组分模型

关键词：

组分模型（精选七篇）

组分模型 篇1

1 经验性动物生长模型

1.1 经验性动物生长模型概念

经典的动物生长模型, 即经验性动物生长模型是指在非限制饲养条件下, 通过对试验数据回归拟合而得到的动物活重随时间变化的函数关系式 (或曲线) , 但是不少学者也提出动物生长模型不应仅描述动物活重与时间的关系, 也应包括动物各体组分 (蛋白、脂肪、水分及灰分) 及各物理体组织 (胸肌、腿肌、羽毛) 随时间变化的函数关系式。经验性动物生长模型本质上是指动物所能达到的最大生长潜力与时间的关系, 它不受环境、日粮等因素影响而仅与动物的基因型及性别有关。

1.2 经验性动物生长模型的发展与建立

自1825年, Gompertz发表了一些关于生长模型的研究以来, 动物营养学家对如何建立更为精确的经验性动物生长模型进行了大量研究, 表1为目前学者所建立的主要的经验性动物生长模型。Wellock提出了一些评价模型适用性的标准, 包括 (1) 模型中的参数要尽可能少, 而且尽可能具有生物学意义; (2) 模型表达式能够反应出生长速率是动物状态的函数; (3) 模型能够反应出动物的生长是个连续的过程; (4) 模型应该反应出随动物生长体重逐渐维持恒定, 在某一时间动物生长速率具有最大值, 而相对生长速率则随动物体重的增加逐渐减小直至零。根据这些标准, 在众多模型中, Gompertz模型、Logistic模型、Von Bertalanffy模型、Richard模型、Black模型及Bridges模型均为目前比较合理而且能够较为准确反应动物生长的生长模型。其中又因Gompertz模型具有对试验数据拟合效果好、表达式简单而且其中的参数具有生物学意义而被广大研究者所采用。本文也以Gompertz模型为例对动物生长模型所表达的生物学意义进行简单介绍。

此表引自于Wellock等, 其中W。为动物初始体重, A为动物成熟体重, t为时间变量, 其它字母为模型参数。

由表1可知, Gompertz模型包含三个参数, 分别为A、B和t, A表示动物成熟体重, B表示动物成熟速率, t表示动物达到最大生长速率时的日龄。不同种类的动物只要确定这三个参数便可得到该种动物的Gompertz生长模型。此外, 如果以R和U分别表示动物的相对生长速率和绝对生长速率, 那么根据Gompertz模型, R=dW/dt/W=Bln (A/W) , U=dW/dt=BWln (A/W) , 从以上两等式可以看出随动物日龄增长, 体重 (W) 增大, 相对生长速率逐渐下降, 而绝对生长速率则随W的增加出现先增加后降低的变化趋势, 这些变化规律与动物实际生长规律相符和, 进一步表明Gompertz生长模型描述动物在非限制饲养条件下生长情况的合理性。

正如概念中所提到的, 经验性动物生长模型反应了动物最大生长潜力, 这类模型的建立需要一个共同的前提, 即要求试验数据来源于非限制饲养条件下的动物。非限制饲养条件是一种理想化的饲养条件, 在实际试验条件下不可能达到。但是根据Wellock对非限制饲养条件的描述, 在建立经验性动物生长模型时动物的饲养条件至少需要满足以下四个方面。 (1) 动物能够自由采食; (2) 营养水平及与能量的比例满足动物需求; (3) 采食量不因饲料容重过大或毒素的存在而受到限制; (4) 采食量不因环境因素或动物健康状况, 例如温度、疾病等的影响而受到抑制。以此来假设动物处于非限制饲养条件下。

1.3 经验性动物生长模型的应用

经验性动物生长模型是描述动物在非限制饲养条件下生长表现的一种方法, 从模型中可以得到动物活重增重规律、动物体蛋白与体脂肪沉积规律及动物体蛋白与体灰分、水分之间的异速生长关系, 所以动物生长模型的首要应用就是可以预测动物在非限制饲养条件下的生长及体组分。其次, 利用动物生长模型再结合析因法测定动物营养需要的原理, 可以预测动物的营养需要。Hruby利用此方法预测了肉仔鸡氨基酸的营养需要, 而田亚东则采用此方法建立肉仔鸡能量及氨基酸的动态需要模型。此外, 利用动物生长模型可以对动物不同品种间生长差异进行比较, 例如, Hancock利用Gompertz生长模型比较并描述了六个商业品种肉仔鸡间的生长差异。

2 机制性动物生长模型

2.1 机制性动物生长模型概念

机制性模型是指以一系列的动物营养理论甚至生理生化理论为基础而建立一套能够预测动物生长及体组分的模型, 其中包括了较多的数学关系式, 形式上比经验性模型更为复杂。但与经验性模型相比, 机制性模型不仅可以预测非限制条件下动物的生长, 也可以预测限制条件下动物的生长, 即动物实际条件下的生长。

2.2 机制性模型的发展与建立

自从Whittemore和Fawcett较早尝试了构建生长猪的机制性生长模型, 并提出了一些构建此模型需要解决的一些理论问题以来, 许多学者就构建更为精确、更为合理的猪或鸡的机制性生长模型进行了大量研究。在这些模型中, 尽管不同学者所建立的模型在具体细节上有所不同, 但都有着共同的理论基础, 即对动物生长的描述及营养分割理论。动物的生长既可以指动物各体组织在重量及体积上的增加过程, 也可以指各营养素包括蛋白、氨基酸、能量、水分及灰分在动物体内的沉积过程。在建立动物机制性生长模型的过程中, 动物的生长通常被看作动物体内蛋白、脂肪、水分及灰分在体内的沉积过程。其次建立动物机制性生长模型, 我们必须了解动物营养学中的营养分割理论。营养学认为, 动物从饲料中摄取的营养素按其功能可分别用于动物的维持需要、生长需要及生产需要, 而且营养素的利用具有一定的先后关系, 即营养素首先用于动物的维持需要, 然后才用于生长或生产。图1显示了营养物质在动物体内沉积的简单模式。所以根据以上对动物生长的描述, 要利用机制性模型预测日粮营养对动物生长及体组分的影响, 就必须能够对以下信息进行详细描述。 (1) 动物初始体重及组分; (2) 动物日采食量; (3) 动物每日能量与蛋白的维持需要; (4) 日粮营养水平的描述标尺; (5) 动物体蛋白沉积的最大速度; (6) 动物体蛋白及脂肪实际沉积速率与能量摄入量的关系; (7) 动物体灰分及水分的沉积速率。其中, (2) (5) (6) (7) 是模型预测中关键而又难以解决的问题。以下主要对此四个问题进行阐述。

2.2.1 动物日采食量预测

动物的生长与动物摄食的日粮密切相关。动物每日采食营养物质的量是机制性动物生长预测模型的驱动变量, 所以在环境条件一定的情况下, 研究建立动物生长预测模型, 首要也是必不可少的一步就是准确预测动物对特定日粮的日采食量。然而, 由于动物的采食量受到环境 (温度、光照、饲养方式等) 、日粮 (原料种类、能量及各种氨基酸含量等) 及动物自身状态 (主要指动物健康状况及体重) 等多方面的影响, 所以准确估计动物的采食量极为困难。目前, 估测猪、鸡等单胃动物自由采食量多数都建立在同样的假设前提下, 即动物尽可能采食足够需要的营养物质, 一方面用以维持当前生存状态, 另一方面尽可能达到自己潜在的生长速率。

在此基础上, Emmans提出要准确预测动物的采食量主要需要解决两个问题:一是确定动物实现最大生长速率对营养物质的需要量。目前多数的研究集中于对能量及蛋白质需要量的研究上。通常是利用析因法将动物需要量分为维持需要及生长需要。生长需要又分为蛋白沉积需要及脂肪沉积需要, 例如肉仔鸡每日能量需要量可表达为:MER=+60Pr+56Fr, 其中, MER表示总代谢能需要量, aWb表示体重W时的维持代谢能需要量, Pr为日蛋白沉积量, Fr为日脂肪沉积量;而肉仔鸡每日蛋白需要量可表达为:PR=0.0233W2/3+Pr/0.85, 其中, PR表示总蛋白需要量, 0.0233W2/3表示体重W时的维持蛋白需要量。二是对采食量抑制因子及抑制程度的确定。在预测动物采食量时主要考虑了动物自身肠道的物理容积及动物热损失能力对动物采食量的限制。Emmans和Fisher提出动物能够采食饲料的最大体积与W0.73成一定的比例关系。到目前为止, 关于动物热损失能力的报道非常有限, Emmans采用以下公式来估测肉仔鸡的热损失能力:HL=MBW (a-b) T, 其中, HL:肉仔鸡最多可以损失的热量, MBW:代谢体重, a和b为反应动物皮肤隔热能力的参数, T:有效温度 (由环境温度、相对湿度及风速决定) 。

由上可知, 预测动物采食量是个复杂的过程, 而目前在一些模型中, 对动物采食量的预测简化为仅预测动物每日能量采食量, 然后再根据动物日粮中的能量浓度计算动物的日采食量, 而对动物每日能量采食量的预测则主要依据动物的体重进行。例如NRC对猪日可消化能摄入量的预测:可消化能摄入量 (Kcal/d) =1250+188W-1.40W2+0.0044W3。此外, 还有一些模型仅根据采食量与动物活重之间的回归关系来预测动物的采食量。例如Whittermore、Black对生长猪和妊娠母猪采食量预测的回归公式分别为FI=0.12W0.75和FI=0.111W 0.803, 陈志敏对公母肉仔鸡采食量预测的回归公式分别为FI=0.556W0.75和FI=0.5313W0.75。动物采食量受多种因素影响, 简单地利用动物体重来预测动物的采食量, 具有很大局限性。然而由于此类方法简便易行, 所以目前许多动物生长预测模型中仍采用此类方法来预测动物的采食量。

