茶尘特性与除尘措施研究进展

陈 彬， 杨 云， 林振传, 林宏政， 柳镇章， 孙 云

(1.福建农林大学园艺学院，福建 福州 350002;2.福建品品香茶业有限公司，福建 福鼎 355200)

茶尘是茶叶加工过程中受到外力作用而折断、粉碎以及生产环境中产生的细小颗粒物质混合后形成的粉尘，对人体健康、茶叶品质及生产环境造成不同程度的影响。《工业企业设计卫生标准》[1]规定，工作场所茶尘浓度不能超过2 mg·m-3；日本劳动省根据日本茶叶卫生学会提出的要求，规定车间茶叶粉尘浓度必须在10 mg·m-3以内[2]。由于受加工工艺、技术设备和车间环境的限制，现实车间的茶尘浓度远高于规定的标准，茶尘问题已成为茶叶清洁化生产亟需重视和解决的问题[3]。解决茶尘问题的关键在于了解其发生源头，掌握茶尘颗粒的特性，科学合理地制订防尘措施和选用除尘设备。因此，本文通过查阅相关文献并结合生产实际，阐述茶尘产生的主要来源、特性和危害，对茶叶除尘技术研究进行综述，并提出除尘措施的新思路，旨在为茶叶生产中的除尘、降尘提供参考。

1 茶尘的主要来源与特性

1.1 主要来源

粉尘指粒径小于75 μm的固体悬浮颗粒[4]。茶尘既是一种生产性粉尘，又是一种植物性混合粉尘，其组成成分主要是粒径小于10 μm的微小颗粒物质[5-6]。茶尘主要来源于两方面：(1)茶鲜叶在加工(如烘干、筛分、风选、拣剔和匀堆等)过程中由于水分散失，柔软度逐渐下降，加之受到摩擦、挤压和切揉等内外部机械力作用，导致茶叶粉碎、折断产生的微小颗粒物；(2)加工环境中夹杂的煤灰、泥沙[7]和微生物[8]等非茶类物质。茶叶精加工过程中产生的茶尘量最多，毛茶需要通过传输带的水平运动和提升机的上下运动来运送，在此期间毛茶受到前后和上下不同程度的振动从而形成茶尘[9]；茶叶筛分机依靠转动和抖动的机械力，使茶叶通过不同大小筛孔而筛分，此过程由于运动幅度较大且碰撞剧烈，也会造成茶尘的分散[10]；风选机是根据茶叶重量、形状、受风面积的不同，利用均匀的空气流将物料分离[11]，这一过程中风力会加剧茶尘的产生和扩散；色选机与拣梗机功能类似，主要是将茶叶与梗以及其他异物分离，茶梗在下落过程中被压缩的空气打击[12]，快速形成茶尘；热风烘干会将茶叶上的茶尘吹起造成污染；匀堆机工作时也容易形成碎末茶尘。综上所述，传输、分筛、风选、色选拣剔、烘干、匀堆等未封闭的加工工序是茶尘产生和逸散的主要原因。

茶叶初加工过程中也会产生茶尘，如闽北乌龙茶做青时通过燃烧木炭控制车间温度和进行加温萎凋，木炭燃尽后的烟尘受到风的影响会造成逸散和积累。此外，白茶生产中鲜叶原料主要选用多毫茶树品种(如福鼎大毫茶、政和大白茶)，在加工过程中茶毫容易脱落，人员的走动和加工过程中机械产生的风力会造成茶毫漂浮，形成茶尘。

1.2 基本特性

茶尘问题不仅影响企业的经济效益，还危害人体健康，制约茶叶生产的清洁化发展。为提升茶叶品质，并创造良好的加工环境，对茶尘基本特性的测定十分重要。茶树鲜叶、加工工艺、加工设备和生产环境均会影响茶尘特性。同一茶类中，茶叶加工原料的老嫩程度、采摘标准及加工人员、加工时间、加工条件的差异也会造成茶尘的特性和内含物不一[13]。

