棉花秸秆（精选7篇）
棉花秸秆 篇1
我国新疆是个资源特别丰富的地区, 而棉花是新疆的主要农作物之一。新疆每年都将种植约100多万hm2棉花[1], 这样就会产生大量的秸秆, 却得不到有效的利用。而目前主要的解决方式就是焚烧, 这样不仅污染环境, 利用效率低, 并且浪费资源[2]。所以充分利用棉花秸秆资源发展养殖业是解决粗饲料资源不足的必由之路。棉花秸秆本身的粗蛋白含量很低, 粗纤维含量很高, 且具有坚硬的细胞壁结构, 纤维素和木质素结合紧密, 将其作为粗饲料不仅饲喂动物适口性很差, 动物的消化吸收率也非常低[3]。
目前提高秸秆利用率的方法主要有物理、化学、生物学及几种方法结合的复合处理方法[4]。农作物秸秆的化学处理方法主要有氨化方法、碱化方法等[5], 这些方法都有各自的优点及缺点。本试验的目的就是充分利用氨化方法及碱化方法的优点, 提高棉花秸秆作为粗饲料的营养价值, 为反刍动物能高效利用棉杆的营养成分提提供供理论依据[6]。
1 材料
新疆地区棉花秸秆、尿素 (化学纯) 、硫酸铵 (分析纯) 、、氯氯化钠 (食品级) 、氢氧化钠 (分析纯) 、氢氧化钙 (分析纯) 、、氧氧化钙 (分析纯) 、硫酸 (分析纯) 、中性洗涤剂 (3%十二烷基硫酸钠) 、酸性洗涤剂 (2%十六烷基溴化氨) 、无水亚硫酸钠 (化学纯) 。
2 方法
2.1 棉花秸秆的处理与试验设计
将棉花秸秆进行预处理粉碎后, 过40目筛装袋备用。按试验设计表中的处理后将棉花秸秆压实装入密封袋子中, 室温15天后取样分析。处理方法见表1。
2.2 测定方法及项目
2.2.1 粗蛋白含量测定。
参照GB/T 6432-1994饲料中粗蛋白 (CP) 测定方法。
2.2.2 粗纤维含量测定。
参照GB/T 6434-2006饲料中粗纤维 (CF) 测定方法。
2.2.3 营养成分分析。
采用范式 (Van Soest) 纤维素分析方法测定中性洗涤纤维 (NDF) 、酸性洗涤纤维 (ADF) 、半纤维素 (HC) 、纤维素 (CE) 含量。
注:1为原料组, 即对照组。
2.2.4 棉杆中游离棉酚含量测定。
参照GB/T 5009.148-2003植物性食品游离棉酚的测定。
2.3 数据处理与统计方法
数据处理与统计分析应用SPSS18.0统计分析软件进行单因素方差分析和LSD多重比较。以P<0.05作为差异显著性判断标准。
3 实验结果与分析
3.1 不同处理对棉杆中粗蛋白和粗纤维含量的影响
从分析结果可知 (见图1) , 处理组与对照组相比, CP含量均有有明明显显升升高高。其中升高最多的是处理2组, 升高了14.88%, 升高最少少的的是是处处理理11组, 升高了3.84%。处理组与对照组相比, CF含量均有有明明显显下下降降, 其中下降最多的是处理6组, 下降了22.53%, 下降最少少的的是是处处理理10组, 下降了8.44%。
3.2 不同处理对棉杆中NDF、ADF、HC、CE含量的影响
从分析结果可知 (见图2) , 处理组与对照组相比, NDF、ADF、HC、CE含量均有明显下降。其中NDF下降最多的是处理6组, 下降了22.69%, 其中NDF下降最少的是处理11组, 下降了6.85%;其中ADF下降最多的是处理7组, 下降了16.52%, ADF下降最少的是处理5组, 下降了5.81%;其中CE下降最多的是处理2组, 下降了12.42%, CE下降最少的是处理8组, 下降了8.58%;其中HC下降最多的是处理2组, 下降了18.39%, HC下降最少的是处理5组, 下降了5.23%。
3.3 不同处理对棉杆中棉酚含量的影响
从分析结果可知 (见图3) , 处理组与对照组相比, 棉酚含量均明显下降。其中棉酚下降最多的是处理4组, 下降了172.31 (mg/kg) , 棉酚下降最少的是处理2组, 下降了81.58 (mg/kg) 。
3.4 不同处理对棉杆中营养成分含量的影响
表2的数据分析结果表明:各处理组CP的含量与1 (对照) 组相比均有不同程度的增加, CP的含量与添加尿素和硫酸铵的量有关, 添加尿素和硫酸铵的处理组CP要明显高于对照组1 (P<0.05) , 其中处理2组CP含量最高, 达到21.27%, 对照组1最低, CP含量为6.39%;各处理组与1 (对照) 组相比, CF的含量显著降低, 降低比例为8.44%~22.53%, 其中处理6组CF含量最低, 为20.01%;各处理组与1 (对照) 组相比, NDF含量显著降低, 降低比例为6.85%~22.69%, 其中处理6组NDF最低, 为53.04%;各处理组与1 (对照) 组相比, ADF含量显著降低, 降低比例为5.81%~16.52%, 其中处理7组ADF最低, 为27.39%;各处理组与1 (对照) 组相比, HC含量显著降低, 降低比例为5.23%~18.39%, 其中处理2组HC最低, 为21.69%;各处理组与1 (对照) 组相比, CE含量显著降低, 降低比例为8.58%~12.42%, 其中处理6组CE最低, 为17.86%。
3.5 不同处理对棉杆中游离棉酚含量降解的影响
各处理组经过不同化学处理后与对照组1相比, 均显著的降低了棉花秸秆中游离棉酚的含量 (P<0.05) , 其中以处理2组 (0.3%食盐+2%尿素+4%硫酸铵) 效果最差, 与对照组1相比, 游离棉酚含量降低了81.58 (mg/kg) , 差异显著 (P<0.05) ;其中以处理4组效果最好, 与对照组1相比, 游离棉酚含量降低了172.31 (mg/kg) , 差异显著 (P<0.05) 。由此表明, 在试验组中添加尿素、硫酸铵、氧化钙、氢氧化钠、氢氧化钙可有效降解棉杆中棉酚的含量。在本试验中, 比较理想的试验组为处理4组, 即4%氧化钙+4%尿素处理组为本试验条件下最佳处理方法 (见表3) 。
注:1为原料组, 即对照组。同列数据肩标字母相同表示差异不显著 (P>0.05) , 不同表示差异显著 (P<0.05) 。
注:1为对照组。同列数据肩标字母相同表示差异不显著 (P>0.05) , 不同表示差异显著 (P<0.05) 。
4 讨论