2.2.2 动物体蛋白的潜在沉积速率

Kielanowski及Whittemore和Fawcett分别指出动物每日蛋白沉积存在一个上限, 了解这一上限对建立动物生长预测模型有重要作用, 因为动物体内富含蛋白的组织含有大量的水分, 而水分与蛋白的总量占动物体绝大部分的体重, 所以在一定程度上, 可以认为蛋白的潜在沉积率决定了动物的潜在生长速率。Emmans利用一个简单的例子说明动物生长潜在速率由动物基因型及动物当前状态 (主要指体重) 决定, 即1kg的肉仔鸡一天最大蛋白沉积可达到60g, 而一只100g的肉仔鸡或一只1kg的来航蛋鸡则达不到。同时Emmans指出一定体重的鸡如果要实现潜在的生长速率, 必须满足两个条件, 即非限制的日粮及环境。Thorbek通过利用对不同体重的猪进行氮平衡试验得到的数据, 较早得出了蛋白潜在沉积速率与体重之间的函数关系式:PR=9.25W0.75-0.166W1.50g/d。这一关系式尽管不是非常精确, 但是确实符合动物的实际生长规律: (1) 随动物体重 (W) 趋近于0或体重达到成熟 (213kg) , 体蛋白沉积逐渐趋近于0; (2) 动物体蛋白沉积存在最大值, 此时猪体重为85kg。Whittermore和Fawcett同样利用Thorbek数据得到另外一个函数关系式:PR=60+1.63W-0.0094W2。此关系式最大缺陷在于, 当动物体重趋近于0时, 动物体蛋白沉积仍可以达到60g/d, 显然与事实不符。Whittermore为了简化对动物生长的描述, 也曾试图利用简单的固定的数值来描述动物的潜在生长速率, 不同品种、基因型的动物具有不同的固定数值, 这种认为动物蛋白潜在生长速率仅由基因型决定的观点与动物生长规律严重不符, 也遭到一些学者的否定, 然而仍有一些学者将其应用到动物的生长模型研究中。

除上述函数式之外, Black提出了另外一种描述猪体蛋白潜在生长速率的函数关系式:PR=aWK ( (Pm-P) /Pm) g/d。该函数进步之处在于认为动物体蛋白潜在沉积速率不仅与动物当前体蛋白 (P) 有关, 也与动物成熟体蛋白 (Pm) 有关。另外, 在此函数中, 当K为正值时, Wk表示在一定的动物体蛋白 (P) 条件下, 动物体脂肪含量高则蛋白潜在沉积速率一定程度的增大。此后, Black等对这一函数关系式进行了改进, 提出与之相关的另一函数关系式用以描述猪体蛋白潜在生长速率即PR=K ( (PmP) /Pm) (W+Ws) a, 其中, K、a、Ws及Pm为常数由动物基因型决定, 由于该函数具有四个参数 (K、a、Ws及Pm) 及两个状态变量 (W和P) , 所以此函数具有极大的灵活性。但是Black函数的不足之处在于参数变量多且难以利用试验的方法进行测定。与上述函数形成明显对比的是Emmans根据Gompertz生长函数提出的预测函数关系式:PR=BPmln (Pm/P) g/d。此函数与Black函数相似之处在于认为动物体蛋白潜在沉积速率由动物当前体蛋白及体成熟时蛋白决定, 而较Black函数更为优越的地方在于此函数中除Pm外仅有一个参数B且具有生物学意义。此外, Ferguson和Gous已经显示了如何利用试验方法来估测B和Pm的值。此函数随后被大量学者用于描述动物的体蛋白潜在沉积速率。例如Emmans对火鸡的研究、Kinizetova等对鸡的研究、Kinizetova等对鸭的研究。Whittemore后来也接受并采用了这一函数关系式。正是由于此函数的优越性及通用性, 目前成为不少学者所公认的描述动物体蛋白潜在生长速率的函数。

2.2.3 动物体蛋白及体脂肪实际沉积速率的预测

对动物体蛋白及体脂肪进行预测可以分为两步进行, 首要的一步是对实际蛋白沉积速率的预测;其次是根据动物每日采食的能量及能量分配理论对脂肪沉积进行预测。Whittermore和Fawcett首先提出了猪每日蛋白沉积达不到最大沉积量时的预测公式:PR=ep ( (FI*FCPC*dcp*v) -MP) g/d, 其中, ep:日粮理想蛋白沉积为体蛋白的效率;FI:采食量;FCPC:日粮粗蛋白含量;dcp:粗蛋白消化率;v:日粮蛋白相对于理想蛋白的当量值;MP:维持所需的理想蛋白量。从公式中可看出Whittermore和Fawcett是根据动物每日采食的 (理想) 蛋白量及蛋白沉积效率对实际蛋白沉积速率进行预测, 这一思想成为后来预测蛋白沉积的主要思想。同时, Whittermore和Fawcett认为基因型及动物的年龄不影响ep值的大小, 并简单地将ep值定为1。根据这一观点, 如果动物采食足够低的能量, 能量就会被完全用于蛋白沉积, 而不进行脂肪沉积, 这显然与事实不符。因为即使采食很低的能量, 动物体内也有一定的脂肪沉积。所以, Whittermore和Fawcett就对上述观点进行了补充, 提出动物机体脂肪与蛋白沉积之间存在一个最小比值 (LR:PR) min, 这一比值随动物基因型的不同而不同, 满足此最小比值之后, 蛋白沉积量主要取决于动物每日摄食的蛋白量。尽管这一方法在之后近20年成为预测蛋白沉积的主要方法, 并被许多学者应用于动物生长模型中。然而, Whittermore和Fawcett的蛋白沉积预测方法与动物生物实际状况并不相符, 因为动物在某些情况下, 能够消耗脂肪而沉积蛋白。

近来, Kyriazakis和Emmans提出维持以上理想日粮蛋白用于体蛋白沉积的效率 (净沉积效率) ep直接与日粮能蛋比 (代谢能与可消化粗蛋白) 成一定的线性关系, 直到达到一最大值ep*。此后, 随日粮能蛋比增加, 净沉积效率维持不变。用公式可以表示为:当ep

2.2.4 动物体灰分及水分与体蛋白间的关系

动物体灰分及水分的重量常是通过与体蛋白之间的异速生长关系来进行预测。由于动物机体水分含量较多, 所以对动物体水分含量的准确预测严重影响对动物机体总重预测的准确性。而灰分含量则较少, 所以即使对灰分含量预测出现一定偏差, 对动物总体重的准确预测影响不大。目前, 动物体灰分及水分与体蛋白间的异速生长关系通常用以下幂函数来表示:ASH=k1Pakg, WA=k2Pbkg。利用简单的幂函数来表述这一异速生长关系并非简单的通过对数据的回归拟合得到, 而是具有一定的生物学基础:首先, 动物体的这三种组分都与时间呈Gompertz生长关系;另外, 三者生长速率参数B相同, 所以通过运算可以得出动物体灰分、水分与体蛋白之间呈幂函数关系。Kyriazakis和Emmans及Kyriazakis的等以猪为试验动物进行研究, 结果显示灰分预测公式中参数a的估测值为1, k1的估测值接近于0.20, 两个值都不随动物基因型的改变而改变, 但是k1的值有可能因日粮中蛋白与矿物质的比例不同而不同。同样以猪为试验动物, Emmans和Kyriazakis的试验结果表明, 在猪体水分预测公式中, 参数b的估测值为0.855, 此值不随动物基因型的改变而改变, 而k2的值则受猪基因型的影响, 与猪成熟体重下的体蛋白含量 (Pm) 呈一定函数关系。

2.3 机制性动物生长模型的应用

研究机制性动物生长模型最主要是应用于对动物生长及体组分的预测, 与经验性生长模型相比, 机制性模型并未规定动物必须在非限制性条件下饲养, 这就大大增加了预测动物生长的灵活性。King描述了如何利用一种机制性模型 (BPHL) 来预测日粮对肉仔鸡生长及体组分的影响。此外结合饲料原料种类及价格等信息, 可以开发出相应的商业软件, 用于预测动物养殖效益, 从而帮助养殖者在实际饲养过程中做出正确决策。

3 结语

组分模型 篇2

生活垃圾焚烧飞灰有毒重金属元素含量较高, 并可能含有少量的二恶英等剧毒物质[1], 《国家危险废物名录》已将其列为危险废物。一般要求对飞灰进行固化/稳定化处理, 但处理费用很高, 且处理后仍需填埋, 占用土地资源[2];很多国家已开始研究飞灰的资源化利用途径, 如用作路基材料和堤坝填料、生产陶瓷和玻璃等, 但这些途径没有充分考虑飞灰中有毒物质引起的二次污染问题, 特别是二恶英的污染问题[3]。