1.2.1 粒径与分布 李一鸣[6]研究发现，眉茶、花茶、工夫红茶、乌龙茶和红碎茶等6个车间95%的茶尘粒径在10 μm以下；木文兵[5]利用自然沉降法测试了6个大叶种加工过程中产生的粉尘粒径，发现茶尘的分布面较广，粒径大小主要集中在20 μm以内；赵先明等[14]测定了茶叶精制车间的茶尘分布，从茶尘的积累量上看，设备旁吸入性茶尘(粒径大于10 μm)占43.66%，离设备1.3 m处呼吸性茶尘(粒径小于5 μm)占54.24%；胡善国等[15]对祁门红茶精加工车间中的抖筛、分筛、撩筛、紧门和风选5道工艺研究表明，不同工序茶尘的物理特性差异较大，粒径小于2.5 μm粉尘主要集中于分筛机旁，浓度可达65.321 mg·m-3；粒径在2.5～10 μm之间的粉尘集中于撩筛机旁，最高浓度达29.667 mg·m-3。总体来看，茶尘粒径主要集中在10 μm以下。因此，对加工过程中茶尘浓度和分布情况进行调查时，应重点关注PM2.5和PM10的积累情况。

1.2.2 流动性 茶尘是一种流动性差的灰尘[6]，粒径小、聚合性强，极易吸水致使其含水率大。茶尘安息角大、滑动角小，因此茶叶除尘机械中的集尘部件倾斜角应超过45°，且吸尘管道应当设置足够风速以确保茶尘滑动。根据不同茶类的茶尘流动特性(如休止角、滑动角)设计门窗、百叶窗[16]、集尘部件等，是除尘控制的基础要求。

1.2.3 浸润性与吸湿性 茶尘是一种浸润性低的物料，不适宜采用湿式除尘器[6]。茶尘粒径越小分散度越高，其表面积则越大，吸湿性越强，溶解速度也越快。湿度增加后容易黏附在滤袋上，缩短滤袋使用寿命，降低除尘效果。因此，采用袋式除尘时要保持除尘器周围环境的干燥，滤袋材料的选择要注重集尘效果，还要注意防潮、防变质和易于清灰[17]。

2 茶尘的危害

茶尘会降低茶叶品质，影响生产环境和损害人体健康。根据茶尘组成成分、分散度和浓度的不同，其危害程度也不同。

2.1 降低茶叶品质

茶产品上附着茶尘，冲泡出的茶汤颜色较暗浊，入口滋味带苦涩味[18]，影响产品感官品鉴质量。若茶尘中带有泥土，会导致茶汤浑浊产生沉淀，且滋味中还带有泥土味[19]。这类茶叶产品质量低下，严重影响茶叶生产者和销售者的收益。

2.2 影响生产环境

茶尘颗粒微小易悬浮，一定浓度的茶尘会影响生产车间的美观度、照明度[20]和清洁度[21]。茶叶加工环境高温高湿，茶尘浓度过高会加大易燃和易爆危险[22]。Hikmah et al[23]测试了不同粒径茶尘对爆炸严重程度的影响表明，粒径小于160 μm时，较细的茶尘比较粗的反应更加剧烈。此外，茶尘落入加工机械中，会导致机械磨损并缩短使用寿命。若茶尘漂浮到加工车间外，在大气中形成气溶胶可减弱太阳的辐射强度，改变车间周围环境的小气候，对周围生态环境和植被的呼吸及光合作用产生严重影响[24]。

2.3 损害人体健康

与烟草[25]、面粉[26]和玉米[27]等植物加工生产相似，茶尘对人体的主要危害是引发加工人员的肺部和呼吸道疾病。茶尘悬浮在空中会形成气溶胶体，虽然大部分颗粒被阻隔在鼻腔中，但是微小颗粒物会直接进入人体肺部，对健康产生危害。常见因粉尘引起的疾病有肺病[28]、鼻炎[29]、皮肤干燥[30]、呼吸道疾病[31]等，并伴随头晕、头痛、失眠、恶心、腹胀等现象[32]，引发人体的呼吸系统[33]、神经系统[34]发生病变。粉尘最开始作用于呼吸道粘膜，引起功能亢奋，毛细血管扩张，促使分泌液增加，阻留更多的粉尘，从而引起病变[35]。若茶叶害虫(如茶毛虫)的毒毛脱落粘附在茶叶上，并随着加工混入茶尘，沾染在皮肤上会引起瘙痒的过敏反应。含有铅、铜等重金属的粉尘在呼吸粘膜上溶解还会导致人体中毒[6]。茶尘的二氧化硅含量在3%～5%时，容易导致尘肺[7]。