张文举[7]等进行了对稻草试验的化学处理, 他利用尿素、氢氧化钙和食盐相结合对稻草进行复合处理, 试验结果表明:经过处理后的稻草中CP含量明显得到提高, 而NDF、ADF含量明显下降, 提高的CP含量比例为47.55%~81.66%, NDF含量的下降比例为9.13%~14.87%, ADF含量的降低比例为5.65%~18.54%。与对照组相比, 明显提高了稻草的营养价值。张苏江[8]等用不同的化学试剂组合对棉花秸秆进行复合处理, 研究结果表明:与未处理组相比, 棉杆经过六种处理后CF、NDF、ADF、HC含量有明显下降, 其中CF平均下降19.45%, NDF平均下降18.31%, ADF平均下降11.81%, HC平均下降7.24%, 显示棉花秸秆经过不同的化学处理后, 营养价值均有不同程度的提高, 其中以浓度为2.5%石灰+3.5%尿素+3%食盐溶液处理效果最佳。闫贵龙[9]用尿素 (2%) 和氢氧化钙 (2%~10%) 对小麦秸秆进行复合处理, 结果表明:小麦秸秆的NDF含量随着氢氧化钙的添加量增加而显著或极显著逐步降低, 而ADF含量则受到的影响较小, 只有氢氧化钙为10%时, 才显著降低;CP含量也随氢氧化钙添加量的提高而显著提高, 但氢氧化钙添加量达到6%以上时则不再继续提高。杨致玲[10]采用石灰水、尿素和碳铵按不同比例复合处理玉米秸、高粱秸和麦秸的试验表明:秸秆经化学处理后粗蛋白含量普遍提高 (石灰水处理除外) , 粗纤维含量普遍降低, 其中碳铵处理组比其它处理方法粗蛋白提高0.78%~3.83%, 粗纤维降低1.58%~5.98%。哈丽代·热合木江[11]等用氢氧化钙、尿素、氢氧化钙+尿素、3%氨水处理棉杆后, 棉杆的脱毒率分别为30.5%、44.3%、56.1%、34.1% (P<0.01) 。氢氧化钙、3%氨水处理与尿素、氢氧化钙+尿素处理有显著差异 (P<0.05) , 尿素、氢氧化钙+尿素处理间有显著差异 (P<0.05) 。
在本试验条件下, 几种化学试剂复合处理棉花秸秆的效果可显著提高棉杆的CP含量 (P<0.05) , 显著的降低CF、NDF、ADF、HC和CE的含量 (P<0.05) , 显著降低棉杆中游离棉酚的含量 (P<0.05) 。综合考虑本试验经过不同复合处理棉杆后CP、CF、NDF、ADF、HC、CE和游离棉酚的含量变化, 本试验采用4%氧化钙+4%尿素共同处理是最佳的棉杆化学处理方法。
5 结论
在本试验的12组试验条件中, 其中以4%氧化钙+4%尿素相结合处理棉杆的效果最佳, 经过这种复合处理棉秆后可显著的提高棉杆中CP含量 (P<0.05) , 显著的降低CF、NDF、ADF、HC和CE的含量 (P<0.05) , 显著降低棉杆中游离棉酚的含量 (P<0.05) , 这样就在很大的程度上改善了棉花秸秆中营养价值, 进而增加棉杆的饲料品质。并且这种处理方法成本较低, 容易在生产实践中得到推广。
摘要：本试验将氢氧化钠 (2.5%、4%添加) 、氧化钙 (2%、2.5%、4%添加) 、氯化钠 (0.3%添加) 、尿素 (2%、3.5%、4%添加) 、硫酸铵 (1.5%、4%添加) 按不同组合进行复合处理棉花秸秆15天后, 分析棉花秸秆中粗蛋白 (CP) 、粗纤维 (CF) 、中性洗涤纤维 (NDF) 、酸性洗涤纤维 (ADF) 、半纤维素 (HC) 、纤维素 (CE) 及游离棉酚含量的变化。结果表明:与对照组相比, 经过复合处理的试验组中粗蛋白 (CP) 含量要显著高于对照组 (P<0.05%) , 而复合处理组的粗纤维 (CF) 、中性洗涤纤维 (NDF) 、酸性洗涤纤维 (ADF) 、半纤维素 (HC) 、纤维素 (CE) 及游离棉酚含量要显著低于对照组 (P<0.05) 。试验表明棉花秸秆的营养价值得到了不同程度的提高, 其中以4%氧化钙+4%尿素共同处理棉杆效果最佳。
关键词：棉花秸秆,化学处理,营养价值,效果
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棉花秸秆 篇2
关键词：鲁西北棉区；棉花秸秆；还田现状；土壤；潜力分析
中图分类号： S562.09 文献标识码： A 文章编号：2095-3143（2015）06-0020-04
Abstract： Through the understanding of the paper on the straw returning， this paper elaborated the present situation of cotton straw returning at home and abroad， analyzed the potentiality and promotional value in northwest Shandong Province，and showed the vast development prospects of the technology， hoping to provide reference for the practice of cotton straw returning in northwest Shandong Province.
Key words： Cotton area of northwest Shandong province； Cotton straw； Returning situation； Soil； Potentiality analysis
0 引言
在鲁西北棉区，棉花秸秆资源十分丰富。随着棉花秸秆还田机械的不断研究和改进，棉花秸秆还田利用已成为可能[1]。实践证明，棉花秸秆还田可以实现土壤养分的循环利用，改善土壤肥力状况，提高棉花的产量。是实现农业可持续发展的重要内容，具有显著的经济效益和社会效益。
本文将综合已有研究，分析目前鲁西北地区棉花秸秆还田利用现状、棉花秸秆还田的潜力、旨在提高棉花秸秆的还田利用率，对棉花秸秆还田的大面积推广应用提供理论依据。
1 国内外棉花秸秆还田技术应用现状
国外十分重视采用棉花秸秆还田技术培肥地力。20世纪中叶以来，美国通过多种农艺措施和政策措施组合（禁止秸秆焚烧，强制秸秆还田）来控制作物残留物的随意排放。截至目前美国的棉花秸秆还田率达到近90%，土壤有机质逐年增加[2]。印度、乌兹别克斯坦、澳大利亚及俄罗斯等产棉大国在棉花秸秆还田方面均做出了成效[3]。
棉花秸秆还田在国内已有不少尝试，新疆棉区自20 世纪90 年代率先开展棉秆还田试验，其后开始大面积推广，到2012年，全疆要求棉秆还田量达到 100%，国内其他省市如河南、山东、江苏、浙江、湖北等棉花面积较大地区，也相应开展了棉秆机耕还田实践[4]。随着棉花秸秆还田机械的不断研究和改进，鲁西北棉区棉花秸秆还田利用已可顺利进行。
2 棉花秸秆还田的潜力分析
2.1减轻劳动强度，利于发展机械化生产
由于目前农村年轻劳动力大量转移，棉农的年龄越来越大，且劳动力价格高昂，秋季和冬季将数量巨大的棉花秸秆全部砍伐运出棉田，确保秋冬季节及时施肥和秋翻，并使来年棉花适时早播，确实存在许多困难。因此，发展机械化生产，实现棉秆直接还田意义深远。
2.2增加有机质含量，培肥棉田地力
传统的观点认为，非腐解态的有机质不宜直接施入土壤。但近年来的大量研究证明，土壤的生物活性是评价土壤肥力的综合指标，而非腐解态的有机物比腐解态的有机物对土壤生物活性有明显优势[5]。
土壤有机质作为土壤养分的载体，它提供给作物和微生物所需的生活物质，同时还可以促进土壤团粒结构的形成，改善土壤结构。试验表明，作物产量与土壤有机质含量存在极显著正相关关系，它是一项重要的肥力指标[6-7]。因此，提高土壤有机质是提高棉花单产的一项重要的措施。
