碱处理玉米秸秆制备可降解育苗钵研究

王延鹏，孙 勇，曲京博，刘金明,2，王尚坤

(1.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030； 2.黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)



碱处理玉米秸秆制备可降解育苗钵研究

王延鹏1，孙 勇1，曲京博1，刘金明1,2，王尚坤1

(1.东北农业大学 工程学院，哈尔滨 150030； 2.黑龙江八一农垦大学 信息技术学院，黑龙江 大庆 163319)

以碱处理玉米秸秆制备的悬浮浆液为原料，采用负压吸附成型工艺，利用有机可降解育苗钵成型机做钵，进行可降解育苗钵成型探索。试验发现：碱处理玉米秸秆得到的秸秆纤维中纤维素和半纤维素总量保持在75%～85%，碱浓度越高，纤维素比例越高；TS在4%～6%时，育苗钵的湿坯含水率适宜，对应浆液表观粘度也较大，育苗钵成型效果好；吸浆时间在1.5～3s、真空度在230～270kPa时，育苗钵湿坯含水率在合适范围，吸附力对浆液表观粘度影响较小，育苗钵成型效果较好。本研究可为育苗钵的成型和降解提供参考。

玉米秸秆；碱处理；负压吸附成型；可降解育苗钵

0 引言

玉米秸秆中含有木质素、纤维素和半纤维素等大分子，可用于发酵和作燃料，是一种优秀的可再生能源[1-3]。但玉米秸秆特别是寒区玉米秸秆因含有高质量比例的木质素，其屏蔽作用阻碍了纤维素和半纤维素的应用，既不利于高效率发酵的进行，也不能使秸秆有效还田利用，阻碍了农业的可持续发展[4]。菌处理、爆破法、酸或碱处理可在一定程度上降低秸秆中木质素的阻碍作用[5-7]，酸或碱处理较为方便快捷，但酸或碱处理容易引起二次污染[8]，而爆破和膨化处理往往耗能较高。可降解育苗钵为秸秆的高效利用提供了一种新途径[9]，是适应我国农业可持续发展的农业辅助装备，通常以农业废弃物为原料，采用热压[10-11]或负压吸附工艺制作[12]。负压吸附工艺制备育苗钵通常需要将原材料打浆和施加正负压力[13]，秸秆固体质量含量(TS)、吸浆时间和真空度对育苗钵成型产生重要影响。因此，有必要采用碱处理玉米秸秆，提高浆液的粘度，探索影响育苗钵成型的因素及影响规律，促进育苗钵的成型。

本文以寒区玉米秸秆为原材料，用碱处理玉米秸秆制备浆液，采用负压吸附工艺制备可降解育苗钵，探究碱处理玉米秸秆引起秸秆成分变化的规律，揭示育苗钵基体基本构成，以及TS、转速对浆液表观粘度的影响，固体质量含量(TS)、吸浆时间和真空度对育苗钵成型的影响规律，为可降解育苗钵浆液的制备、育苗钵成型及工艺优化提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 材料与设备

玉米秸秆和猪粪沼液分别取自黑龙江省哈尔滨市平房区周边农场和双城区顺利村示范基地。使用9QS20-60秸秆揉切机将玉米秸秆粉碎至10～20mm并烘干3h，将猪粪沼液、NaOH和蒸馏水配置预处理液。其中，猪粪沼液质量比例8%，碱浓度质量分数分别为2%、3%、4%，将预处理液与烘干的玉米秸秆按照质量比5:26的质量比混合封装处理10天，以备打浆测量粘度和做钵。有机可降解育苗钵成型机如图1所示。

图1 有机可降解育苗钵成型机

成型机主要是由气缸、回流装置、成型模具、储气罐、储浆池及电机等部分组成，主要工作技术参数如表1所示。

表1 工作技术参数

1.2 试验方法

1.2.1 原料组分分析

原料中纤维素和半纤维素采用ANKOM 200i半自动纤维分析仪进行测定分析，单因素控制变量法确定碱浓度对纤维素和半纤维素的影响。

1.2.2 TS和转速对浆液粘度的影响

转速对浆液产生外力作用，力的大小和作用时间影响浆液粘度，浆液粘度影响育苗钵成型；转速步长设置成6、12、30、60r/min，每个转速下测量5次，然后取均值。TS反应的是浆液中固体物质含量，影响育苗钵吸浆时间，进而影响育苗钵成型；步长设置成2%、3%、4%、5%、6%，每个TS浓度下重复测量5次，取均值。