水泥工业是目前国际公认的消纳各种废物及固化有害物质的有效途径[4]。黄健等人在不改变现有水泥设备的前提下, 研究了利用水泥窑炉协同处置垃圾焚烧飞灰的技术, 该技术不但可以利用水泥窑的高温实现对二恶英的分解, 还能实现对重金属元素的有效固化, 研究结果令人满意[5,6]。但是, 利用水泥窑炉处置飞灰, 不但要考虑对环境的危害, 还要考虑对生产工艺及窑炉正常运转的影响。飞灰中碱、氯、硫的含量高, 这些组分在窑炉中容易挥发富集, 是影响窑炉正常运转的有害组分;利用水泥窑协同处置垃圾焚烧飞灰, 可能会造成水泥窑预热系统结皮堵塞, 而目前并没有这方面的详细研究及解决措施。因此, 全面了解水泥窑协同处置飞灰过程中碱、氯、硫的挥发与含量、配料率值、煅烧温度的关系, 并建立挥发冷凝模型, 预测其在窑炉中的循环及分布状态, 对提高窑的运转率、及时解决和预报黏结堵塞的可能性十分必要。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1) 飞灰取自广州市李坑生活垃圾焚烧发电站, 为连续10d的混合样, 置于实验室电炉中105℃下烘干;其45μm筛余为30.4%, 80μm筛余为5.5%, 密度为2.43g/cm3, 比表面积为233m2/kg, 其化学成分见表1。

%

2) 化学试剂为Ca CO3、Si O2、Al2O3、Fe2O3、Mg O, 均为化学纯试剂。

1.2 试验方法

1) 生料配制:用化学纯试剂及飞灰混合配制2种率值的生料, 通过调整飞灰的掺量来调整生料中的氯含量, 得到2种率值 (低率值:KH=0.90, n=2.0, P=1.1和高率值:KH=0.90, n=2.7, P=1.6) 4种飞灰掺量的8种生料。

2) 物料煅烧:将配制的生料置于SSX-12-16硅钼棒炉中, 控制电炉温度分别为850℃、950℃、1 150℃、1 250℃、1 350℃和1 450℃, 保温30min, 取出后急冷。

3) 有害组分含量的测定及挥发率的计算:根据GB/T176—1996《水泥化学分析方法》, K2O和Na2O采用原子吸收火焰光度计法测定, 并换算成钠当量 (R2O=0.658K2O+Na2O) , SO3采用硫酸钡重量法测定;Cl-根据JC/T1073—2007《水泥原料中氯离子的化学分析方法》测定。按式 (1) 计算各组分的挥发率:

式中:

S——挥发率, %;

X——煅烧后样品中该组分的含量, mg/kg;

Y——生料中该组分的含量, mg/kg;

Lx——煅烧后样品的烧失量, %;

Ly——生料的烧失量, %。

生料碱、氯、硫含量见表2。

%

2 有害组分的挥发特性

2.1 有害组分含量及配料率值对挥发性的影响

实验室电炉1 450℃煅烧条件下, 碱、氯、硫的挥发率及熟料中的固溶量见图1。

由图1可见, 随着生料中有害组分含量的增加, 碱、氯、硫的挥发率提高, 但是不同组分的挥发率不同。生料中氯的含量为0.1%~0.7%, 相应的挥发率为85%~97%;碱含量为0.03%~0.21%, 挥发率为55%~70%;硫含量为0.04%~0.25%, 挥发率为10%~25%。虽然生料中有害组分的含量不同, 但熟料中的固溶量接近。氯的固溶量为0.01%左右, 碱的固溶量为0.7%左右, 硫的固溶量为2%左右。可见熟料对碱、氯、硫的固溶量有一个限值, 因此生料中掺量越大挥发率越大。总的来说, 氯的挥发性最强, 在熟料中固溶量最小, 对窑炉的危害大, 生产过程中应严格控制生料中的氯含量, 同时应加强对由氯引起的结皮区域的清堵;硫的挥发率最低, 在熟料中的固溶量最大, 因此其对窑炉的危害相对较小;碱在煅烧过程中形成氯化碱或硫酸碱[7], 伴随氯和硫的挥发而挥发, 其挥发率和固溶量均在氯和硫中间, 对窑炉的正常运转也会带来较大的危害。

另外, 低率值样品中碱、氯、硫的挥发率均比高率值样品小, 这是因为低率值配方易烧性较好, 煅烧过程中产生较多的液相量, 有利于碱、氯、硫组分的固溶。因此, 利用水泥窑协同处置飞灰, 为了降低有害组分的影响, 可用低率值配方进行生产。

2.2 煅烧温度对有害组分挥发性的影响

选取两种飞灰掺量 (2.0%和4.6%) , 研究不同煅烧温度对碱、氯、硫挥发率的影响, 结果见图2。

由图2可见, 随着煅烧温度的升高, 碱、氯、硫的挥发率加大;飞灰掺量越大, 碱、氯、硫的挥发率也越大;低率值配方的挥发率比高率值配方的小, 低率值配方有利于对碱、氯、硫的吸收和固溶, 有利于降低对窑炉的危害。

虽然碱、氯、硫的挥发率随煅烧温度的升高而增大, 但各组分在不同煅烧温度下的挥发率差别较大。氯的挥发率在950℃以下时很低, 1 150℃时挥发率开始升高, 且随着煅烧温度的上升, 挥发率急速上升, 1 450℃时挥发率高达97%;硫的挥发率在1 150℃以下时较低, 1 250℃时挥发率开始升高, 但升高幅度相对较小, 1 450℃下其挥发率仅为20%;碱的挥发由于是伴随着氯和硫的挥发而进行的, 因此其挥发率在950℃以下时也很低, 1 150℃挥发率开始随温度的上升而升高, 且1 250℃后挥发率大幅度上升, 这是因为氯和硫在此时同时挥发对碱造成综合消耗导致的, 1 450℃下其挥发率达到70%。可见, 不同元素的开始挥发温度点、最大挥发温度点、不同温度的挥发率等均不同, 这些决定了其在水泥窑中的挥发、冷凝及富集发生的部位, 结合工业窑炉的温度分布情况, 建立挥发冷凝模型, 可进一步预测其在窑炉中的循环及分布状态。

3 有害组分在工业窑炉中的挥发冷凝模型及对窑炉运转的影响

在预分解窑的生产过程中, 常常会因挥发性组分的挥发和富聚而导致结皮, 影响生产设备的正常运转, 当原料中有害组分含量较高时, 这种现象更加严重。由于垃圾焚烧飞灰中有害组分含量高, 为了保证生产的正常进行, 本文对有害组分的挥发和冷凝模型进行研究, 并结合广州珠江水泥厂窑炉的实际工艺情况进行分析。

3.1 挥发冷凝模型

工业窑炉中, 挥发是指物料从低温到高温, 物质逐渐释放出来的一个过程;而冷凝是指物质随温度降低, 从气相变为液相, 甚至固相的一个过程。对工业窑炉中有害组分的挥发和冷凝进行模型模拟如图3所示:物料煅烧过程中有害组分的挥发可划分为A、B、C、D四个点, A点定义为开始挥发点, B点为最大挥发速度点 (斜率最大) , C点为接近最大挥发量点, D点为挥发饱和点;挥发和冷凝是两个相反的过程, 因此把冷凝过程划分为A′、B′、C′、D′四个点, A′点定义为开始冷凝点, B′点定义为最大冷凝速度点, C′点定义为接近最大冷凝量点, D′点定义为完全冷凝点。工业窑炉中, 有害组分挥发出来后首先进入热空气中, 但同一煅烧区间的热空气温度往往高于物料温度, 因此挥发区间和冷凝区间并不完全重合。另外, 根据多元相图理论可知碱、氯、硫的挥发温度不是一个温度点, 而是一个温度区间, 因此A、B、C、D点是指某一煅烧温度附近的温度区间。

根据前述的试验结果表可知, 对于氯的挥发, A点物料温度应在850~950℃左右, B点应在1 150~1 250℃左右, C点应在1 350℃左右, D点应在1 450℃左右;碱的挥发温度点和氯相近;硫的挥发温度比氯、碱高, 因此其A点温度应在950~1 150℃左右, B点应在1 250~1 350℃左右, C点应在1 350~1 450℃左右, D点应在1 450℃以上。冷凝过程和挥发过程相反, 因此推测对于氯的冷凝, A′点热空气温度应在1 450℃左右, B′点应在1350℃左右, C′点应在1 150~1 250℃左右, D′点应在850~950℃左右;碱的冷凝温度点和氯相近;硫的冷凝温度比氯、碱高, 因此硫冷凝的A′点温度应在1 450℃以上, B′点应在1 350~1 450℃左右, C′点应在1 250~1 350℃左右, D′点应在950~1 150℃左右。

实际生产过程中, 工业窑炉是一个相对封闭的系统, 因此窑炉中有害组分的挥发和冷凝在总量上存在一个相对的平衡, 即挥发率=冷凝率, 但由于挥发和冷凝不是同时发生, 因此不同煅烧区间有害组分的挥发和冷凝往往不平衡。高温煅烧区, 挥发率>冷凝率, 有害组分大量挥发, 但不会产生结皮, 这个区域对窑炉的正常运转没有影响, 称之为完全挥发区;煅烧温度较低的区间, 挥发率=冷凝率, 有害组分的挥发和冷凝相对平衡, 表现为窑炉有一定程度的结皮, 但不影响正常生产, 称为动态平衡区;低温区, 挥发率<冷凝率, 有害组分不挥发或者是挥发很少, 但在高温区挥发出来的有害组分却在这时大量冷凝, 表现为窑炉中产生结皮, 情况严重时会使窑炉堵塞, 影响正常生产, 这个区间称为结皮区。