棉花秸秆富含纤维素，木质素等富碳物质，它是土壤有机质积累的主要碳源。土壤碳氮比值（C/N）是衡量土壤C、N营养平衡状况的指标，该值正常应在（20～25）︰1，由于秸秆还田率较低，鲁西北棉区土壤的C/N较低。多数试验证明，C/N较低可导致土壤中有机N转化为无机N，引起N流失；还可导致土壤中有机质分解加快，破坏土壤团粒结构。秸秆直接还田有利于更新和增加土壤有机质，在它腐解过程中，能产生较多的五碳糖和六碳糖，增强土壤微粒的团聚作用，提高土壤肥效。
2.3改善土壤理化性质，提高抗灾能力
土壤团聚体作为土壤结构最基本的物质基础，是土壤养分的贮存库和各种土壤微生物的生存库，其稳定性是土壤生物、化学和物理过程综合作用的结果，包括机械稳定性和水稳定性[8]。
有研究发现，向土壤中添加粉碎秸秆类有机质能够显著改良土壤结构[9]。詹其厚等[10]、张晓文等[11]研究发现，秸秆施入土壤中能够增加土壤中有机胶结物质的含量，进而促进土壤团聚体的形成，改善土壤结构状况。
水分是土壤的重要组成部分，是作物生长发育必不可少的条件。许多研究表明，秸秆覆盖下，作物生育前期蒸散耗水比裸地少，中后期蒸散耗水比裸地多，全生育期总耗水量与裸地并无明显的差异。其意义就在于秸秆覆盖有调控土壤供水的作用，使作物苗期耗水减少，需水关键期耗水增加，农田水分供需状况趋于协调，从而提高水分利用效率。李金埔[12]研究表明鲁西北地区棉花秸秆还田提高了0～20 cm和20～40 cm土层的含水量，40～60 cm土层的含水量因月份不同变化较大。
土壤pH值是反映土壤酸碱度的指标，对作物生长有很大影响。徐国伟等[13]研究表明秸秆还田土壤pH值降低，比秸秆不还田处理低6.5个百分点，达显著性水平。韩晓君等[14]研究表明秸秆还田可调节土壤pH，使其保持在合理范围内。李金埔[12]研究表明鲁西北地区棉花秸秆还田降低了碱性土壤的pH值，使pH值趋于中性。
nlc202309021003
秸秆的施用对降低土壤容重、增加孔隙度有明显作用。王志学等 [15] 研究表明，秸秆还田后耕层土壤容重比对照降低0.07～0.12 g/cm3，土壤孔隙度增加2%～8%。许国钧 [16] 研究表明，棉花秸秆还田后土壤水稳性团粒增加2.2%，孔隙度增加1.5%，有效孔隙度增加3.7%，土壤容重降低0.07 g/cm3。李金埔[12]研究表明，鲁西北地区棉花秸秆还田降低了0～10 cm土层的容重，而未能降低更深层土壤的容重。
2.4提高土壤的生物活性，促进养分释放
土壤生物活性是指土壤无机、有机、生物复合体的代谢性能。土壤微生物作为土壤生物活性的主体，与植物根系构成土壤复杂的酶体系，参与有机质的分解、腐殖质的形成及养分循环转化的各个过程。棉花秸秆还田后为土壤微生物活动提供丰富的碳源和氮源，能够显著提高土壤耕层微生物的数量[19]。
刘建国[17]研究表明，棉花秸秆还田后使蔗糖酶、过氧化氢酶的活性均高于不还田处理。刘军[18]研究表明，棉花秸秆还田能够增加微生物数量，改善棉田土壤微生物种群结构。实践证明，棉花秸秆是土壤生物活动的有效能源，秸秆还田能激发微生物活性及各种酶的活性。从而促进了土壤中新鲜有机物质的矿化腐解和养分释放。
2.5降低病虫害的发生率
由于根茬粉碎时疏松和搅动表土，能改变土壤的理化性能，破坏地老虎及其他地下害虫的寄生环境，故能大大减轻虫害，棉花苗期可使地下害虫的危害程度下降80%或更高[4]。
3鲁西北棉花秸秆还田的发展前景
大量研究资料表明，棉花秸秆机械还田可以提高工作效率，减轻劳动强度，降低劳动成本，有效培肥地力，提高棉花产量，最终增加农民收益。因此，它是一项造福于国，还利于民的农业新技术，有广阔的发展前景[20]。目前我国尤其是鲁西北地区棉花秸秆还田技术还处在比较粗放的阶段，还需要广大科技人员进行大量的科学研究和技术开发，从根本上解决棉花秸秆还田中的各种技术问题。
3.1大力发展农业机械化，加大秸秆还田机械新产品的研制
大面积机械化作业是实现秸秆还田的有效方式之一，要研制大、中、小不同类型的机械使其适应不同类型棉田；要研制与农艺措施相配套的机械， 使科学施肥和施药及秸秆还田相结合，实现省工、节本的综合效果。
3.2加速发展生物工程技术，走农艺、生物技术与农机相结合的道路
秸秆的快速腐解是秸秆还田的关键技术。机械粉碎能改变秸秆的物理性状，扩大接触面积，在一定程度上加速腐蚀，但是秸秆中较高的C/N仍然在土壤中分解缓慢。研究表明，一些生物菌剂能够快速的腐解秸秆[21]。因此，在采用农业机械化秸秆还田的同时，实施配套的农艺栽培措施（如覆盖栽培、免耕直播等），用生物化学制剂来加速腐解，能够更有效地解决秸秆还田问题。所以，农艺、生物工程技术与农机相结合是棉花秸秆还田的必由之路。
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新型棉花秸秆粗骨料的试制初探 篇3
2013 年全国棉花实播面积为7080 万亩,其中新疆棉花播种面积2400 多万亩。2014 年全国棉花实播面积6324.1 万亩,西北内陆地区棉花实播面积为3390.6 万亩。新疆作为我国棉花生产主要基地,每年产生大量棉花秸秆,棉花秸秆产量为1000 余万t。全国棉花秸秆产量为3000 余万t。大量的棉花秸秆在秋季棉花采摘完成后,部分用来造纸、制板材,部分经过处理后用来培养食用菌和做饲料,更多的棉花秸秆被直接焚烧和还田[1]。棉花秸秆作为废弃物被焚烧或掩埋,焚烧的浓烟污染环境。棉花秸秆还田,虽未造成连作障碍,但导致枯、黄萎病发病率逐年加重,另外,棉秆上附着的病菌和虫卵被植入土壤繁殖蔓延,造成病虫害的泛滥成灾。棉花秸秆作为绵羊饲料的研究目前仍处在实验研究阶段。因此,迫切需要加大技术研发与推广力度,在多个领域促进棉花秸秆利用的产业链延伸,提高棉花秸秆的附加值,最终使得经济效益和生态效益都有较大的改善,从而获得更大的社会效益。合理有效地使用棉花秸秆开发新型建筑材料,对发展新疆农村基础建设,促进当地经济发展,加快新疆社会主义新农村建设将起到积极的推动作用。
2 粗骨料的研究现状
绿色的涵义即:“节约资源、能源;不破坏环境,更有利于环境;可持续发展,既满足当代人的需求,又不危及后代满足其需要的能力”[2]。绿色骨料即是以绿色原材料生产开发出的一种优质骨料。由于混凝土中骨料在化学上属于惰性材料,因此在轻骨料混凝土中细骨料是稳定的。而轻骨料混凝土所用的骨料不同于普通骨料,轻骨料是一种人造骨料,其堆积密度小于1200 kg/m3,且内部具有多孔结构[3]。超轻粗骨料是一种粒径大于4.75 mm以上、堆积密度小于500 kg/m3的保温或者结构保温用的粗骨料。新疆作为我国内陆的高纬度地区,夏季炎热干旱,冬季寒冷干燥,是冻土常常出现的区域,超轻型骨料的特点就是使得在严寒地区的混凝土质量损失和强度损失都有所降低,可以为应对新疆等西北地区特别是农村冬季严寒的气候所适应和使用。而超轻骨料的吸水率大大低于普通骨料,通过文献得知,超轻粗骨料的物理性能不会随吸水率发生较大的变化,而且其可直接进行泵送,较普通骨料的输送效率大大提高,节约成本[4]。骨料的使用量很大,是制作普通混凝土的重要原材料,超轻粗骨料可以替代普通砂、石制作轻质混凝土。目前全世界每年耗用数十亿m3的砂石,不少地区的骨料已经面临资源枯竭。因此,开发新的天然轻骨料资源,研制各种人造骨料和寻找合适的代用材料,已成为目前混凝土骨料发展的重要任务。当前,人工制作黏土陶粒和页岩陶粒必须大量使用黏土和页岩,这必然会破坏自然资源,违背了“保护耕地、还地于民”的基本国策,因此黏土陶粒和页岩陶粒均不可能长期成为我国人造轻骨料的主导产品。利用粉煤灰焙烧或养护制备的轻骨料,尤其是采用Ⅲ级以下的劣质粉煤灰,具有较好的经济与技术优势。淤(底)泥添加少量外加剂,制粒经烧胀而成的人造轻骨料,近些年也有所应用。但不同流域、不同时间段形成的淤泥,其有机成份和含量都有所不同,所需的外加剂和烧结温度、时间等都也有所不同。淤泥的这些特点造成不同区域制成的轻骨料质量不易稳定、参差不齐,作为地方局部区域的应用较为适宜。