1.2.3 负压吸附成型的影响因素

成型机负压吸附过程中，真空度、浆液浓度和吸浆时间对育苗钵的成型产生重要影响[14]。本文采用单因素试验方法，初步确定真空度、浆液浓度和吸浆时间对湿坯含水率的影响规律，确定使育苗钵成型的基本数值范围。

1.3 考察指标

1.3.1 表观粘度

表观粘度是数显粘度计测量得出的粘度，其值越大，静态浆液粘度也就越大；浆液粘性越大，纤维之间搭接稳固，育苗钵成型稳定。

1.3.2 湿坯含水率

湿坯含水率是育苗钵成型时，湿坯含水质量与对应湿坯的比值。湿坯含水率高，脱模易破碎；含水率低，成型较困难，一般在71%～76.5%较适宜。

2 结果与分析

2.1 原料组分变化

碱和沼液混合预处理玉米秸秆导致玉米秸秆成分产生变化，对秸秆成分构成产生了影响。玉米秸秆纤维素、半纤维素随碱浓度的变化规律如表2所示。

表2 2%～4%碱预处理玉米秸秆纤维素和半纤维素含量

Table 2 Cellulose and hemicellulose content of corn stalk of 2%～4% alkali pretreatment %

碱浓度纤维素半纤维素254.4921.96373.9311.31477.19.93

由表2可知：碱浓度从2%增加到4%时，玉米秸秆中纤维素含量从54.49%增加到77.1%，半纤维素含量从21.96%降低到9.93%。这说明，在相同的预处理时间(均处理到第10天)内，碱浓度越高，碱与玉米秸秆化学反应越强[15〗，玉米秸秆解离越充分，导致玉米秸秆中纤维素含量越高，半纤维素含量越低。此时，秸秆纤维约75%的成分是纤维素和半纤维素，纤维素占比高于半纤维素，这类秸秆纤维将是育苗钵钵体的主体，有助于研究育苗钵成型和降解利用。

2.2 TS和转速对浆液粘度的影响规律

2.2.1 TS对浆液粘度的影响

由图2可知：在不同碱浓度预处理条件下，浆液表观粘度都随着TS增加近似S形曲线增加；TS在2%～4%之间时，浆液的表观粘度上升缓慢；TS在4%～5%之间，浆液表观粘度上升加速；TS在5%～6%之间，浆液的表观粘度上升趋于缓慢。TS越高，浆液中秸秆纤维含量越高，浆液中秸秆纤维搭接[16]几率和搭接稳固性就越高，浆液的表观粘度也越高，秸秆纤维搭接成型的可能性也就越高。初步确定，TS为4%～6%的浆液有助于育苗钵成型。

图2 浆液表观粘度随TS变化规律

2.2.2 转速对浆液粘度的影响

由图3可知：随着转速的升高，浆液的表观粘度非线性降低，在6～30r/min的转速下，浆液的表观粘度下降比较快；30～60r/min转速下，浆液的表观粘度趋于缓慢。这说明，转速越高，剪切速率越高，转子对浆液的剪切作用增强，浆液中的微粒构建的氢键等结构在转子的剪切作用下遭到破坏，秸秆纤维之间的复杂缠绕搭接也因转子转动得到简化[17-18]，浆液的表观粘度下降。负压吸附工艺制备育苗钵时，转速表征外力对浆液粘度的扰动，制备育苗钵时可用吸浆时间和真空度表示。因此，可适当控制吸浆时间和真空度，选择较小的吸附力作用，获得较大的浆液粘度，更好地促进育苗钵的成型。

图3 浆液表观粘度随测量转速变化规律

2.3TS、真空度和吸浆时间对育苗钵湿坯含水率的影响规律

2.3.1 TS对育苗钵湿坯含水率的影响规律

TS直接影响育苗钵湿坯含水量。以4%预处理玉米秸秆制备的悬浮浆液制备育苗钵，吸浆时间控制在3s，真空度为250kPa，得到不同浆液浓度对湿坯含水率的影响规律如表3所示。

表3 不同浆液浓度对湿坯含水率的影响的试验结果

Table 3 The experimental records of moisture content with different slurry concentration

