韓志恒，陶志影，曾育寧，何金成

(福建農(nóng)林大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，福建 福州 350002)

人們生活水平不斷提高，對各種肉類產(chǎn)品和畜禽產(chǎn)品的需求量和消費(fèi)量不斷加大，畜禽養(yǎng)殖業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，大量畜禽糞污沒有得到有效利用，嚴(yán)重污染了農(nóng)村地區(qū)的生活環(huán)境[1-2]，畜禽養(yǎng)殖業(yè)在保障了人民生活需要的同時，也帶來了一系列環(huán)境污染問題。異位發(fā)酵床模式通過堆肥發(fā)酵技術(shù)生產(chǎn)有機(jī)肥，不僅解決了畜禽糞污帶來的污染問題，而且也具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，被農(nóng)業(yè)農(nóng)村部列為我國經(jīng)濟(jì)實(shí)用處理畜禽糞污的技術(shù)模式之一[3]。將畜禽糞污與墊料均勻混合，再利用微生物對其發(fā)酵降解，以實(shí)現(xiàn)畜禽養(yǎng)殖的無污染、無臭味和零排放的目標(biāo)[3-5]。其中，水分含量是影響微生物發(fā)酵降解過程的關(guān)鍵參數(shù)之一，如果含水率較低，將會限制微生物的活性，從而降低發(fā)酵降解速率，如果含水率過高，將會減少固體基質(zhì)中的空氣含量，從而觸發(fā)厭氧條件，致使好氧微生物死亡，影響畜禽糞污的發(fā)酵降解[6]?？焖佾@取墊料的含水率，對異位發(fā)酵床系統(tǒng)的運(yùn)行管理而言，顯得尤為重要。

國外學(xué)者曾使用氧吸收法來獲取牛糞和墊料混合物的最佳含水率，但這種方法只適合實(shí)驗(yàn)室研究使用。目前，烘干稱質(zhì)量法、張力計(jì)法、紅外加熱法、電阻法和光電法等方法在測量糧食作物、土壤和肥料含水率等方面應(yīng)用較為成熟[7]。異位發(fā)酵床墊料含水率的獲取是參考其他農(nóng)業(yè)物料的測量方法，常用的如基于土壤測量的烘干稱質(zhì)量法，由于測量周期長，只適合實(shí)驗(yàn)室使用。而快速測量方法，則用的是基于電阻法測量土壤或谷物含水率的探針式傳感器[8]。但墊料與其他農(nóng)業(yè)物料的理化性質(zhì)有明顯差異，使測量結(jié)果準(zhǔn)確性和可重復(fù)性極差，無法滿足生產(chǎn)需要。通過測量介電常數(shù)來評價樣品濕度的電容法，由于測量原理簡單、儀器成本低和檢測速度快，深受國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞[9]。目前，國內(nèi)外關(guān)于土壤、糧食和果蔬等其他農(nóng)業(yè)物料介電特性的研究已有較多[10-11]，而墊料方面的介電特性研究還甚少，通過介電特性來預(yù)測含水率，為墊料含水率的快速測量提供了一種新的方法。不同的墊料配比對微生物的影響也不同，合適的墊料配比會使微生物對畜禽糞污的發(fā)酵降解過程加快，目前實(shí)際生產(chǎn)中，墊料主要成分為稻谷殼(以下簡稱稻殼)和鋸末[12-13]。稻殼價格低廉，以此為研究對象，在前期探索墊料介電特性在含水率快速測量的規(guī)律中較為適宜。因此，以異位發(fā)酵床墊料基質(zhì)中的主要成分稻谷殼為研究對象，測量信號頻率、溫度和含水率對稻殼介電特性的影響，對介電常數(shù)產(chǎn)生變化的原因進(jìn)行分析，建立相對介電常數(shù)、溫度與含水率之間的回歸模型，評價通過介電特性來預(yù)測稻殼含水率的可行性，探索介電特性在快速測量墊料含水率中的可行性。