3.2 有害组分对工业窑炉的影响

广州珠江水泥厂的窑系统带有双系列 (窑列和炉列) 五级悬浮预热器, 分解炉为FLS喷腾式分解炉。物料自上而下经过各级旋风筒后进入窑中进行煅烧, 物料温度不断上升, 有害组分在这个过程中挥发出来, 进入热空气中;而窑中的热空气则进入上升烟道, 然后进入五级旋风筒, 最后通过一级旋风筒进入窑尾除尘器, 这个过程中热空气的温度不断下降, 有害组分冷凝富集, 容易使设备产生结皮堵塞。

结合前面的试验结果和窑炉中物料和热空气温度的分布情况可推断, 氯的挥发A点物料温度在850~950℃左右, 应在窑尾区域;B点在1 150~1 250℃左右, 应在距离窑头55m处;C点在1 350℃左右, 应在距离窑头32m处;D点在1 450℃左右, 应在窑头附近12m左右范围。碱的挥发温度及区间和氯的相近。硫的挥发温度比氯、碱的挥发温度高, A点在950~1 150℃左右, 应在距离窑头65m左右;B点在1 250~1 350℃左右, 应距离窑头32m处;C点在1 350~1 450℃左右, 应在距离窑头12m附近;D点在1 450℃以上, 应窑头附近区间, 但回转窑中物料一般略低于1 450℃, 因此硫的挥发饱和点在煅烧过程中可能不存在。可见, 碱、氯、硫的挥发均在窑体中发生, 在窑尾区域开始挥发, 烧成带附近区域大量挥发, 而窑头附近达到最大挥发量点或者挥发饱和点。

冷凝过程和挥发过程相反, 而窑炉中热空气的温度比物料温度一般高200~300℃, 因此氯、碱的冷凝A′点热空气温度在1 450℃左右, 应在距离窑头约55m处;B′点在1 350℃左右, 应在距离窑头约65m附近区域;C′点在1 150~1 250℃左右, 应在窑尾及上升烟道入口处;D′点在850~950℃左右, 应在上升烟道及五级筒处。硫冷凝的A′点温度在1 450℃以上, 应在距离窑头65m至窑头区间;B′点在1 350~1 450℃左右, 应在距离窑头约55m处;C′点在1 250~1 350℃左右, 距离窑头约65m附近区域;D′点在950~1 150℃左右, 应在窑尾及上升烟道。可见, 碱、氯、硫大量冷凝及富集主要发生在窑尾部分区域和上升烟道及五级筒附近区域。

结合碱、氯、硫的挥发和冷凝区域可知, 窑炉中碱、氯、硫的完全挥发区应在距离窑头32m处到窑头处, 动态平衡区应在窑尾附近区域, 而结皮区主要集中在窑尾烟室、上升烟道及五级筒中。窑尾、上升烟道和五级筒附近为主要冷凝及富集区域, 由于硫的冷凝温度高于氯的冷凝温度, 因此硫的主要冷凝及富集区间应趋向于热空气温度相对较高的上升烟道中, 而氯应趋向于五级筒附近。

图4为窑尾的局部放大示意图, 从窑尾上升烟道入口处标记为JPS01, 至上升烟道与五级筒连接处标记为JPS07。

上升烟道JPS01直接连接窑尾烟室, 热空气温度在1 150℃以上, 这个区域硫的冷凝相对较少, JPS02附近为窑尾烟道的喂料口所在, 温度较低的物料经过20多米的自由落体后, 与炽热的烟气混合, 产生剧烈扰动, 形成高度紊流区, 小颗粒物料由于表面能较高, 容易吸收烟气中的各种挥发性组分 (特别是硫组分) , 在表面形成较多的液态物质。在高度紊流区内, 物料与烟道管壁产生剧烈碰撞, 小颗粒物料在碰撞过程中, 由于其表面附有较多的液相, 较容易黏附在管壁上形成结皮[8]。因此该区域为产生结皮堵塞的区域, 并且结皮中的主要挥发性组分将以硫为主。

JPS06处上升烟道形状由方变圆, 气流和物料的扰动加剧, 小颗粒物料与管壁的碰撞增加, 此时的小颗粒物料在运行的过程中, 充分地吸收了烟气中的挥发性组分, 因此推断此处结皮也较严重。由于这个区域的热空气温度比JPS01处已下降很多, 因此碱、氯、硫均有可能在此处冷凝成为结皮的主要成分, 但由于硫化物的熔融温度较氯化物高, 因此如烟气中硫含量较高, 则该区域的结皮仍首先以硫的冷凝富集为主。

富含挥发性组分的烟气进入五级筒后, 一方面由于热空气温度进一步降低, 另一方面烟气与物料充分扰动混合, 进行热交换的同时大量的挥发性组分黏结在细小颗粒物料上并形成熔融体, 在与筒壁碰撞的过程中凝结成固体, 结在筒壁上, 因此五级筒也是形成结皮的主要区域。五级筒的气体温度在830℃附近, 筒壁受外界影响温度更低, 而氯化钾的熔融温度为768℃, 氯化钠的熔融温度为801℃[9], 因此五级筒中的结皮应以氯及随之冷凝的碱为主。

综上所述, 根据有害组分在窑炉中的挥发及冷凝特征模型及工业窑炉中的温度分布情况, 可断定碱、氯、硫引起的结皮主要发生在上升烟道及五级筒附近区域, 而上升烟道中的结皮以硫的冷凝富集为主, 五级筒中的结皮以氯、碱的冷凝富集为主。因此生产过程中, 可根据生料中碱、氯、硫的含量, 对这个区域进行重点关注, 及时清除结皮以保证生产的正常进行。

4 结论

1) 掺垃圾焚烧飞灰配料进行煅烧, 随着飞灰掺量的增加, 生料中有害组分的含量增加, 碱、氯、硫挥发率提高;1 450℃时, 氯的挥发率为85%~97%, 碱为55%~70%, 硫为10%~25%;不同飞灰掺量下, 熟料中氯的固溶量约为0.01%, 碱约为0.7%, 硫约为2%, 熟料对碱、氯、硫的固溶有一个限值范围。

2) 随着煅烧温度的升高, 碱、氯、硫的挥发率加大, 但不同元素挥发规律不同;氯和碱在1 150℃时挥发率开始提高, 且随温度升高挥发率大幅提高;硫在1 250℃时挥发率开始升高, 随温度升高挥发率上升幅度较小。

3) 低率值配方样品中有害组分的挥发率比高率值配方样品小, 低率值配方有利于碱、氯、硫的固溶, 降低对窑炉的危害。

4) 根据碱、氯、硫的挥发特性, 结合水泥窑中物料和热空气的温度分布情况, 建立了有害组分的挥发及冷凝特征模型;以广州珠江水泥厂为例, 推测由碱、氯、硫引起的结皮主要发生在上升烟道及五级筒附近, 且上升烟道中的结皮以硫的冷凝富集为主, 五级筒中的结皮以氯和碱的冷凝富集为主。

参考文献

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微波萃取天然物活性组分 篇3

微波萃取技术是将被萃取原料浸于某选定溶剂中,通过微波反应器发射微波能,使原料中的化学成分迅速溶出的技术和方法。1986年R.N.Gedye[1] 等人将样品放置于普通家用微波炉里,仅几分钟就可萃取传统加热需要几个小时甚至十几个小时的目标物质。20世纪90年代初,由加拿大环境保护部和加拿大CWT-TRAN公司携手开发了微波萃取系统,现已广泛应用到香料、调味品、天然色素、中草药、化妆品和土壤分析等领域,并于1992年开始陆续取得了美国、墨西哥、日本、西欧、韩国的专利许可。法国PROLABO公司于1994年成功研制

出了萃取和有机反应两用微波仪SOX-100。随着技术的不断完善,微波萃取已用于农药残留、有机污染物、金属及其化合物、人血(或血清)、中药物、植物有效成分的萃取分离过程中,其应用范围遍及环境分析、化工分析、食品分析、天然产物提纯、矿物处理、生化分析、临床应用等领域。

1 微波萃取技术原理

1.1 微波萃取原理

微波是一种波长在1mm～1m(其相应的频率为300～30万MHz)的电磁波。微波能是一种由离子迁移和偶极子转动引起分子运动的非离子化辐射能。当它作用于分子时,促进了分子的转动运动,分子若此时具有一定的极性,便在微波作用下瞬时极化,当频率为2450MHz时,分子就以24.5亿次/s的速度做极性变换运动,从而产生键的振动、撕裂和粒子之间的相互摩擦、碰撞,促进

分子活性部分(极性部分)更好地接触和反应, 同时迅速生成大量的热能,引起温度升高[2,3]。

在用微波辅助提取植物有效成分的过程中,微波透过对微波透明的溶剂,到达植物物料内部维管束和腺细胞内,细胞内温度突然升高,连续的高温使其内部压力超过细胞空间膨胀的能力,从而导致细胞破裂,细胞内的物质流出,传递到周围被溶解。进一步加热导致细胞内部和细胞壁水分的减少,细胞收缩、表面出现裂纹,孔洞和裂纹的存在使胞内物质容易释放出来,而胞外溶剂容易进入细胞内溶解并释放出胞内产物,从而有效提高提取效率[4]。