TS/%浆液表观粘度湿坯含水率/%1—表面残缺,不成形213071.34382072.161322074.2

由表3可知：在吸浆时间和真空度一定的情况下，湿坯含水率随着TS的浓度增加而增加。这是因为随着TS的增加，在相同的吸浆时间内，育苗钵湿坯厚度也增加，导致其内部水分在脱水阶段脱水比例少。在试验中发现：当浓度低于2%时，湿坯含水率虽低，浆液中秸秆纤维过少，导致湿坯厚度不够，脱模后发现育苗钵湿坯表面残缺，不成型；育苗钵的湿坯含水率与浆液表观粘度的增长呈现出了较好的一致性，说明TS增加不仅为浆液中提供了大量的秸秆纤维，且浆液的表观粘度保持了较高水平，促进了育苗钵的成型。因此，TS在4%～6%之间，育苗钵湿坯含水率合适且能够顺利脱模。

2.3.2 吸浆时间对育苗钵湿坯含水率的影响规律

吸浆时间影响育苗钵成型厚度，进而影响湿坯含水率和育苗钵成型。选定4%碱预处理液处理的玉米秸秆制备的悬浮浆液制备育苗钵，试验中保持TS为4%和成型机真空度250kPa不变，通过时间继电器控制吸浆时间分别为1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5s，得到试验结果如图4所示。

图4 不同吸浆时间对湿坯含水率影响的试验结果

从图4可以看出：在TS和真空度一定的情况下，1～3s时，湿坯含水率随着吸浆时间的增加不断增加；3～3.5s时，湿坯含水率迅速增加；3.5s～5.5s时，湿坯含水率增加缓慢甚至趋于平衡。这主要是因为吸附在滤网上的是湿坯厚度不再增加，此时影响湿坯含水率的不是吸浆时间，而是TS和真空度；但吸浆时间过短，对浆液施加外力较大，降低了浆液的表观粘度，既不利于秸秆纤维之间的稳固搭接，又引起吸附在滤网的秸秆纤维等固体物质太少而达不到想要的壁厚。因此，当吸浆时间控制在1.5～3s时，湿坯含水率较为合适且能够吸浆完整成功脱模。

2.3.3 真空度对育苗钵湿坯含水率的影响规律

真空度影响压力对秸秆纤维的作用时间和对浆液粘度的扰动，进而对湿坯含水率产生影响。选定4%碱预处理液处理的玉米秸秆制备的悬浮浆液制备育苗钵，试验中保持TS为4%和吸浆时间2s不变，成型机真空度设置为210、230、250、270、290kPa，试验结果如图5所示。

图5 不同真空度对湿坯含水率的影响的试验结果

由图5可知：湿坯含水率随着真空度呈V形变化。这是因为试验初期，随着真空度的增加，吸附在滤网上的湿坯中水分被不断吸走，导致试验初期湿坯含水率不断降低。当真空度大于250kPa时，部分细小的纤维穿过滤网的缝隙，使滤网堵塞，导致脱模困难，湿坯含水率开始增大。因此，当真空度为230～270kPa时，湿坯含水率较合适且最容易成型。

3 结论

1)碱预处理玉米秸秆制备的浆液中，纤维素含量随着碱浓度的增加有所增加，半纤维素随碱浓度增加而减少，纤维素和半纤维素总量保持在75%～85%。秸秆纤维是育苗钵基体，其成分将为育苗钵成型及降解的研究提供指导方向。

2)育苗成型TS选择4%～6%时，育苗钵湿坯含水率较低，成型效果好，且此时浆液的表观粘度也比较高，亦有助于秸秆纤维的稳固搭接，促进育苗钵的成型。

3)吸浆时间控制在1.5～3s、真空度在230～270kPa时，育苗钵湿坯含水率低，成型效果好。此时，成型过程中吸附力扰动对浆液表观粘度的影响较小，也有助于育苗钵的成型。

[1] Shuai Zu，Wenzhi Li，Mingjian Zhang，et al. Pretreatment of corn stover for sugar production using dilute hydrochloric acid followed by lime[J]. Bioresource Technology, 2014, 152: 364-370.

[2] 肖婷. 厌氧发酵改性促进秸秆压缩成型性能机理研究[D]. 保定：华北电力大学, 2014.

[3] S H Ghaffar，M Z Fan. Lignin in straw and its applications as an adhesive[J]. International Journal of Adhesion And Adhesives, 2014, 48: 92-101.

[4] Yufang Wei，Xiujin Li，Liang Yu，et al. Mesophilic anaerobic co-digestion of cattle manure and corn stover with biological and chemical pretreatment[J]. Bioresource Technology, 2015, 198: 431-436.