3 茶尘的控制措施

茶叶除尘受加工工艺、设备条件和环境条件等多因素影响。对茶尘的控制可以从加工工艺的减尘、单机设备的降尘和车间的整体除尘3个方面开展。

3.1 加工工艺的减尘

加工工艺主要指鲜叶管理(采摘、分级等)、初加工(萎凋、摇青、杀青等)和精加工(筛分、拣剔、匀堆、干燥等)。调整部分工艺参数能减少茶尘产生。在鲜叶管理方面，应避免鲜叶采摘过迟而混入老叶、老梗，此类鲜叶纤维化、木质化严重，加工中容易粉碎；鲜叶运输中应保持环境和器具的清洁；鲜叶进厂后通过快速清洗、脱水和烘干工序可以洗刷其灰尘和杂质，加工中应注意避免混入泥砂等各类杂质[36]。初加工时应改变传统加工设备的供能方式，推广应用生物质燃烧颗粒[37]、电能等清洁化能源；调整烘干机的热风对流供热模式，采用热传导和热辐射的烘干方法进行烘干[38]。可建立茶叶加工流水线，实行自动化、清洁化不落地生产，减少加工过程中不必要的摩擦挤压和人员走动。

3.2 单机设备的降尘

在加工输送过程中，彭忠[39]利用对上下风机的控制，在传送带上形成自上而下的除尘风道。在筛分设备中，朱建一[40]在旧筛分机的基础上更换了不同材料的筛板，增加茶叶的过筛率，并将原来开放式作业的筛分机改造成封闭式作业，不仅提高了筛分效率，还最大程度地控制了筛分机产生的茶尘。拣梗设备中，林琴花[41]利用抽风机收集茶梗分离时夹杂产生的茶尘。在除杂设备中，林振传等[42]在静电除杂设备基础上，增设吸尘装置，利用风机将茶尘送入滚筒，再利用喷水装置进行沉降。干燥工序中，李正山[43]在烘干机的烘干室上加装了吸尘风机，用于收集热风烘干时产生的茶尘。郑绍伟[44]开发了一种滚筒式的双层结构烘干机，在外层壳体的下侧设置抽风机吸尘口，吸取烘干过程中产生的茶尘。茶叶匀堆机分为行车式和滚筒式，由于滚筒式匀堆容易造成碎茶，所以目前生产上多采用行车式匀堆机。在匀堆过程中，输送茶叶和进行茶叶混合操作是匀堆机产生茶尘的主要来源，可以在底部安装吸尘罩，用风机来控制茶尘浓度[45]。

3.3 车间的整体除尘

车间的整体除尘主要是清除逸散茶尘，净化车间空气。郑功宇[46]对闽北乌龙茶烘焙车间的生产环境进行参数检测显示，烘干机进料口和出料口的总茶尘量严重超标，认为提高通风系统的通风量可改善车间环境温湿度，达到负压除尘的目的。赵先明等[14]研究表明，精制车间中不同机械(圆筛机、抖筛、风选机和切茶机等)周围的茶尘组成存在极显著差异，风选机周围主要以吸入性茶尘为主，切茶机周围茶尘粒径分布则较为一致，在车间除尘设备的选择上要有针对性，车间的地表和墙面要采用清洁化材料。此外，茶厂要多设置通风窗口和排气风扇，利用好通风除尘设施。适当提高风速和降低通风除尘的高度也能够提高除尘效果并减少车间内空气流动的死角[47]。在棉纺织业中，利用空调系统对生产环境进行温湿度调控，充分利用空调吸风和送风的功能，将含尘气体进行湿过滤后沉降，以达到净化空气的目的。净化空气的同时利用除尘系统对机器上的落尘进行收集和清理，是空调系统和除尘系统的复合型应用[48]。在茶叶加工中合理利用复合型除尘空调系统不仅可以控制加工生产的环境条件，还可以净化车间空气。但目前的研究多关注空调系统对茶叶加工环境以及茶叶品质特征的影响[49-50]，对空调系统的除尘效果研究尚未见报道。左青等[51]将大豆生产车间的除尘设备分为3个相互独立、互不干扰的负压除尘系统，利用风网形成的正负压不仅完成了产品的输送，还达到了较好的除尘效果，实现清洁化安全生产。茶叶加工生产线的除尘系统可以参照大豆预处理的除尘风网搭建。需注意的是，茶叶初加工后含水率有所降低，在风网搭建和管道选择时要注意碰撞粉碎给茶叶物料带来的影响，风网系统的风量和管道弯口角度的设计应根据茶产品特性重新设定，避免生产过程中造成不必要的损失。