3 棉花秸秆超轻粗集料成型处理研究
3.1 秸秆部位的选择及成型处理
实验棉秆取自石河子市郊棉花地,取样地面积约2000 m2。试样为2014 年度棉花采收后生长良好的成熟棉秆。采用手工去除秸秆叶片、棉壳和棉杆侧枝,整理好备用。试样要求通直、无虫害、无明显缺陷、没有表皮的损伤或开裂。
制作棉花秸秆骨料首先要对收集的完整棉花秸秆进行切割成型处理,目前使用切割机对完整的棉花秸秆进行切割。试验过程中发现,将秸秆切割成不同长度对制作成型的骨料其力学性能有不同程度的影响,而且取秸秆不同位置进行切割对制作成的骨料的性能也有不同程度的影响。棉秆是一种木质部较为集中且含量特别高的一种植物秸秆,沿高度上呈现一种底部粗壮、中部略细、顶部较细的结构。底部和中部力学性能较好,因此,取靠近底部直径较大且长度在25 mm左右作为切割标准为宜。
不仅如此,切割工具的结构应与所棉花秸秆的特点相适应,刀口越薄,刃口越锐利,越有利于切割。但过于单薄而尖锐的刀口,如果强度不够,会造成刀口的磨损或折断,而缩短使用寿命,降低切割效率,提高切割成本。因此,必须处理好刀口锐利度与刀口材料耐磨性的关系。
3.2 秸秆颗粒的表面改性处理
棉秆颗粒具有木质材料的相关特性,其具有一定弹性形变的能力,因此如果采用普通的轻集料表面处理方式进行处理,那么势必会造成表面包裹材料的脱落(轻集料普通表面处理方式通常采用脆性的材料,变形小)。为此我们需要采用一种具有一定弹性形变的材料进行相关表面处理,提高棉花秸秆与表面裹灰层的粘结能力,确保裹灰层的可靠粘结。本实验采用如下方式进行处理:将切割成型的棉花秸秆颗粒放入容器,倒入适量的丙烯酸酯乳液(固体含量50%),将棉杆颗粒包裹住后,将粉状材料(可以是水泥、粉煤灰等,根据拟使用的环境变化进行调整)逐步撒入容器内。根据乳液吸附的原理将粉状材料吸附在棉花秸秆颗粒表面。最后将颗粒在合适的条件下进行养护处理即可形成新型棉花秸秆超轻粗骨料。普通陶粒、秸秆颗粒和制备的新型棉花秸秆粗骨料如图1 所示。
4 棉花秸秆颗粒超轻粗集料基本力学性能的研究
在棉秆压缩试验前,将万能试验机的加载速度设定为1 mm/min,然后把棉杆颗粒竖向放置在万能试验机的平台上,通过调节横梁的升降,使试验机压头与棉杆颗粒刚好接触,压头与颗粒间的间隙为零。此时启动万能试验机,正式开始试压。电子万能试验机一边进行数据的采集,一边将试验曲线直接在屏幕上显示;待试验曲线达到要求后,即可结束本次试验。
4.1 秸秆颗粒顺纹抗压试验
随机取样6 颗秸秆颗粒进行顺纹抗压试验,6 颗秸秆颗粒的主要物理参数见表1,顺纹受压的荷载位移曲线见图2。
从图2 可以看出,顺纹抗压状态下棉花秸秆粗骨料随着荷载的增加,相应变形也呈现逐步增大的趋势。变形过程可分为2 种类型:(1)当髓心直径小于2.0 mm时,如S1、S6 试样,整体呈现明显弹性形变和塑性形变,体现出棉花秸秆颗粒具有较好的韧性,荷载在0~2.5 k N表现出弹性形变,荷载大于2.5 k N时表现为塑性形变。可见髓心直径对于秸秆颗粒的力学性能有较大的影响。(2)当髓心直径大于等于2.0 mm时,如S2、S3 和S5 试样,荷载增加幅度不大,但是相应的位移变形却增加很快,表现出塑性形变的特征。S4 试样在压缩前期变形很大,但当位移变形达到0.25 mm时,突然表现出较好承载能力,此时曲线形态类似于S1 和S6 试样。究其原因是S4 试样的切割断面不平整,导致整个颗粒受力不均匀,在变形到一定程度后就能够表现出较好的性能。
4.2 秸秆颗粒横纹抗压试验
随机取样6 颗秸秆颗粒进行横纹抗压试验,6 颗秸秆颗粒的主要物理参数见表2,横纹受压的荷载位移曲线见图3。
从图3 可以看出,横纹抗压状态下棉花秸秆粗骨料随着荷载的增加,相应变形也呈现逐步增大的趋势,并且大体趋势类似。即使有H5 和H6 颗粒这种承载能力较小的试样,但其所呈现的曲线趋势仍然比较接近。H5 和H6 颗粒承载能力较小的原因在于都存在着结节,并且通过压缩过程中的声音和颗粒变化可以明显发现,结节处出现了明显的断裂和裂纹。横纹受压破坏是由于压力方向与秸秆纤维方向垂直时的受压状态,秸秆高度方向的管状纤维细胞被压扁,因而会产生较大的变形,并且这种变形会呈现一定的线性关系。棉花秸秆颗粒在横纹受压状态下也呈现出类似的性能,比如H1、H2、H3 和H4 试样在受压段曲线呈现明显的一致性。将上述4 个颗粒数据平均化处理后得到曲线为:Y=0.0011X-0.0912。其中X为位移变形,Y为荷载,0.0912 为截距。
通过对比顺纹抗压和横纹抗压数据可知,顺纹力学性能远好于横纹,在同等变形条件下顺纹秸秆能够承受更大的荷载,在同等荷载条件下横纹秸秆能够承受更大的变形。因此,可以根据实际需要合理使用棉花秸秆颗粒。本文提出如下设想:当需要颗粒承受更大的荷载并且变形小时,可以采用颗粒的顺纹作为承载方式;当需要具备一定荷载承受能力并且能够通过变形来吸收荷载的情况下,可以采用颗粒的横纹作为承载方式;若对荷载和变形都没有特别要求时(比如作为轻质填充时),可以不用区分横纹和顺纹。
5 结论
(1)棉花秸秆沿高度上呈现底部粗壮、中部略细、顶部较细的一种结构。一般情况下底部和中部力学性能较好,但髓心直径是棉杆颗粒顺纹方向力学性能的决定因素。是否有结节是棉花秸秆颗粒顺纹和横纹力学性能是否稳定发挥的重要因素。
(2)通过对棉花秸秆颗粒的抗压性能分析可知,顺纹抗压状态下,棉花秸秆颗粒具有较好的韧性,荷载在0~2.5 k N表现出弹性形变;横纹抗压状态下,变形呈现一定的线性关系,普遍可承受1.4 k N的荷载;在同等变形条件下顺纹秸秆能够承受更大的荷载,在同等荷载条件下横纹秸秆能够承受更大的变形。
(3)通过对棉花秸秆超轻粗骨料力学性能的研究发现,其能够满足西北农村地区的建材需要。
参考文献
[1]晋强,冯勇,何金春,等.石膏-EPS-棉花秸秆皮纤维复合材料力学性能的试验研究[J].新型建筑材料,2014(2):48-51.
[2]胡曙光,王发洲.轻骨料混凝土[M].北京:化学工业出版社,2005.
[3]张艳芳,常红航.我国轻骨料混凝土的介绍[J].硅谷,2009(18):121.