1 材料和方法

1.1 材料

選用新鮮干稻殼(濕基含水率為8.24%)作為試驗(yàn)材料。試驗(yàn)前，稻殼過方孔篩(孔徑為1 mm)，篩去碎殼、細(xì)小秸稈和其他雜物。

1.2 測量方法

1.2.1 含水率 依據(jù)國標(biāo)GB 5497—1985《糧食、油料檢驗(yàn)水分測定法》，采用烘干稱質(zhì)量法，將放進(jìn)電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱(DHG-9140A，上海賀德實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司)內(nèi)的樣品進(jìn)行烘干，樣品的濕基含水率根據(jù)烘干前后的質(zhì)量差算出。

1.2.2 介電常數(shù) 樣品的介電常數(shù)通過由LCR測試儀(TH2830，常州同惠電子股份有限公司，測量精度0.05%)和平行板電容器測量裝置(自制)構(gòu)成的測量系統(tǒng)來測得。平行板電容器的極板由2個厚度為5 mm、直徑為8 cm的鋁板構(gòu)成，分別在其表面鍍上電極，上極板連接1個微分頭(S5210-25C，測量范圍0～25 mm，浙江中量量具科技有限公司)，通過微分頭，可以調(diào)節(jié)并讀出2個極板之間的間距。將平行鋁板固定在由鋁型材進(jìn)行支撐搭建的玻纖板上，保證上下鋁板平行。

平行板電容器的測量方式采用的是接觸式，即將2個平行板的電極與樣品相接觸的情況下進(jìn)行測量。平行板電容器測量方法示意圖與其等效電路模型如圖1、2所示[14]。

平行板介電常數(shù)方法可等效為并聯(lián)的電容(Cp)和電導(dǎo)(G)[14]，其并聯(lián)導(dǎo)納為

(1-1)

介電常數(shù)的實(shí)部與虛部分別為

(1-2)

式中，C0和Cp分別為空電容器的電容和裝有樣品的電容，G為板間充滿樣品時的電導(dǎo)。ω=2πf，其中f為測試信號頻率。

1.2.3 樣品制備 將過篩后的稻殼進(jìn)行烘干，并裝入密封袋內(nèi)以備后用。為防止樣品吸收空氣中水分，將密封袋內(nèi)的空氣排空后密封，并外套2層密封袋，置于陰涼干燥處。

為了配制不同含水率的樣品，從密封袋中稱取約30 g的樣品放進(jìn)塑料盆內(nèi)，把放入樣品的塑料盆放在電子天平(WXL-C30002，0.01 g，深圳市無限量衡器有限公司)上，用高壓超細(xì)噴霧壺向樣品噴灑依照配制含水率計(jì)算好的水量，為了保障樣品均勻吸收水分，邊噴灑邊攪拌。待樣品配置好后，裝入密封袋內(nèi)并排去空氣，再外套2層密封袋密封，避免樣品與外界空氣接觸。在室溫28 ℃下，將樣品置于陰涼干燥處2 d，使水分均勻擴(kuò)散。試驗(yàn)所配制樣品的濕基含水率分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%。

1.2.4 測量步驟 在對樣品的介電常數(shù)進(jìn)行測量前，需將LCR測試儀預(yù)熱30 min，并進(jìn)行開路和短路校正。在電子天平上稱出空的電容器質(zhì)量后，將電容器和待測量樣品一起放入欲測量溫度和濕度環(huán)境的恒溫恒濕培養(yǎng)箱(HSP-350B型，上海坤天實(shí)驗(yàn)室儀器有限公司)中，將培養(yǎng)箱中的電容器連接到外面的LCR測試儀上，用數(shù)字溫度計(jì)(TP600型，杭州美佳杭新儀表有限公司)插入稻殼樣品內(nèi)部，待達(dá)到指定溫度時，取出部分樣品放在電容器的下極板表面，保證樣品均勻覆蓋，并用刷子刷掉極板外面多余的樣品，調(diào)節(jié)與上極板相連的微分頭，至上極板與樣品剛好接觸不留縫隙為止，記下此時兩極板間的間距(d)。在忽略電容器的邊緣效應(yīng)的情況下，在所選28個頻率點(diǎn)下，測出電容器的電容和電導(dǎo)。每個樣品每個溫度下測量3次，取其3次的平均值為測量結(jié)果。待測量完成后，稱得裝有樣品電容器的質(zhì)量，根據(jù)電容器的前后質(zhì)量差，可以得到所測樣品的質(zhì)量，再根據(jù)兩極板之間的間距(d)，可以算得所測樣品的容積密度，樣品濕基含水率為10%～70%時，對應(yīng)的樣品容積密度分別為105.464、127.377、139.325、169.515、215.021、231.003、330.722 kg/m3。空電容器的電容，需將空電容器兩極板的間距調(diào)節(jié)到之前的間距，再測量得出。通過(1-2)式，可以算得樣品的ε′r值和ε″r值。