1.2 微波萃取的特点

微波萃取技术作为一种新型的萃取技术,有如下特点[5]:

①快速高效,样品及萃取溶剂中的极性分子在高频微波场中短时间内产生大量热量,极性分子高速运动导致弱氢键的断裂、离子迁移,加速了萃取溶剂对样品的渗透,待分离成分很快溶剂化,使萃取时间显著缩短。

②有高度的选择性,微波只对极性分子进行选择性加热,因此,活性成分分子极性越强,选择性越高。

③加热均匀,微波加热是通过内加热进行的,形成独特的物料受热方式,整个样品被加热无温度梯度,具有加热均匀性的优点。

④具有节物、节能、环保的优越性,微波萃取一方面由于微波功率较小且辐射时间短,是传统方法能耗的几十分之一,甚至几千分之一。另一方面它又由于受溶剂亲和力的限制较小,可供选择的溶剂较多,在选择无毒或低毒溶剂的同时还可减少其用量。

2 微波萃取的设备及步骤

2.1 微波萃取的设备

微波萃取装置[3]一般为带有功率选择和控温、控压、控时附件的微波制样设备。用于微波萃取的设备分两类:一类为微波萃取罐,另一类为连续微波萃取线。两者主要区别:一个是分批处理物料,类似多功能提取罐;另一个是以连续方式工作的萃取设备。一般由聚四氟乙烯材料制成专用密闭容器作为萃取罐,它能允许微波能自由通过、耐高温高压且不与溶剂反应。一般设计每个系统可容纳多个萃取罐,因此试样的批处理量大大提高。

2.2 微波萃取的步骤

微波萃取工艺过程[5]:将极性溶剂或极性溶剂和非极性溶剂混合物与被萃样品混合装入微波制样容器中,在密闭状态下,用微波制样系统加热,加热后样品过滤得到的滤液可进行分析测定,或作进一步处理。微波萃取溶剂应选用极性溶剂,如乙醇、甲醇、丙酮、水等,纯非极性溶剂不吸收微波能量,使用时可在非极性的溶剂中加入一定浓度的极性溶剂,不能直接使用纯非极性溶剂。在微波萃取中要求控制溶剂温度保持在沸点以下和在待测物分解温度以下。

微波萃取工艺流程:

选料→清洗→粉碎→微波萃取→分离→浓缩→干燥→粉化→产品

3 从天然产物中提取生物活性成分

3.1 微波萃取油脂类化合物

微波萃取油脂类化合物目前研究较多。在国外,Szentmihalyi等[7]利用微波萃取技术从废弃的蔷薇果种子中提取具有医用价值的野玫瑰果精油,通过超声波、微波、超临界萃取3种方法的对比,发现萃取率分别为16.25%～22.11%、35.94%～54.75%和20.29%～26.48%,可看出,微波萃取具有较好的效果。MAliciaOrtiz等[8]从鳄梨果肉中萃取功能性脂肪酸,萃取方法采用微波辅助萃取,萃取率可达到67%(占全油脂),适宜于工业化生产。Lucchesi等[9]利用微波照射干馏(无溶剂微波萃取)法从罗勒、薄荷花、百里香中提取香精油。实验结果表明,无溶剂微波萃取法适宜于香精油的提取。Chen SS[10]对微波萃取法提取迷迭香和薄荷叶中的挥发油进行了研究,考察了介电常数、叶重、微波强度等因素,结果表明,组份的介电常数决定了微波加热的类型。

刘晓庚等[11]从山苍子中提取柠檬醛,用微波辐照水蒸馏提取山苍子果实中的精油,发现微波法的提取时间只是传统的水蒸气蒸馏法提取时间的1.4倍,但微波法提取的精油得率较传统法增加了2.48%,而且精油中柠檬醛的含量提高了6.14%以上。王平艳[12]用微波法和压榨法分别提取葵花籽油,结果发现微波法的出油率高,而且从油品质来看,两种方法所得油的色泽、清亮度及成分都相差不大。另外,用压榨法不能压榨出油的饼粕,而用微波法可将其提取出来。因此,用微波萃取法提取葵花籽油具有优越性。王琴等[13]用微波法萃取芝麻油,微波萃取所需时间仅为常规提取的1/200,提取率则较常规提取法提高近5%。石若夫[14]用微波辐照诱导萃取法萃取香叶天竺葵的挥发油,香料提取得率高、质量优、萃取时间短,而且减少了原料预处理费用,并对环境无害。

3.2 微波萃取天然产物皂苷类的研究

王家强等[15]比较研究了微波辅助萃取技术与水浴加热回流法提取重楼皂苷的试验结果,考察了实验时间、次数等因素对含量的影响,发现微波处理5min的效果与2h常规加热相同,且杂质含量少。王威等[16]用微波法研究了由高山红景天根茎提取红景天苷,并与乙醇回流法进行了比较,结果显示微波处理1.5min,水提10min得到的红景天苷不仅与70%乙醇溶液回流2h的效果相当,而且提取液中蛋白质含量降低了近40%。

3.3 微波萃取天然产物黄酮类的研究

林棋等[17]人采用微波萃取技术对花生壳中的天然黄色素及其稳定性进行了研究。筛选的工艺条件是pH=3,体积分数70%的乙醇水溶液作提取剂,微波辐射功率120W,辐射时间200s。该色素值适用范围比较广,尤其碱性状态效果最佳,对光、热稳定性好,对氧化剂H2O2的耐受能力较差,对还原剂Na2SO3的耐受能力强。赵二劳等人[18]以体积分数70%的乙醇为萃取液,用单因素分析与正交试验相结合的方法,萃取沙棘叶黄酮优化条件为:微波功率560W,萃取时间6min,料液比1∶20。分析测定沙棘叶中黄酮类化合物的含量为3.068mg/g。刘峙嵘等[19]人对银杏叶黄酮类化合物进行了微波萃取研究,并与传统溶剂萃取黄酮类化合物方法相比,结果表明,微波萃取法更简单,而且具有萃取时间短、成本低、萃取效率高,提取物中黄酮类化合物含量高,且溶剂损耗较少。微波辐射5min后抽提的提取率按鲜银杏叶重计可达到0.536%,是传统工艺抽提1.5h提取率的2.2倍。王莉等[20]用微波法从车前草不同部位提取黄酮,发现车前草各部位均含有黄酮,根、叶、穗中总黄酮含量分别为3.56%,3.78%,5.21%。王娟等[21]采用均匀设计法对微波萃取葛根中黄酮有效成分的提取工艺进行了考察,优化的最佳工艺条件是:微波辐射功率255W,辐射时间15min,固液比1∶9,浸泡时间1h。郭振库等[22]对黄芩中黄芩苷的微波提取作了研究,用正交设计优选的最佳工艺:用微波辐射功率585W,以35%乙醇作溶剂,溶剂30倍量,压力0.15MPa,恒压辐射时间30s秒即可获得较好的得率,比超声法高出近10%。应用微波萃取黄酮的研究还很多,但以上研究事例说明微波萃取的特点是速度快,效率高,节能环保。

3.4 微波萃取其它活性物质

Hao Jinyu等[23]用微波萃取技术从黄花蒿中提取青蒿素,考察了不同溶剂、微波辐照时间、物料粉碎度等工艺条件对提取率的影响,与其它几种提取方法进行比较。结果表明提取率随物料粉碎度、溶剂与物料比、正乙烷/环己胺混合溶剂的介电常数的增加而增加。周志等[24]将微波技术应用于咖啡碱的浸提过程。不仅避免了氯代烷等有毒试剂的使用,提高了产品的安全性,而且还很有效地提高了生产效率。黄若华用微波萃取鸢尾,与传统索氏提取法相比,具有萃取时间短,溶剂用量少,溶剂回收率高,产品提取率高,香气纯正等优点;与超临界二氧化碳萃取法相比,又具有成本低、投资少、产品质量高等优点。

4 总结

钢渣全组分梯级利用研究 篇4

1 试验

1.1 试验原料

钢渣:试验选用钢渣为葛洲坝武汉道路材料有限公司嘉鱼生产基地所生产的钢渣集料, 粒径为16~9.5mm、9.5~4.75mm、4.75~0mm, 密度分别为3.157g/cm3、3.205g/cm3、3.21g/cm3, 试验所用钢渣陈化时间均超过1年。

玄武岩:试验选用京山玄武岩, 粒径为16~9.5 mm、9.5~4.75 mm, 密度分别为2.856g/cm3、2.823g/cm3。

石灰岩机制砂:试验选用阳新石灰岩, 粒径为4.75~0mm, 密度为2.725g/cm3。

石灰石粉:试验采用阳新石灰岩磨制的石粉, 表观相对密度为2.706g/cm3, 亲水系数为0.8, 粒径范围均在JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》所要求的范围内。

矿渣微粉:试验选用武汉冶金渣环保工程有限公司生产的S 95级矿粉。

钢渣粉:试验选用经磨细至比表面积为450~500cm2/g的钢渣粉。

沥青:试验选用SBS改性沥青, 其各项性能指标见表均满足JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。