棉花秸秆 篇4
我国是产棉大国, 每年棉花秸秆 (以下简称棉秆) 的产量也十分丰富, 但棉秆除就地焚烧及回埋还田外, 只有少量被用作制备生物燃料[8,9]、吸附剂[10,11,12]、纤维素[13]及保温材料[14]等。棉秆含有丰富的纤维, 棉秆纤维是自然界丰富的天然高分子材料, 自然界中每年生长的棉秆纤维素总量多达几十亿吨。棉秆纤维的形态特点是长径比大、比强度高、比表面积大、密度低及可生物降解等, 其强度在大部分情况下可满足增强材料的要求。
本实验通过改变棉秆纤维掺量、分布及对棉秆纤维进行预处理等, 研究棉秆纤维对脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料物理力学性能影响, 并对其导热系数进行研究, 以期制备物理力学性能及保温性能良好的脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料。
1 实验
1.1 实验原料与化学试剂
脱硫石膏由江苏八菱海螺水泥有限公司提供, 微黄色粉末, 其化学成分见表1, 矿物成分主要为二水硫酸钙 (Ca SO4·2H2O) 。Na OH购自天津博迪化学试剂有限公司, 分析纯。将脱硫石膏在150℃温度下煅烧3 h得到脱硫建筑石膏, 冷却至室温备用。脱硫建筑石膏主要成分为半水石膏 (Ca SO4·0.5H2O) , 脱硫石膏与脱硫建筑石膏的XRD图谱见图1。棉秆为盐城亭湖农村收集而来, 自制成长度为2~5 mm棉秆纤维, 干燥备用。
%
1.2 实验过程
1.2.1 棉秆纤维预处理
称取适量长度为2~5 mm棉秆纤维浸入浓度为5%~10%的Na OH溶液中浸泡2 h, 取出后, 用蒸馏水洗净棉秆纤维表面, 晾干, 备用。
1.2.2 试样制备
称取1000 g脱硫建筑石膏粉和适量棉秆纤维, 搅拌均匀后, 再准确量取700 ml水倒入混合物中, 然后搅拌均匀, 倒入尺寸为40 mm×40 mm×160 mm试模中振动成型, 1 h后脱模, 将试块置入 (40±2) ℃电热鼓风恒温干燥箱中烘干备用。
1.2.3 性能测试
脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料的物理力学性能参照GB/T 17669.3—1999《建筑石膏力学性能的测定》进行测试, 采用XTL-3A型体视显微镜观察复合墙体材料的断面形貌, 采用DRP-4型平板导热系数测定仪对复合墙体材料的保温性能进行测试。
2 结果与分析
2.1 棉秆纤维掺量对复合墙体材料强度的影响
采用未处理棉秆纤维作为脱硫石膏基复合墙体材料增强纤维, 棉秆纤维掺量对复合墙体材料强度的影响见图2。
由图2可以看出, 随着棉秆纤维掺量的增加, 复合墙体材料的抗折和抗压强度先提高后降低。当棉秆纤维掺量为3%时, 复合墙体材料的抗折、抗压强度较大, 分别为7.3、13.7 MPa, 较未掺棉秆纤维的空白样分别提高35.2%、7.0%;棉秆纤维掺量大于3%后, 复合墙体材料的抗折、抗压强度迅速下降, 棉秆纤维掺量为5%时, 复合墙体材料的抗折、抗压强度分别降低至4.7、11.3 MPa, 低于空白样。从强度方面考虑, 棉秆纤维的最佳掺量为3%。
针对上述现象, 王裕银等[15]采用纤维阻裂效应来解释:当棉秆纤维含量适中时 (棉秆纤维为3%) , 纤维分散均匀, 一方面试样受力时, 长纤维将跨越裂缝起到传递荷载的桥梁作用, 使得微裂纹尖端的应力集中钝化, 裂缝的进一步扩展受到约束;另一方面短纤维将迫使裂纹改变延伸方向或生成更多微裂纹, 显著增大微裂缝扩展的能量消耗, 表现为试样的抗折和抗压强度均达到最大值。
图3为棉秆纤维掺量为3%时复合墙体材料断面的体视显微镜照片。
由图3可见, 试样断面基本没有大的裂缝, 说明复合墙体材料试样断裂时, 适量棉秆纤维 (3%) 能够有效阻止裂纹的扩展。另外, 试样断裂必须先克服棉秆纤维与脱硫石膏之间的胶结作用, 使纤维与脱硫石膏之间剥离, 表现为图3中被剥离出的棉秆纤维部分与水平面垂直, 这对提高试样的强度有利。
2.2 棉秆纤维预处理对复合墙体材料物理力学性能的影响
棉秆纤维增强脱硫石膏作为一种复合材料, 其复合效应的发挥在很大程度上取决于棉秆纤维与脱硫石膏基体之间界面结合情况以及纤维掺量与分布等情况。棉秆纤维与脱硫石膏基体之间胶结作用较弱, 需对其表面进行改性, 以提高复合墙体材料性能, 特别是物理力学性能。碱浓度对复合墙体材料 (棉秆纤维掺量为3%) 强度的影响见图4。
从图4可以看出, 复合墙体材料的强度随碱浓度的增加先提高后降低, 碱浓度为8%时, 复合墙体材料的抗折和抗压强度达到最大值, 分别为9.0、16.6 MPa。
碱浓度为8%时, 棉秆纤维掺量为3%的复合墙体材料试样断面体视显微镜照片见图5。
由图5可以看出, 与未处理试样相比 (见图3) , 8%碱处理试样断裂后棉秆纤维仍牢牢与脱硫石膏基体胶结在一起, 说明经碱处理后棉秆纤维与脱硫石膏基体之间胶结力更强[16]。这是由于棉秆纤维经碱处理后, 纤维表面果胶和其它一些物质被除去, 且纤维表面可能粘附其它物质, 使得表面粗糙度增大, 棉秆纤维与脱硫石膏之间胶结能力增强[17], 有利于提高脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料的物理力学性能。
2.3 复合墙体材料的保温性能
脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料制品干燥后, 其内部含有大量的孔隙, 因此保温性能较一般的墙体材料要高很多。另外, 随着棉秆纤维的增加, 复合墙体材料内部孔隙率增多, 孔隙越多, 复合材料导热系数越小, 保温性能越好。使用经8%Na OH溶液浸泡处理后的棉秆纤维制备的脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料的导热系数见表2。
由表2可知, 脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料的导热系数随棉秆纤维掺量的增加而降低, 且纤维掺量较少时, 导热系数降低幅度较大。造成这种现象的原因是由于少量的棉秆纤维能够在复合材料内部造成大量微小封闭气孔, 故导热系数较小, 保温性能得到提高;当棉秆纤维掺量较多时, 制品内部气孔孔径变大, 对热量的阻隔效应降低, 导致导热系数随棉秆纤维掺量的增加而降低不明显。棉秆纤维掺量为5%时, 复合墙体材料的导热系数较低, 为0.105 W/ (m·K) 。
3 结语
(1) 脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料抗折和抗压强度随棉秆纤维掺量的增加先提高后降低, 棉秆纤维掺量3%时复合墙体材料抗折、抗压强度较高, 比空白样分别提高35.2%和7%。
(2) 棉秆纤维经碱处理后, 与脱硫石膏之间胶结能力增强, 有利于提高脱硫石膏-棉秆纤维复合墙体材料的物理力学性能。复合墙体材料强度随碱浓度的增大先增加后降低, 碱浓度为8%时, 复合墙体材料的抗折、抗压强度达到最大, 分别为9.0、16.6 MPa。
(3) 掺加棉秆纤维能够在脱硫石膏基复合墙体材料内部形成大量封闭微孔, 故导热系数较小, 保温性能得到提高, 且纤维掺量较少时导热系数下降较快。棉秆纤维掺量为5%时, 复合墙体材料的导热系数较低, 为0.105 W/ (m·K) 。