[5] Chao Zhao，Qianjun Shao，Zhongqing Ma，et al. Physical and chemical characterizations of corn stalk resulting from hydrogen peroxide presoaking prior to ammonia fiber expansion pretreatment[J]. Industrial Crops and Products, 2016, 83: 86-93.

[6] Yang Tianxue，Yun Li，Hou Haobo，et al. Spatial structure characteristic analysis of corn stover during alkali and biological co-pretreatment using XRD[J]. Bioresource Technology, 2014, 163: 356-359.

[7] Eunsoo Hong，Doosub Kim，Jinyeong Kim，et al. Optimization of alkaline pretreatment on corn stover for enhanced production of 1.3-propanediol and 2,3-butanediol by Klebsiella pneumoniae AJ4[J]. Biomass and Bioenergy, 2015, 77:177-185.

[8] 姚晓琰，王润娟，吕学斌，等. 碱液预处理玉米秸秆的条件优化及添加剂的选择[J]. 环境工程学报, 2014(7): 3011-3017.

[9] 李道义，王晓燕，景全荣，等. 低聚木糖生产废渣基可降解育苗钵研究[J]. 农业机械学报, 2014, 45(S1): 207-212.

[10] 刘洪杰，刘俊峰，郝建军，等. 生物质育苗钵及成型装备[J]. 农业机械学报, 2012(2):52-54,74.

[11] 张志军，王慧杰，李会珍，等. 秸秆育苗钵质量和性能影响因素及成本分析[J]. 农业工程学报, 2011(10): 83-87.

[12] 杨广衍，于谨，赵元，等.真空吸滤过程影响纸浆模塑制品质量问题的分析[J].真空, 2005(3):49-50.

[13] 黄晓梅，唐虹，徐山青.可降解育苗钵的研制[J].产业用纺织品, 2001(4):18-20.

[14] 张以忱，姜翠宁.纸浆模塑设备真空吸滤过程工艺参数研究[J].真空与低温, 2003(1):27-30.

[15] Peng Guo，Kazuhiro Mochidzuki，Wei Cheng，et al. Effects of different pretreatment strategies on corn stalk acidogenic fermentation using a microbial consortium[J].Bioresource Technology, 2011,102(16):7526-7531.

[16] 陈玲，庞艳生，李冰，等.利用球磨改变绿豆淀粉颗粒形貌及糊表观粘度研究[J]. 食品工业科技, 2004(12): 49-52.

[17] 谢元彦，杨海林，阮建明.流变学的研究及其应用[J].粉末冶金材料科学与工程, 2010(1):1-7.

[18] 张少辉，莫蓓红，田雷.搅拌型酸奶生产过程中粘度变化的研究[J].中国乳品工业, 2002(1):31-36.

A Research on Biodegradable Seedling Pot Preparation of Corn Stalk Treated by Alkali

Wang Yanpeng1, Sun Yong1， Qu Jingbo1, Liu Jinming1,2, Wang Shangkun1,

(1.College of Engineering, Northeast Agricultural University, Harbin 150030, China; 2.College of Information Technology, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China)

Based on suspension slurry material prepared by corn straw treated by alkali, adopts the vacuum adsorption molding process, use organic biodegradable seedling pot forming machine to do seedling pot, made some research on biodegradable seedling pot shape. We found that, the total of cellulose and hemicellulose of straw fibres made by corn straw treated by alkali was 75% ～ 85%, the higher alkali concentration, the higher the proportion of the cellulose, TS in 4% ～ 6%, the seedling pot wet body moisture content is appropriate, corresponding slurry apparent viscosity is also bigger, seedling pot forming effect is good. Plasma absorption time in 1.5s ～ 3s, vacuum degree during 230 KPa to 270 KPa, seedling pot wet moisture content was in a suitable range, slurry apparent viscosity is a little affected, seedling pot molding effect is better. This paper will help to guide the molding and degradation of seedling pot.

corn stalk; treated by alkali; negative pressure adsorption molding; biodegradable seedling pot

2016-10-18

哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目(2016RAXXJ0 09)；黑龙江省青年科学基金项目(QC2016033)

王延鹏(1991-),男，山东滕州人，硕士研究生，(E-mail) 928797747@qq.com。

孙 勇(1974-)，男，黑龙江青冈人，教授，博士生导师，(E-mail)sunyong740731@163.com。

S223.1+1

A

1003-188X(2017)10-0198-05