水泥:试验选用三峡牌P·O42.5水泥, 其各项性能指标见表1。

1.2 试验方案

1) 钢渣粗集料在沥青混凝土中的应用

试验分别选用钢渣与玄武岩作粗集料, 与石灰岩细集料和石灰石粉进行级配优化, 配制AC-13沥青混合料, 并进行最佳油石比和混合料性能对比, 合成级配曲线见图1。

2) 钢渣细集料在砂浆中的应用试验分别选用石灰岩机制砂和4.75~0mm钢渣作为细集料来制备砂浆, 并对其工作性和力学性能进行研究。由于钢渣与石灰岩密度差别较大, 试验拟在保证砂浆体积相同的情况下, 采用钢渣等体积取代石灰岩机制砂的方式来制备砂浆, 取代比例分别为0、20%、40%、60%、80%、100%, 具体试验方案见表2。

3) 钢渣粉作为混合材在水泥生产中的应用由于钢渣中含有与水泥熟料相似的C3S、C2S等具有水化活性的矿物, 试验拟采用磨细钢渣粉代替部分硅酸盐熟料来制备水泥。将4.75~0mm的钢渣细集料单独粉磨90min后, 其比表面积为475cm2/g, 等质量分别取代0%、10%、20%、30%、40%、50%的熟料, 研究钢渣粉对水泥性能的影响, 具体试验方案见表3。

2 结果与讨论

2.1 钢渣沥青混合料试验结果

AC-13沥青混合料试验结果见表4。从性能对比试验结果可知, 钢渣AC-13各项性能均满足规范要求, 且与玄武岩AC-13试验结果非常接近。由试验结果可知, 钢渣AC-13具有很好的高温稳定性和水稳定性。钢渣AC-13最佳油石比略高于玄武岩AC-13, 这主要是因为钢渣粗集料颗粒空隙率略高于玄武岩, 在几近相同矿料级配的情况下, 钢渣集料表面吸附的沥青高于玄武岩, 但是钢渣集料低成本的优势可以充分弥补钢渣AC-13油石比略高造成的成本增加, 因此并不影响钢渣在沥青混凝土中的应用。钢渣AC-13的浸水膨胀率也高于玄武岩, 这主要是由经自然陈化后未完全消解的游离氧化钙和氧化镁造成的, 但是其膨胀率也远低于规范要求的上限。此外, 钢渣AC-13的水稳定性能甚至高于玄武岩AC-13, 这主要是因为钢渣属碱性集料, 能提高沥青在其表面粘附力, 而且钢渣表面较玄武岩更加粗糙, 增大了与沥青接触面积, 从而提高了水稳定性[8]。

2.2 钢渣砂浆试验结果

钢渣砂浆稠度的强度的试验结果见图2。采用等体积法取代石灰岩机制砂的目的是保证混合料的体积不变, 保证不会因混合料体积的变化对砂浆工作性能造成影响。由试验结果可知, 砂浆的稠度和抗压强度的总体趋势是随着钢渣掺取代量的增加而降低。当钢渣掺量在20%~40%时, 稠度和抗压强度与纯机制砂砂浆基本相同, 这主要是因为钢渣中细颗粒含量高于石灰岩机制砂, 这些细颗粒的微集料效应能够改善机制砂的级配, 保障砂浆的流动性, 此外也能使砂浆颗粒体系更加致密, 从而保证其强度。随着钢渣掺量的继续增加, 在相同体积的情况下, 细颗粒比例更大, 导致颗粒体系总的比表面积增加, 颗粒表面吸附水过多, 降低了砂浆体系的有效拌合水, 因此砂浆的工作性明显降低, 砂浆工作性的降低随之降低了砂浆的成型质量, 导致砂浆密实度降低, 因此砂浆的强度也明显降低。

2.3 钢渣混合材试验结果

钢渣对水泥性能影响的实验结果见表5。由试验结果可知, 掺入钢渣粉后, 水泥安定性均合格, 其标准稠度用水量、凝结时间随钢渣粉掺量的提高而增加, 抗折抗压强度则依次降低。当掺入10%~20%的钢渣粉时, 水泥性能达到了P·O42.5的标准。钢渣中的C3S、C2S可认为是过烧的熟料, 其活性要远低于熟料中的C3S、C2S, 往往需要通过活性材料的激发才能释放出活性, 因此在此前试验的基础上采用矿渣微粉作为激发剂, 取代50%的水泥进行了矿渣与钢渣复配的试验, 试验方案与试验结果见表6。由结果可知, 采用钢渣与矿渣复掺代替50%的水泥时, 其强度远高于单独采用钢渣代替50%的水泥, 特别是采用30%的钢渣和20%的钢渣粉复配时, 水泥强度仍然达到了P·O42.5的标准。原因在于钢渣的胶凝性能主要来源于钢渣中过烧的C2S和C3S, 而矿渣胶凝性主要来源于颗粒表面活性硅钙质玻璃体的水化。水泥水化产物Ca (OH) 2与活性硅钙质玻璃体和过烧的C2S和C3S发生反应, 生成低钙型的水化硅酸钙凝胶[9]。钢渣与矿渣复合可以相互激发、促进水化, 从而在大量替代熟料的情况下提高水泥的强度。

3 结论

传统钢渣资源化利用往往只选用某一部分的钢渣颗粒, 导致钢渣资源化利用率不足。本研究针对不同粒径钢渣的提出了一种钢渣全组分梯级利用的方式, 实现钢渣的100%应用于建材行业。主要思路是将4.75mm以上的钢渣粗颗粒充当粗集料用于沥青混凝土路面, 将4.75mm以下的钢渣充当细颗粒用于建筑砂浆行业, 将钢渣细颗粒粉磨至一定细度后用作水泥混合材。通过实验, 得出以下结论:

a.钢渣AC-13的各项性能与玄武岩AC-13基本相同, 且钢渣AC-13的水稳定性略优于玄武岩AC-13。

b.在砂浆中掺入20%~40%的钢渣细集料时, 其工作性与强度与普通机制砂砂浆基本相同。

c.在熟料中单独掺入10%~20%的磨细钢渣粉时, 所制备的水泥能够达到P·O42.5的标准, 当采用钢渣粉与矿渣微粉复掺代替50%的熟料时, 30%的钢渣粉和20%的矿渣微粉复掺所制备的水泥强度明显高于单独采用50%的钢渣粉代替熟料, 且仍然能够达到P·O42.5的标准。

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变压吸附处理二组分有机废气 篇5

本文利用两塔三步骤变压吸附装置实验研究了变压吸附对高浓度二元有机废气的净化,考察了影响净化效果的几种因素,为变压吸附在多组分有机废气处理领域的进一步研究和市场应用提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1. 1 实验材料

吸附剂: 活性炭CNA - 230 ( 柱状,吸附前,在403 K下至少干燥3 h) ,天一科技绵阳活性炭厂。

吸附质: 甲苯、二甲苯( 分析纯) ,长沙化学试剂厂。

1. 2 实验装置

该装置由配气系统、变压吸附装置、测试系统和数据处理系统组成,如图1 所示。抽取的室内空气先经过装填硅胶的干燥柱,使空气中的水分得以干燥。经干燥后的空气被分成两部分,一部分直接进入无油空压机储罐,另一部分先分别进入两个微型喷淋塔,在微型喷淋塔内与循环喷淋的液态有机溶剂逆向接触,液态溶剂部分挥发而进入气流中,在一定温度下,形成了具有一定浓度的甲苯、二甲苯蒸气与干燥空气的混合物,无油空压机将该混合气体送入吸附装置中进行吸附,在气体进入吸附柱前的管道上有一个旁通,用于测定吸附柱入口气体的浓度。实验用吸附柱为不锈钢管( Ф 66 mm) ,管内装填活性炭吸附剂。吸附后的气体用管道引到室外,该管道上设有一个旁通,用于测定吸附后有机蒸气的浓度。在两个吸附柱内吸附与脱附同时进行,通过阀门的启闭控制各步骤的发生。吸附柱中的空塔气速通过载气和有机蒸汽流量计来调节。在每个吸附柱的上部和下部设有两个温度测点,以测定吸附柱中的温度,图1 中T代表温度测点,压力测点设在吸附柱的上部,P表示压力测点。

1. 3 实验方法

变压吸附过程采用两塔,三步骤( 常压吸附,真空脱附,升压) 循环,净化气回流作为脱附气。步骤及时间分配如表1所示。

1. 4 甲苯、二甲苯浓度的测定

变压吸附装置进口和出口甲苯、二甲苯浓度的测定采用气相色谱法。待测气体使用六通阀进样,FID检测。色谱条件为: 柱室温度373. 15 K,色谱柱为毛细管柱,检测室温度373. 15 K,载气为高纯氮气。

2 结果与分析

2. 1 脱附压力( 脱附气流量) 对处理效果的影响

吸附柱装填0. 2 m活性炭,在293. 15 K,湿度为25%的条件下对甲苯、二甲苯二元有机气体进行变压吸附处理,二元有机气体流量为0. 75 m3·h－ 1,吸附装置进口处的浓度为: 甲苯13. 65 g·m－ 3,二甲苯40. 50 g·m－ 3。变压吸附步骤如1. 3 节所描述。实验过程中,吸附柱内温度变化在2 K以内,可不考虑温度的影响。