摘要：以棉花秸秆纤维作为脱硫石膏的增强材料, 研究不同棉花秸秆纤维掺量、碱处理浓度对脱硫石膏-棉花秸秆纤维复合墙体材料物理力学性能及保温性能的影响。结果表明, 棉花秸秆纤维掺量3%的试样强度较高, 抗折和抗压强度分别较空白样提高35.2%和7.0%。棉花秸秆纤维经碱溶液处理后, 与脱硫石膏之间胶结能力增强, 有利于提高脱硫石膏-棉花秸秆纤维复合墙体材料的物理力学性能, 采用8%碱溶液处理的试样抗折和抗压强度分别可增至9.0、16.6 MPa。掺加棉花秸秆纤维能够增加脱硫石膏基复合墙体材料孔隙率, 导热系数最低可降至0.105 W (/m.K) , 保温性能得到提高。
棉花秸秆 篇5
关键词：棉花秸秆,粗骨料,表面改性,吸水率
棉花秸秆是一种产量大、可再生的农业废弃物。合理有效地开发利用棉花秸秆制作超轻粗骨料不仅可以节能利废,还可以享受众多优惠政策和免税待遇,而且在同等产品性能下,综合生产能耗少(不需要高温烧制)、生产成本低、经济效益好、社会效益显著[1]。本研究以棉花秸秆颗粒为主并添加界面改性剂,改善其界面性能,开发绿色保温可以替代普通陶粒的超轻粗骨料。由棉花秸秆制作的绿色有机超轻粗骨料,无需高温烧制,经简单养护就可成型,并且堆积密度比较小,可达200kg/m3,保温性能较好。
植物有机材料作为轻骨料的研究目前比较少,究其原因主要在于目前常用的植物有机材料木质成分含量较低,不易成型,强度较低,且吸水率高。但棉花秸秆木质成分含量较高,力学性能较好[2]。经多次实验研究表明,表面未处理的棉花秸秆颗粒在拌和过程中具有较高的吸水率,会提高胶凝材料拌和用水量,影响强度,所以必须对其进行憎水性裹灰处理,降低吸水率。在后续处理过程中发现,棉花秸秆颗粒是一种具有一定弹性的颗粒,而现行的陶粒裹灰处理方式其裹灰材料是一种脆性的硬质材料。本研究主要就棉花秸秆的含水量、直径对棉花秸秆轴向压缩的弹性模量以及抗压强度的影响进行试验和分析,测试棉花秸秆超轻粗骨料的力学性能,为棉花秸秆超轻粗骨料的应用提供参考。
1 实验
1.1 原材料
棉秆取自新疆石河子市郊区,取样地面积约2亩,试样为2014年年末人工收割的生长良好的棉花秸秆。采用专用工具去除细枝、叶片和棉壳,外部擦拭干净。棉花秸秆最好上下通直、枝叶较细、没有明显缺陷、表皮损伤较小、无开裂。将上述试样隔空放置在室外自然风干,第2年春季采用专用工具对其加工制作,获取合适的棉花秸秆颗粒备用。每1批次的每组实验都是从50株棉秆中随机取8株。随后制作试样、编号,并测量记录试样直径、高度,试样直径为9~23 mm,平均直径为15.5 mm,精确至0.1 mm。
水泥:42.5级普通硅酸盐水泥,青松水泥股份有限公司。
粉煤灰:Ⅱ级粉煤灰。
丙烯酸酯防水涂料:固体含量为50%,市售。
1.2 实验方法
试样应满足下列条件:
(1)试样要求1<H/D<3,其中:H为秸秆颗粒的长度,mm;D为秸秆颗粒的直径,mm。
(2)试样必须平直,两端平齐,避免影响试验结果。
所选择的棉秆试样一般情况下至少包含7个不同的直径,试样直径范围为8~20 mm,试样长度范围为10~20 mm,并挂上标签进行标识。
试样含水率测试采用干燥法,参照GB/T 1931—2009《木材含水率测定方法》进行。将同组试样一并放入干燥箱内,在(60±2)℃下干燥12 h后,从中选定2~3个试样进行第1次试称,以后每隔2 h试称1次,至最后2次称量之差不超过0.05g时,即认为试样达到全干。
2 棉花秸秆超轻粗骨料的表面改性研究
2.1 棉花秸秆超轻粗骨料的表面包覆方法
棉花秸秆颗粒是一种具有一定弹性形变的颗粒,目前常用的裹灰处理采用脆性的硬质材料。采用这种脆性的硬质材料对棉花秸秆颗粒进行包覆处理后,二者表面的裹灰层特别容易脱落,不能共同发生相应的形变。为此必须采用新的裹灰处理方式对棉花秸秆颗粒表面进行改性,提高棉花秸秆与表面裹灰层的黏结能力,确保裹灰层与棉花秸秆颗粒的可靠黏结。本研究采用以下2种包裹方法[3]:
(1)分层包裹。先包裹1层丙烯酸酯防水涂料,厚度为0.2~0.5 mm,再包裹1层水泥或者粉煤灰,厚度为0.1~0.5 mm。具体方法为将棉花秸秆颗粒放入容器中,添加适量防水涂料进行搅拌,目测防水涂料完全包裹住棉花秸秆颗粒后,采用少量多次的方式添加水泥或者粉煤灰,并不断搅拌,目测防水涂料表面均沾有水泥或者粉煤灰时停止,取出混合包裹后的颗粒在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d,得到棉花秸秆超轻粗骨料。
(2)混合包裹。按照防水涂料50%~70%、水泥或者粉煤灰30%~50%的质量比在容器内混合,待混合均匀后将棉花秸秆颗粒放入容器中,再搅拌直至棉花秸秆颗粒被完全包裹后出料,取出混合包裹后的颗粒在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d,得到棉花秸秆超轻粗骨料。
采用上述方法制作的棉花秸秆超轻粗骨料工艺简单,无需大型煅烧设备,经简单搅拌即可制备,由于本产品采用免烧工艺,因此与焙烧工艺相比,具有节能和低碳等环保效果,并且堆积密度小,吸水率低。利用该技术制备的棉花秸秆超轻粗骨料外形为长度10~20 mm、直径8~15 mm的圆柱形颗粒,堆积密度150~200 kg/m3,筒压强度0.5~1.0 MPa,1 h吸水率10%~20%。
2.2 棉花秸秆超轻粗骨料的表面改性微观结构分析
未改性的棉花秸秆颗粒见图1。
丙烯酸酯防水涂料与水泥混合凝固后具有较大的变形性能,而这个变形性能使其能够与棉秆颗粒的变形协调一致。本次实验采用丙烯酸酯防水涂料对棉花秸秆颗粒进行包裹处理,通过扫描电镜分析丙烯酸酯防水涂料的包裹效果。包裹材料以及方式为:先将棉花秸秆颗粒放入容器内,然后将丙烯酸酯防水涂料适量掺入以完全包裹住棉花秸秆颗粒为标准,接着将42.5级普通硅酸盐水泥逐步撒入容器内,并同时进行搅拌,待颗粒表面完全黏附住水泥颗粒时停止。将上述包裹方式制作的颗粒自然养护至28 d时进行电镜分析。表面改性后的棉花秸秆颗粒照片见图2,丙烯酸酯防水涂料与水泥的界面SEM分析见图3(a),未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉秆颗粒与水泥砂浆的界面SEM分析见图3(b)。
由图3(a)可知,采用丙烯酸酯防水涂料与水泥包覆后,丙烯酸酯防水涂料凝固后具有成膜连续、粘附性强的特点,再加上表面吸附的水泥显示出包覆效果较好的特征。丙烯酸酯防水涂料浓的地方成膜连续,而表面吸附的水泥水化孔洞较多,在它们的界面交接处体现出聚合物水泥的特征,结构致密,包覆完整。由图3(b)可知,未采用丙烯酸酯防水涂料包裹的棉秆颗粒与水泥砂浆搅拌后,秸秆表皮分离。由此可知,外表裸露的棉花秸秆,会在混凝土拌合过程中释放出糖分,同时也会吸收混凝土中的水分,这就导致了水泥砂浆与棉杆颗粒的结合是不牢固的,有害的。而经过丙烯酸酯防水涂料包裹后的棉花秸秆颗粒表皮细胞被疏水性丙烯酸酯防水涂料所包裹,所以包裹后的棉花秸秆颗粒就不会在混凝土拌合过程中吸收水分。
3 棉花秸秆超轻粗骨料的吸水率实验
一般来说轻骨料都具有孔状结构,这使得其吸水率比普通骨料高很多。不同种类轻骨料由于孔隙率及孔结构差别,吸水率也往往相差较大。轻骨料的吸水率越高,预饱水程度就越低,对新拌混凝土拌合工作性能的影响就越大[4]。而对于棉花秸秆粗骨料来说,首先它是一种有机材料,在水的作用下会逐渐降解腐烂;其次,含水率的提高会降低它的力学性能[5]。因此,秸秆表面的包覆处理就显得至关重要,也就是说控制秸秆颗粒的吸水率是该超轻粗骨料的关键点。
3.1 分层包裹的吸水率实验
棉花秸秆粗骨料制作过程:先将棉花秸秆颗粒放入容器内,接着将浓度为50%的丙烯酸酯防水涂料放入容器内,并不断搅拌秸秆颗粒,待颗粒表面被完全包裹时停止,静置5min,使得秸秆颗粒表面能够完全吸附丙烯酸酯防水涂料,接着撒入水泥并不断搅拌,目测防水涂料表面均沾有水泥时停止,取出混合包裹后的颗粒,在20℃、相对湿度70%条件下养护3 d,制得棉花秸秆超轻粗骨料。