3.4 除尘设备的应用

目前常见的除尘系统构成主要为风机、吸尘罩、通风管、净化器、集尘器等。常见的袋式除尘设备是利用吸尘罩和风机所产生的风力将含尘气体吸入净化器，空气通过滤芯过滤后排出，茶尘则吸附在滤袋上。通过拍打、鼓风和脉冲等方法可使吸附在滤袋上的尘粒抖落进集尘装置，从而完成茶尘的清除和收集。袋式除尘效率可达99.50%～99.99%，但对PM2.5以下的茶尘难以消除[52]。当前，茶叶企业对除尘设备的集尘装置关注过少。在实际生产中，集尘设备的集成室、连接管道以及卸灰装置粉尘积累极为严重，随着粉尘浓度的升高，燃爆事故发生几率也不断升高[53]，因此除尘设备的清理模块应当是后续研究的重点之一。旋风除尘器是吸入含尘空气后利用离心力使茶尘与气流分离，尘粒撞击器壁落入集尘斗，旋风除尘效率可达85%，但对5 μm以下的茶尘效果不佳。旋风式吸尘器的工作效率与其旋转速度、风管直径相关。旋转速度慢、直径大，工作效率低但能吸收粒径大的茶尘；旋转速度过快，则无法适应茶尘分布范围广的工作要求。在袋式除尘原理的基础上，近些年出现了用水洗塔代替滤袋的茶尘处理装置[54]。此外，具有分类回收功能的除尘设备[55]也有相关报道。

4 小结与展望

为了促进茶叶清洁化生产的发展，茶尘问题应得到更多关注[56]。目前，大部分茶厂茶尘控制效果差，对不同茶类茶尘来源与特性的调查较少；除尘设备的结构创新不足，现有的除尘设备无法兼顾除尘效果和成本问题。旋风式除尘器成本低，但对5 μm以下的茶尘效果不佳；袋式除尘器除尘效果好，但成本投入高。此外，解决茶尘问题不仅要关注茶叶原料和加工导致的茶尘产生和逸散，还要注意人员活动与周围环境产生的茶尘。

为解决以上问题，需要分茶类、分工艺建立统一的茶尘测定方法与分析模型，对加工过程的茶尘情况进行详细调查，分茶类、分工艺对茶尘特性开展进一步研究。在茶厂建设选址上，要远离烟尘污染源，做好防风防砂工作；及时打扫加工车间，清理加工机械周围的积尘，避免二次扬尘；结合茶尘特性，合理设置厂房门窗、生产线机械运输的角度及合理调整传送带速度，设计粉尘实时监测神经网络系统[57-58]；可以采用全管道运输物料，管道运输可以避免茶尘四散，在无生产时可以提高风量完成茶尘清理，节省人工和时间成本。在人员管控方面，要建立完善的卫生制度，做好车间清洁管理及员工防尘教育工作。加工人员应带好口罩、帽子、鞋套等个人防护用具，既能防止头发和土尘等杂物进入车间，又能保护加工人员不受粉尘影响。应按照厂房设计和生产加工产品的不同灵活设置除尘机组，形成小型化、多元化、复合化和智能化的除尘系统，既要便于安装维护又要注重投资和节能问题。茶尘治理工作的开展对茶产业发展具有深远意义，对经济、社会和生态都有积极作用，是安全生产的重要一环。