图2 是在相同的操作条件下,脱附压力的改变对净化气浓度的影响。图中左侧纵坐标Cx表示二甲苯浓度,右侧纵坐标Ct表示甲苯浓度,横坐标P表示脱附压力。脱附压力越大,脱附气流量越大,净化气流量越小,有机气体被浓缩的倍数减少,越不利于有机气体的回收。从图2 中可以看出: 脱附压力从0. 015 ~0. 035 MPa的范围内,脱附压力增大,吸附柱出口二甲苯的浓度降低,这是因为脱附气流量增大的缘故,同时净化气流量减少,脱附气浓度降低不利于有机气体的回收; 而吸附柱出口甲苯浓度随压力增大先降低,当脱附压力大于0. 30 MPa时又有所上升,说明甲苯与该活性炭的结合力较大,当脱附压力较大时增大脱附气的流量对甲苯的脱附无效果,因为脱附压力增大脱附力减弱,真空脱附过程甲苯脱附不完全,使得吸附柱出口甲苯浓度增大。因此以活性炭为吸附剂采用变压吸附处理甲苯、二甲苯废气时,脱附压力不宜高于0. 30 MPa,因为此时净化气浓度会上升,且脱附气流量增大,浓度降低,不利于有机气体的回收。

2. 2 湿度对处理效果的影响

吸附柱装填0. 2 m活性炭,在293. 15 K,脱附压力为0. 025 MPa的条件下对甲苯、二甲苯二元有机气体进行变压吸附处理,二元有机气体流量为0. 75 m3·h－ 1,吸附装置进口处的浓度为: 甲苯13. 65 g·m－ 3,二甲苯40. 50 g·m－ 3。变压吸附步骤如1. 3 节所描述。

图3 是在相同的操作条件下,相对湿度的改变对净化气浓度的影响。图中左侧纵坐标Cx表示二甲苯浓度,右侧纵坐标Ct表示甲苯浓度,横坐标RH表示相对湿度。从图3 中可以看出: 在相同的操作条件下,净化气浓度随着相对湿度的增大而增大,水蒸汽的存在对有机气体在活性炭上的吸附有抑制作用。当RH < 50% 时,抑制作用较小可以忽略不计; 当RH >60% 时抑制作用随相对湿度的增大变得非常明显。在有机气体-水蒸汽的体系中,水蒸汽优先被吸附,优先吸附的水蒸汽可以导致活性炭有效吸附容积减少和孔隙表面特性的改变［12 －13］,对有机气体的吸附产生不利的影响。研究中还发现,水蒸汽对有机气体吸附的抑制作用与脱附压力无关,这可能是水蒸汽在活性炭上的吸附对压力不敏感。

2. 3 二组分之间的相互影响

吸附柱装填0. 2 m活性炭,在293. 15 K,湿度为25%,脱附压力为0. 030 MPa的条件下对甲苯、二甲苯二元有机气体进行变压吸附处理,二元有机气体流量为0. 75 m3·h－ 1。变压吸附步骤如1. 3 节所描述。首先,维持进气中二甲苯浓度为40. 50 g·m－ 3不变,改变进气中甲苯浓度,考察净化气中二甲苯浓度的变化,然后维持进气中甲苯浓度为13. 65 g·m－ 3不变,改变进气中二甲苯浓度,考察净化气中甲苯浓度的变化。

图4 是在相同的操作条件下,甲苯、二甲苯之间的相互的影响。图中左侧纵坐标Ct表示甲苯浓度,右侧纵坐标Cx表示二甲苯浓度; 下侧横坐标Cxin表示进气中二甲苯的浓度,上侧横坐标Ctin表示进气中甲苯的浓度。从图4 可以看出: 维持进气中二甲苯浓度不变,吸附装置进气中甲苯浓度增大,则净化气中二甲苯的浓度增大; 维持进气中甲苯浓度不变,进气中二甲苯浓度增大时净化气中甲苯的浓度增大。这是由于该活性炭对甲苯、二甲苯的吸附量相当,甲苯与二甲苯之间存在竞争吸附［14］,一种物质在活性炭上的吸附会阻碍另一种物质的吸附。

3 结论

采用常压吸附,真空脱附的变压吸附过程处理甲苯、二甲苯二元有机废气时,脱附时压力不宜高于0. 30 MPa。水蒸汽的存在对变压吸附处理甲苯、二甲苯废气的效果有负面影响,当相对湿度RH <50%时,负面影响可以忽略; 当RH > 60% 时负面影响迅速增大。变压吸附过程中,甲苯、二甲苯之间存在竞争吸附,进气中一种物质浓度的增大会使得另一种物质在净化气中的浓度升高。

摘要：变压吸附(PSA)处理挥发性有机气体是一个新的领域。以活性炭CAN-230为吸附剂,采用两塔三步骤变压吸附过程对甲苯、二甲苯混合气体进行处理,考察了脱附压力、湿度等因素对处理效果的影响以及甲苯、二甲苯之间的相互影响。结果 表明:采用常压吸附、真空脱附的变压吸附过程处理甲苯、二甲苯二组分废气时,脱附压力不宜高于0.03 MPa;相对湿度在50%以下时,对处理效果的影响不大,当相对湿度大于60%时,水蒸汽对有机气体的吸附有很强的抑制作用,净化气的浓度随湿度增大而增大;甲苯、二甲苯之间存在竞争吸附,进气中一种物质浓度的增大会使得另一种物质在净化气中的浓度升高。

玉屏风散化学组分动态变化研究 篇6

关键词：玉屏风散,总浸膏,总多糖

中药复方是中医临床用药的主要形式, 是祖国医学整体观念和辨证论治的集中体现。近年来, 从分析中药复方药效物质基础与作用机理的研究入手, 探索复方配伍规律的研究, 已被国家立项为中医药现代化的关键课题之一[1]。通过药物配伍前后化学成分的变化来阐明原有中药的配伍规律, 将有助于阐明中药复方的作用机理。

玉屏风散出自元代朱丹溪的《丹溪心法》, 为益气固表的代表名方, 由防风 (30g) 、黄芪 (60g) 、白术 (60g) 三味药组成, 临床应用非常广泛[2]。现代研究表明[3], 玉屏风散全方煎剂有增强机体免疫力、抗病毒及抗感染等广泛的药理活性。组方中各单味药所含的化学成分已研究得较为透彻, 但对其复方化学成分的研究甚少。本研究按玉屏风散原方的比例, 将该方中各单味药进行不同的组合, 对其进行复方动态化学组分的研究。其中多糖为三味药的共有成分[4,5,6], 也是主要有效成分, 通过研究各种配伍中总多糖含量变化及总浸膏的含量, 探讨影响多糖变化的机理, 为阐明玉屏风散复方化学成分的变化与药效的关系提供一定的科学依据。

1材料与试剂

主要仪器有721分光光度计 (山东高密分析仪器厂) 、RE-52A型旋转蒸发器 (上海亚荣生化仪器厂) 、YHG-40×45远红外快速恒温干燥箱 (上海跃进医疗器械厂) 。

所用药材饮片防风、黄芪、白术均由泰安市永春堂中药饮片有限公司提供, 并经泰山医学院药学院李同德教授鉴定。

所用试剂无水乙醇、硫酸、苯酚等均为分析纯。

2方法与结果

2.1分组设计

玉屏风散按《丹溪心法》原方防风∶黄芪∶白术=1∶2∶2的比例配伍, 设计各不同组合, 见表1。

2.2样品液的制备

以上各组分别加10倍、8倍量水煎煮, 每次15min, 合并滤液, 浓缩至生药含量为0.5g/mL, 离心取上清液冷藏备用。

2.3总浸膏含量的测定

将称量瓶从1-11进行编号, 干燥至恒重。用移液管精密吸取2.2项下样品液各10mL, 分别置于恒重的称量瓶中, 水浴蒸干, 105℃烘至恒重, 采用重量法计算干浸膏得率。

2.4总多糖含量测定[7,8]

2.4.1 供试品溶液的制备

精密吸取2.2项下样品液各10mL, 加入3倍量的95%乙醇, 搅匀, 冰箱中密闭静置24h, 以3000rpm离心10min, 弃去上清液, 沉淀用无水乙醇洗涤3次, 每次约10mL, 待乙醇挥发完全后, 分离沉淀, 置10mL容量瓶中, 加蒸馏水溶解并稀释至刻度, 作为供试品溶液。

2.4.2 标准曲线的制备

以干燥至恒重的葡萄糖为标准品, 精密称定20.0mg, 用蒸馏水溶解定容至500mL。精密吸取标准溶液0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8mL分别置于试管中, 加蒸馏水补足至2.0mL;再分别加入新配制的5%苯酚溶液0.5mL, 摇匀, 再沿试管壁滴加浓硫酸至总体积达10mL, 摇匀, 置冷水浴中冷却至室温。另取2.0mL蒸馏水同上平行操作作为空白对照, 于490nm波长处测定吸光度, 建立回归方程为:A=0.0127C+0.0245 (C:μg/mL) , r=0.9994。

2.4.3 样品含量测定

精密吸取供试品液1mL, 按2.4.2项下方法自“加蒸馏水补足至2.0mL”起, 同法操作测定吸光度, 并依回归方程计算多糖含量。

2.5结果

见表2。

注:以原药材5g为基准。

3讨论

研究结果表明, 玉屏风散中不论是黄芪、白术、防风两两配伍, 还是玉屏风散煎剂, 不论是合煎还是煎液合并, 其出膏率及多糖含量都不是单味药出膏率多糖含量的简单加和, 而是方内诸药综合作用的体现。