吸水率实验方法:根据粒径把试样分成7组,每组6个试样,分别称重,然后放入盛水的容器中。棉花秸秆颗粒密度较小,会漂浮在水面,应将其用不吸水的重物压入水中。浸水1 h后将试样取出,制成饱和面干状态,然后称量,计算吸水率,取6个试样的平均值作为该组试样的吸水率。
分层包裹实验棉花秸秆粗骨料的基本性能指标见表1,未改性和分层包裹改性时的棉花秸秆粗骨料的1 h吸水率分别见表2、表3。
由表2、表3可知,将棉花秸秆粗骨料采用分层包裹方式改性后吸水率大幅降低,采用丙烯酸酯防水涂料作为改性材料效果明显。在后续试验中将改性后的秸秆颗粒剔除表面的包裹材料再进行称量发现,秸秆颗粒内部吸收的水分很少,也就是说改性后秸秆颗粒在1 h内主要是表面吸附的材料在吸收水分。这间接地表明了改性后的秸秆颗粒吸水率变化和表面的包裹材料密切相关。包裹材料越厚吸水率就越高。对于未改性的秸秆颗粒,它的吸水率主要和髓心直径关系比较密切,髓心直径越大吸水率越高。
3.2 混合包裹的吸水率实验
棉花秸秆粗骨料采用混合包裹进行改性,分别选择7种不同粒径的棉花秸秆,每种粒径选择6个颗粒,采用求平均的方式,进行吸水率实验。
棉花秸秆粗骨料制作过程:先将700 g丙烯酸酯防水涂料、300 g水泥在容器内混合,待混合均匀后将棉花秸秆颗粒放入容器中,再搅拌直至棉花秸秆颗粒被完全包裹后出料,取出混合包裹后的颗粒按照混凝土养护方法养护3 d,制得棉花秸秆超轻粗骨料。
按照3.1节吸水率实验方法,混合包裹实验棉花秸秆粗骨料的基本性能指标见表4,混合包裹改性后棉花秸秆颗粒的1 h吸水率见表5。
由表5可知,棉花秸秆粗骨料采用混合包裹改性后吸水率大幅降低,混合包裹吸水率比分层包裹的稍大,但混合包裹的处理方法比较简单,并且包裹质量比较容易控制。因此,在后续应用于工程实践中时应优先采用混合包裹,只要控制混合包裹的配比,则包裹的效果就确定了。
包裹材料对于包裹效果影响很大,实验过程中可以发现,包裹材料越稀则包裹层厚度越薄,对应的吸水率就越低;包裹材料越厚则包裹层厚度就越大,对应的吸水率就越高。采用水泥或者粉煤灰对于包裹材料的包裹效果无明显差异,因此不再重复实验过程,但可以研究使用其它粉状类材料作为包裹材料的一部分,使其具备成本优势或者其它特殊功能。
4 结论
(1)本文提供的2种包裹方法均能有效地对棉花秸秆颗粒进行包裹,并能够达到不脱皮、黏结牢固的要求。采用分层包裹比混合包裹效果好,包裹材料更薄,但包裹程序相对复杂,不易进行量化包裹处理。混合包裹材料采用合适的配比就可以有效地进行包裹。
(2)由电镜分析结果可知:采用丙烯酸酯防水涂料吸附水泥的方式对棉花秸秆颗粒表面进行改性,可以提高棉花秸秆与表面裹灰层的黏结能力,确保裹灰层与棉花秸秆颗粒的可靠黏结。
(3)表面改性后的棉花秸秆超轻粗骨料1 h吸水率可以控制在10%~20%,并且水分主要是包裹材料吸收的,并未大量进入棉花秸秆颗粒内部,因此可确保秸秆颗粒不易腐烂。
参考文献
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棉花秸秆 篇6
1 树叶、营养枝和棉花秸秆的营养价值
1.1 营养成分测定
为了正确制定饲料配方, 有效利用树叶、营养枝、棉花秸秆等饲料资源, 对采集的树叶、营养枝及棉花秸秆等样品营养成分进行了检测。经检测, 它们的主要成分是水分、粗蛋白、粗纤维和粗灰分。而作为饲料最主要的是粗蛋白、粗纤维含量, 下面我从这两个含量来重点阐述。树叶选用沙枣叶、桃树叶、红枣树叶、核桃树叶、杨树叶等样品, 它们的粗蛋白含量分别为20.65%、19.14%、16.14%、13.93%、14.79%, 粗纤维含量分别为11.91%、7.22%、9.67%、10.78%、17.40%。秸秆选用带穗玉米秸、麦草、稻草、棉花秸秆等样品, 它们的粗蛋白含量分别为11.87%、3.81%、5.01%、5.24%, 粗纤维含量分别为26.45%、34.85%、33.63%、45.77%。营养枝选用杨树、杏树、柳树、红柳树营养枝等样品, 它们的粗蛋白含量分别为5.97%、5.62%、3.81%、15.04%, 粗纤维含量分别为46.39%、30.27%、40.61%、18.94%。
1.2 从检测营养成分结果来看
树叶:粗蛋白平均含量达16.93%、粗纤维平均含量达11.40%, 粗蛋白含量高, 粗纤维低, 可以替代玉米秸秆和麦草利用。
棉花秸秆:粗蛋白含量虽然与麦草和稻草基本相似, 但是粗纤维含量高, 牲畜采食量低。
营养枝:粗蛋白含量平均达7.61%, 粗纤维平均含量达34.05%。因营养枝粗纤维含量较高, 牲畜采食量低, 农户基本上不利用, 当柴火烧掉。
2 树叶、营养枝和棉花秸秆的有效利用
2.1 开展饲喂试验
为了研究分析树叶、营养枝、棉花秸秆等资源, 在饲喂绵羊中替代粗饲料的作用, 同时分析日粮中不同比例添加的树叶、营养枝、棉花秸秆的利用效果及饲料成本的对比, 正确判断树叶、营养枝、棉花秸秆等资源的利用空间、方式和前景等。对26 只试验羊, 分成育肥羊组、繁殖组、羔羊组, 设计不同比例的饲料配方, 制作颗粒饲料和混合饲料进行为期50d的饲喂试验。
2.2 结果分析
树叶:根据各种树叶产量、利用量和树叶营养成分的测定结果和饲喂实验分析, 树叶量大, 营养价值高, 粗纤维含量较低, 牲畜喜食, 能够作为一种饲草补充资源。
营养枝:从饲喂试验结果来看, 因营养枝粗纤维、木质素含量高, 除少量鲜秸秆采食外, 采食量低。
棉花秸秆:棉花秸秆资源较丰富, 营养成分与麦稻秸基本相似, 但是粗纤维含量高, 都在40%以上, 采食量低, 牲畜难以消化。据不同比例添加饲料配方饲喂试验结果表明, 日食量添加量超过10%以上时, 绵羊出现采食量降低, 消化不良等现象。
3 我区对树叶、营养枝及棉花秸秆等饲料资源的有效利用现状
树叶:我区树叶总生产量达426.37 万t左右, 如果全部被利用, 理论上如果每只羊单位日食量按照1.5kg, 365d利用计, 能够扩大养殖778 万羊单位, 如果以地区2015 年最高饲养量2629 万个羊单位计, 树叶饲养量占33%。有效利用树叶资源不但提高养殖收入, 还可以扩大就业空间, 促进生态农业的发展。
营养枝:全区果树总面积584.91 万亩, 营养枝总产量达40.61 万t, 从营养价值来看可以收集加工利用, 农户少量收集鲜秸秆饲喂, 鲜营养枝利用总量达12.39 万t, 营养枝利用率12.98%。除此之外, 因修剪时间较长, 收集利用费时费力, 牲畜采食量低和没有专用营养枝粉碎加工利用机械等原因, 基本不利用。
棉花秸秆:全区棉花种植面积306.66 万亩, 棉花秸秆产量平均474.42kg/ 亩, 预测全区棉花秸秆产量可达145.48 万t。放牧利用时牛羊只能吃棉叶壳和主茎顶端枝条, 其余部分不吃。农户利用时把棉花秸秆收集后, 一般采取把棉叶壳泡水软化, 对秸秆铡短粉碎和放牧利用, 利用率只有50%~60%左右。
摘要：喀什地区属干旱区, 农区畜牧业, 牲畜缺草问题较为突出, 为了扩大饲草料资源, 有效增加饲草料总量, 本文开展了树叶、营养枝和棉花秸秆等饲料资源的营养价值及其有效利用的调查研究。
棉花秸秆 篇7
关键词：活性炭,棉花秸秆,KOH/NaOH活化,高比表面积,南疆
活性炭 (AC) 是一种绿色环保的吸附剂, 具有高度发达的孔隙结构和巨大的表面积, 已被广泛应用于工业废水的深度处理、气体的净化除臭等领域[1]。根据活化剂的不同, 其生产方法主要分为物理活化法和化学活化法, 用KOH、Na OH等化学活化剂可制备出高比表面积的活性炭[2]。国内常用制备活性炭的原料有木材、煤炭、石油渣等。随着一次性资源匮乏、能源危机等问题日益严峻, 活性炭的制备原料受到了极大的限制, 如何利用价廉易得的废弃原料制备出高性能活性炭已成为大家关注的热点[3]。传统的农作物废弃物就是一种很好的选择, 例如花生壳、橘子皮、稻秆等作为制备活性炭原材料的研究已被报道[4~6]。
