性粉的损失量约为1 999.6 g(51 272 m3×0.039 g/m3)。

第6个截面上(其距离起点侧10 m)3个样本(4、5、6)的平均浓度为0.089 mg/L，是主风道内惰性粉浓度的2.3倍。表明惰性粉两相流在粮堆的穿行过程中，粮粒对其有吸附作用，气溶胶浓度随着气流在粮堆中的穿行而逐渐降低。

表2 横向通风惰性粉气溶胶施粉的主风道和粮堆内粉尘采样检测结果

注：4、5、6点分别位于N6-M1、N6-M5、N6-M9表层30 cm。

2.2.2 粮堆中样本沾粉粮粒的数量统计

将所有扦样的小麦样本通过体视显微镜进行镜检。

2.2.2.1 单侧施粉后惰性粉分布

第1次施粉结束后， 粉流向起点至终点的N1～N7的7个截面中，平均沾粉小麦粒不超过10%(表3)，表明惰性粉气溶胶在随气流通过粮粒间隙的时候，大部分粉粒还是克服了粮粒的吸附力随气流向吸风侧流动。起点侧沾粉粮粒的百分率明显高于终点侧，表明惰性粉随气流流动的过程中，逐渐被粮粒所吸附。

注：a、b 为采样获得的惰性粉气溶胶样本，c 为普通粉尘样本

截面位置深度12345平均沾粉粮粒百分率/%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

从粮堆东西截面来看，M1处于2～3支风道之间、M2正对着第3支风道、M3正对着仓门中线。将每个截面上的所有样本沾粉百分率取均值，分别是M1为3.51%、M2为1.68%和M3为2.68%，各截面样本的沾粉百分率差异不显著。表明在结构相对均匀的粮堆内，气溶胶随气流由北向南移动过程中，沿着粮粒缝隙向四周扩散，最终能够均匀的横向扩散。

2.2.2.2 南北双向主风道施粉后惰性粉分布

第2次施粉结束后，测定各截面的平均沾粉麦粒百分率，见表4。与第1次施粉后检测结果相比，第1个截面(N1)，经过了第2次施粉通风后，该截面的平均沾粉粮粒有一定程度减少,表明粮粒沾附较多的惰性粉有部分会被二次通风带离粮粒。两侧施粉的方式可能会造成一定的惰性粉的损耗，但粮堆的两侧浓度偏高的粮粉混合层，可以起到防止储粮害虫从通风道口进入粮堆作用。

表4 两次施粉(南北双侧)后扦样样本中沾粉粮粒百分率/%

表4(续)

3 讨论

3.1 惰性粉在粮堆中的分布特征

惰性粉气溶胶随气流通过粮粒间隙时，部分颗粒被粮粒所吸附，粮堆截面上的粮粒沾粉率越低。当完成双侧施粉后，整个粮堆在喷粉的两侧的惰性粉浓度明显高于中间粮堆，相当于在横向通风系统的粮堆两侧形成两面粮粉混合层。

3.2 粮粒间隙中惰性粉气溶胶浓度

主风道内形成的惰性粉气溶胶随着横向通风的气流从支风道进入粮堆，能够穿透21 m厚的横向粮层粮堆，并且在粮堆内较均匀扩散。而气溶胶的浓度会随着在粮堆中的流动呈逐渐下降趋势，出风口处的气溶胶浓度最低。

4 结论

本研究证实惰性粉以气溶胶的方式在粮粒间隙扩散，能够增加接触害虫的机会，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

国家粮食公益专项(201313001,2015449-001-03)，国家国际科技合作(2013DFA31960)

2015-04-23

汪中明，男，1971年出生，博士，储粮害虫生物学与防治

李燕羽，女，1980年出生，博士，储粮害虫生物学与防治