出膏率的变化说明多味药配伍后混合煎煮更有利于药物有效成分的溶出, 虽然煎液合并组在浓缩制成浸膏的过程中也要加热, 但与合煎还是有一定差别的。通过两两配伍组的研究还发现, 防风与白术配伍后合煎组的出膏率显著高于煎液合并组, 而黄芪与防风﹑黄芪与白术配伍后, 合煎组与煎液合并组出膏率变化不明显, 此外玉屏风散煎剂的出膏率也并不像两两配伍时一样显著高于煎液合并组的出膏率, 而是几乎无变化, 说明黄芪的加入不利于药效成分的溶出。其间成分之间的相互作用甚为复杂, 作用机理还有待进一步的研究。

总多糖含量的变化更为复杂, 黄芪﹑防风﹑白术两两配伍后都对多糖的含量产生了影响。黄芪与防风配伍, 不论合煎还是煎液合并, 都使多糖含量降低。黄芪与白术配伍, 不论合煎, 还是煎液合并多糖含量都比单煎黄芪时明显升高, 比单煎白术时降低。防风与白术配伍, 合煎组与煎液合并组的多糖含量都比单煎防风显著升高, 但与单煎白术相比, 则是合煎组多糖含量降低, 而煎液合并组多糖含量升高。玉屏风散煎剂与三味药煎液合并组的多糖含量均高于单煎黄芪﹑防风组, 但低于单煎白术组, 且三味药煎液合并组多糖含量高于玉屏风散煎剂组。虽然如此, 但多糖只是有效成分之一, 且在煎煮过程中有无发生反应, 有无新成分的产生还未知, 因此不能说三味药煎液合并优于玉屏风散煎剂。

参考文献

[1]甘师俊.中药现代化发展战略[M].北京:科学技术文献出版社, 1998:31.

[2]谢鸣.方剂学[M].北京:人民卫生出版社, 2002:291.

[3]张国华, 吕琳.玉屏风散的药理研究进展[J].山东中医杂志, 1999, 18 (12) :556.

[4]贾淑琴.黄芪的化学成分药理和临床研究[J].天津药学, 1994, 6 (4) :24.

[5]高咏莉.生药防风的化学成分与药理作用研究进展[J].山西医科大学学报, 2004, 35 (2) :217.

[6]毛俊浩, 吕志良.白术多糖对小鼠淋巴细胞功能的调节[J].免疫学杂志, 1996, 12 (4) :235.

[7]吕定刚.玉屏风口服液澄清工艺的实验研究[J].中国实验方剂学杂志, 2002, 8 (3) :2.

榴莲皮营养组分的检测与评价 篇7

1材料与方法`

1. 1仪器与设备

FZ102植物粉碎机,购自天津市泰斯特仪器有限公司; 干燥箱,购自山东龙口先科仪器有限公司; TP214电子分析天平,购自丹佛仪器 ( 北京) 有限公司: 752紫外光栅分光光度计,购自上海精密科学仪器有限; KDY9830型凯氏定氮仪,购自北京通润源机电技术有限责任公司; SX2 - 12 - 10N箱式电阻炉, 购自上海一恒科学仪器有限公司; SPH - 211B标准型大容量恒温振荡器,购自上海世平仪器设备公司; Optima 8000电感耦合等离子体发射光谱仪,美国PE公司产; L - 8900型氨基酸自动分析仪,购自日立公司。

1.2主要试剂

浓硫酸、无水乙醚、钒钼酸铵、氨水、氢氧化钠、高氯酸、浓硝酸均为优级纯,由青岛农业大学设备科统一采购; 胃蛋白酶( 1∶10 000) ,Sigma公司生产。

1.3样品的采集与处理

试验所用的榴莲皮购自青岛市城阳区大润发超市,将其外皮和内皮剥离分开,分别在65 ℃干燥箱内烘干,粉碎,过40目筛,保存于样本瓶中,贴好标签备用。测定时所有样品均平行测定3次,取平均值。

1.4试验设计

1. 4. 1常规营养成 分的测定水 分参照GB / T 6435—2006、粗蛋白质参照GB / T 6432—1994、粗脂肪参照GB /T6433—2006、粗灰分参照GB /T 6438— 2007、酸性洗涤纤维参照NY / T 1459—2007、中性洗涤纤维纤维参 照GB /T 20806—2006、粗纤维参照GB / T 6434—2006、钙参照GB / T 6436—2002、磷参照GB / T 6437—2002进行测定。

1. 4. 2矿物质元素的测定称取0. 5 g左右样品放入洁净的三角瓶中,加入混酸( 浓硝酸∶高氯酸 = 3∶1) 20 m L,放在电加 热板上低 温消化至0. 5 m L,加20 m L去离子水,煮沸赶酸,定容至50 m L,然后用电感耦合等离子体发射光谱仪测定铁( Fe) 、锰( Mn) 、 锌( Zn) 、铜( Cu) 、镁( Mg) 含量。

1. 4. 3氨基酸含量的测定按照GB / T18246—2000中的酸水解法,利用L - 8900型氨基酸自动分析仪测定氨基酸含量。

1. 4. 4蛋白体外 消化率的 测定参照GB / T 17811—2008过滤法测定蛋白体外消化率。

2结果与分析

2.1常规营养成分含量(见表1)

%

榴莲皮中含有丰富的营养物质,但外皮和内皮营养含量有一定的差别,干物质含量较高。内皮中水分、蛋白质和脂肪含量比外皮高,灰分、钙和磷含量则外皮比内皮高,而全皮的养分含量则介于内皮和外皮中间。

与其他饲料原料相比,榴莲全皮粗蛋白和粗脂肪含量相对较高,粗蛋白含量为7. 79% ,粗脂肪含量为1. 58% 。花生皮中的粗蛋白含量仅有4. 80% ,粗脂肪含量只有1. 00% ; 甘薯根中粗蛋白含量仅5. 77% ; 木薯根中粗蛋白含量仅有3. 24% ,粗脂肪含量仅有0. 70% 。榴莲皮中粗蛋白含量也高于三级玉米中的粗蛋白( 7. 20% ) 。榴莲全皮中的磷含量为0. 59% , 高于高粱( 0. 36% ) 和大麦( 0. 41% ) 。同时榴莲皮中含有大量 的粗纤维,尤其内皮 中性洗涤 纤维达64. 58% ,是反刍动物饲料的良好饲料。

2.2矿物质元素含量(见表2)

mg·kg- 1

从表2可以看出: 榴莲内皮的矿物质元素含量均高于外皮,含量最高的是镁,含量最低的是锰。与其他果皮相比,榴莲皮的矿物质元素含量是相对较高的,柑橘皮中的铁含量是108. 40 mg /kg,铜含量是4. 80 mg / kg,锰含量是13. 20 mg / kg,锌含量是16. 00 mg / kg。由于榴莲皮中锰的含量较低,在选择其作为饲料原料时一定要注意锰的添加或与其他锰含量较高的饲料原料配合使用。

2.3氨基酸含量(见表3)

%

榴莲皮中含有丰富的氨基酸,内皮的氨基酸含量全部高于外皮,榴莲皮中不含有酪氨酸,故在利用榴莲皮作为饲料原料时要注意选择酪氨酸含量较高的其他饲料原料作为搭配,以满足动物对酪氨酸的需求。榴莲皮中天门冬氨酸和谷氨酸含量最高,外皮含天门冬氨酸0. 40% 、谷氨酸0. 46% ,内皮含天门冬氨酸0. 64% 、谷氨酸0. 67% ,全皮含天 门冬氨酸0. 44% 、谷氨酸0. 51% 。天门冬氨和谷氨酸都属于酸性氨基酸,具有调节酸碱平衡的作用。天门冬氨酸能与铁结合,促进胃肠道对铁的吸收; 另外,天门冬氨酸和谷氨酸能增加鲜味,在饲料中添加榴莲皮可提高饲料适口性,增加动物食欲,促进动物的生长[4]。

2.4蛋白体外消化率(见表4)

%

由表4可见,内皮的体外蛋白质消化率最高,为50. 98% ,外皮较低( 为32. 86% ) ,原因是内皮粗蛋白含量高于外皮。故用榴莲皮作为饲料原料时,内皮的优势明显高于外皮。

3结论

除了粗纤维和粗灰分外,榴莲内皮的各种营养成分均高于外皮。榴莲皮中的粗蛋白含量为7. 79% , 粗脂肪含量为1. 58% ,磷含量为0. 59% ,粗纤维含量为37. 62% ,灰分含量为4. 83% ,钙含量为0. 01% ; 矿物质元素中含量最高的是镁,含量为3 318. 95 mg / kg,铜含量为48. 74 mg / kg,铁含量为147. 28 mg / kg, 锰含量为15. 62 mg /kg,锌含量为35. 86 mg /kg; 氨基酸总量为3. 95% ,占粗蛋白的50. 71% ,必需氨基酸占总氨基酸的39. 24% ,呈( 鲜、甜味氨基酸) 占氨基酸总量的49. 87% ,由此可见,榴莲皮高蛋白含量高, 脂肪含量低,矿物质元素含量丰富,适口性好,可作为反刍动物的良好饲料。

参考文献

[1]张博,李书倩,辛广,等.金枕榴莲果实各部位挥发性物质成分GC/MS分析[J].食品研究与开发,2012,33(1):130-134.

[2]王晓波,车海萍,陈海珍,等.榴莲壳内皮对果胶多糖和黄酮对重金属吸附作用的研究[J].食品工业科技,2011,32(12):129-132.

[3]陈纯馨,陈忻,刘爱文,等.榴莲壳提取液抗亚硝化反应的研究[J].食品科技,2005(2):89-91.