新疆的棉花产量占全国的56%。南疆地区植棉面积约占新疆棉花种植总面积的55%, 棉花秸秆产量约600万t/年[7]。当地棉秆的利用方式主要为还田和就地燃烧, 这些方法不仅造成棉秆资源的浪费, 而且极易污染环境。本文以南疆英吉沙县废弃的棉秆为前驱体, 分别采用单一KOH和复合KOH/Na OH为活化剂制备木质活性炭, 正交试验确定最佳制备工艺条件并对其性能进行比较。
1 实验
1.1 实验材料及仪器
实验材料:棉花秸秆材料取自新疆南部英吉沙县;氢氧化钾、氢氧化钠、盐酸、碘、碘化钾、硫代硫酸钠、可溶性淀粉、重铬酸钾, 均为分析纯 (国药集团上海化学试剂公司) ;氮气, 高纯 (上海市松江气体有限公司) 。
实验主要仪器:YFFK12Q-26C型管式电阻炉 (上海意丰电炉有限公司) ;Autosorb-6B (NOVAe-400) 型比表面积及孔径分析仪 (美国康塔仪器公司) ;Optima 8000/Optima 8300等离子体发射仪 (珀金埃尔默仪器有限公司) ;FEIquanta250型扫描电子显微镜 (美国FEI公司) ;NEXUS-670型傅立叶变换红外-拉曼光谱仪 (美国Nicolet公司) 。
1.2 活性炭的制备
取一定质量预处理过的棉秆料置于石英舟, 在350~450℃下炭化30min。活化剂与炭化料以2~4碱炭比混合, 水浴浸渍、干燥后于650~750℃活化40~80min。冷却后加入一定体积盐酸, 用热的蒸馏水洗涤至中性, 105℃干燥至质量恒定, 筛分得目标产物[8]。具体制备工艺流程如图1所示。设计正交实验条件, 以碘吸附值来评价活性炭的性能, 重复试验。其中, 碘吸附值按国家标准《木质活性炭试验碘吸附值的测定 (GB12496.8~1999) 》所规定的方法测定[9]。
1.3 活性炭的表征
在77k下, 采用氮气吸附对活性炭比表面积及孔结构进行表征。样品的比表面积用BET公式计算。K, Na, Ca, Mg, C等微量元素用电感耦合等离子体质谱进行测定, 并利用扫描电镜、红外光谱图分析表面形貌及官能团。
2 结果与讨论
2.1 正交试验结果及分析
用单一KOH、复合KOH/Na OH为活化剂, 所制得活性炭分别记作ACK、ACKNa。确定碱炭比、活化时间、活化温度、碳化温度这四个因素为正交实验的研究对象, 以碘吸附值作为衡量指标。每因素取3水平, 对正交实验结果做极差R分析。具体数据如表1、2表所示。
从表1中可以看出ACK碘吸附值的优化组合是7 (ACK7) :碱炭比4、活化时间40min、活化温度750℃、碳化温度400℃。碘吸附值极差大小顺序为:碳化温度 (D) >活化温度 (C) >碱炭比 (A) >活化时间 (B) ;从表2中可以看出ACKNa碘吸附值的优化组合是2 (ACKNa2) :碱炭比3、活化时间40min、活化温度700℃、碳化温度400℃。碘吸附值极差大小顺序为:碳化温度 (D) >碱炭比 (A) >活化温度 (C) >活化时间 (B) 。对比表1、表2极差顺序, 可以看出碳化温度对活性炭性能影响最大, 活化时间影响最弱。碱炭比和活化温度的影响力相对较小。在相同碳化温度、活化时间的条件下, ACKNa的活化温度达到700℃时活化反应充分, 炭化料不断分解, 产生的孔结构优越于750℃活化的ACK的孔径结构, 最大碘值 (1836 mg/g) 比ACK的最大碘值 (1267mg/g) 要大得多, 前者吸附性能明显优于后者。并且Na OH的市场价格相对KOH廉价, ACKNa使用Na OH代替部分KOH, 制备成本较低, 效果更好。
2.2 微量元素分析
南疆土地盐碱化严重, 盐碱土中含有的微量元素对于植物的组成和性能有一定的影响[10]。本文选取前驱体、ACK7和ACKNa2为实验样品, 用ICP-MS对样品中的K、Na、Ca、Mg、Cr、Cd含量进行测试。结果如表3所示, 本文选取的棉秆活化前后元素含量变化不大且各元素含量比较低, 可以认为不含Cr、Cd元素, 说明样品所取地盐碱化程度较低。
2.3 比表面积及孔结构分析
在77K恒温下, 对棉秆活性炭进行氮气吸脱附实验, ACK7和ACKNa2的氮气吸脱附等温线见图2。
按照IUPAC分类, ACK7和ACKNa2皆属于典型的I型, 活性炭中存在大量均匀的微孔结构。当相对压力P/P0<0.1时, 氮气吸附等温线迅速上升, 说明活性炭内存在较多的微孔, 吸附能力强;当0.1<P/P0<1时, 氮气等温线缓慢上升并趋于平衡, 说明活性炭在较高相对压区对N2吸附量很少, 吸脱附曲线没有明显的闭合回线, 活性炭中孔结构较少。样品ACKNa2与ACK7的吸附量相差较大, ACKNa2、ACKNa7吸附量分别达到700cm3/g、450cm3/g, 这是由于制备过程中使用复合、单一活化剂导致孔结构有所差异, KOH/Na OH作为活化剂反应更为剧烈, 能较好地调节孔隙结构。
根据活性炭在77K下的N2·吸附等温线, 按照BET和Langmuir比表面理论计算出ACK、ACKNa的比表面积及孔径分布结构参数见表4。对比两组数据, 可以看出ACKNa的参数明显优于ACK, 其中, ACK7、ACKNa2的平均孔径都低于2nm, 说明所制备的活性炭以微孔为主。
2.4表面形貌分析
采用扫描电子显微镜对棉秆炭化料BC、活性炭ACK7和ACKNa2表面形貌进行观察, 扫描电镜图见图3 (a) 、 (b) 、 (c) 。图3 (a) 为1000倍放大下的炭化料, 可以看出棉秆炭表面有被刻蚀的痕迹, 出现了细小的孔隙, 组织疏松, 有明显的管束结构。图3 (b) 、 (c) 为活化后的SEM图, 可以看出经过活化后样品出现了丰富和发达的孔隙结构, 说明活化对棉秆原料有较好地造孔作用。对比两图, 可以看出图ACK呈明显的粉末状, 有贯穿空隙结构, ACKNa层片之间发生了剥离、薄片状明显, 略显蜂窝状。
2.5红外光谱分析
棉秆炭化料BC、活性炭ACK7和ACKNa2红外谱图如图4所示。从图4可知, 3434cm-1处的吸收峰对应于醇、酚的羟基或由胺基的伸缩振动, 这可能与炭化料内部结合水的存在有关。在、处的吸收峰是由饱和烃基C-H2伸缩振动引起的, 说明炭化料中存在饱和烃类结构。在1633cm-1、1432cm-1处的吸收峰是由烯烃及苯环骨架C=C的伸缩振动引起的。1085cm-1处的吸收峰对应于酯类、酚类、醚类的伸缩振动。对比3条曲线, 可以看出ACK、ACKNa吸收峰的振动减弱, 1385-1、1317cm-1处吸收峰消失说明高温活化破坏了炭化料中的有机结构。ACKNa在1732cm-1出现了一个新的峰, 说明有醛类的存在。由此可知, 活性炭材料可能主要存在以下几种官能团:醇 (酚) 羟基、氨基、醚基等。
3 结论
以南疆棉花秸秆为原料, KOH和复合KOH/Na OH为活化剂进行对比实验。经过正交实验可知, ACKNa2以KOH/Na OH作为活化剂比ACK7以单一KOH为活化剂制备的棉秆活性炭更具有优势。ACKNa2的最大碘值达到1 836mg/g, 其最佳工艺条件的炭化温度为400℃, 活化温度为700℃、活化时间为40min、碱炭比为3。BET及Langmuir比表面分别为2 417m2/g, 2 397m2/g。对样品的微量元素进行分析, 表明该棉秆被盐碱化的程度较低。扫描电镜显示, 高温活化的活性炭与炭化料相比表面出现丰富和发达的孔隙结构, 说明ACKNa2具有较强的吸附能力。FT-IR分析表明棉秆活性炭表面主要存在醇 (酚) 羟基、氨基、醚基等官能团。
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