2 結(jié)果與分析

2.1 信號頻率對稻殼介電常數(shù)的影響

在實(shí)驗(yàn)室溫度28 ℃下，信號頻率(0.1～100 kHz)對不同含水率(10%～70%)稻殼介電常數(shù)的影響曲線如圖3所示。

從圖3可以得知，曲線在0.1～100 kHz內(nèi)都呈現(xiàn)了穩(wěn)步下降的趨勢，且7個不同含水率下的曲線走勢大致相同，都在0.1～10 kHz頻段內(nèi)出現(xiàn)了急劇下降的趨勢，且含水率越大，曲線下降的趨勢越顯著，隨著信號頻率的增大，曲線開始趨于平緩。稻殼的相對介電常數(shù)會隨著頻率的增大逐漸變小，主要是因?yàn)樵趯ξ锪鲜┘油怆妶龊?，物料?nèi)開始出現(xiàn)各種極化，這些極性分子開始在電場的作用下重新進(jìn)行排列，使得其自己的偶極子方向與電場方向平行，當(dāng)這種極化現(xiàn)象改變的時間尺度滯后于電場的變化周期時，就會導(dǎo)致介質(zhì)的相對介電常數(shù)減小。因此，隨著頻率越大，稻殼的相對介電常數(shù)越小[15]。

介質(zhì)損耗因數(shù)曲線的走勢與相對介電常數(shù)大致相同，隨著頻率的增大，稻殼的介質(zhì)損耗因數(shù)會逐漸變小，是因?yàn)樵诘皖l范圍內(nèi)，離子作用和偶極子的極化作用產(chǎn)生的影響。其中，離子作用對介質(zhì)的損耗因數(shù)影響較大。由于極化作用與電場不同步，就使得電通量與電場不同步，因而對電場有損耗作用。隨著頻率的增大，離子的電導(dǎo)性起主導(dǎo)作用，這是稻殼的介質(zhì)損耗因數(shù)逐漸減小的主要原因[14,16]。

2.2 溫度對稻殼介電常數(shù)的影響

頻率為1、5、10、50 kHz時，溫度(15～55 ℃)對不同含水率(10%～70%)稻殼介電常數(shù)的影響曲線如圖4所示。

從圖4可以看出，7個不同含水率下的相對介電常數(shù)曲線隨著溫度的升高，整體呈現(xiàn)出了上升的趨勢，含水率在10%～30%時，曲線趨勢變化不明顯，當(dāng)含水率大于30%時，曲線會呈現(xiàn)近似線性的遞增趨勢。這是因?yàn)樵谑┘屿o電場的作用下，非均勻混合介質(zhì)中出現(xiàn)的各種極化作用，以及Maxwell-Wagner效應(yīng)會引起相對介電常數(shù)發(fā)生變化。溫度升高不僅會增強(qiáng)極性分子的取向能力，還會加劇水分子的擴(kuò)散運(yùn)動，導(dǎo)致相對介電常數(shù)變大[17]。

從圖4(b、d、f、h)可以看到類似圖4 (a、c、e、g)的曲線趨勢，原因是溫度的升高雖會加強(qiáng)極性分子的取向能力，但是由于極性分子的取向速度始終滯后于電場的變化周期，且取向過程中會對電場有損耗作用，所以導(dǎo)致稻殼的介質(zhì)損耗因數(shù)增大[17-18]。

2.3 含水率對稻殼介電常數(shù)的影響

頻率為1、5、10、50 kHz時，含水率(10%～70%)對不同溫度(15～55 ℃)下稻殼介電常數(shù)的影響曲線如圖5所示。

從圖5(a、c、e、g)可以得知，曲線在5個不同溫度下，會隨著溫度的升高整體呈現(xiàn)單調(diào)遞增的趨勢，含水率在10%～30%時，曲線的遞增趨勢不夠明顯，當(dāng)含水率大于30%時，曲線的上升速率有了明顯變化。主要是因?yàn)樵诨旌辖橘|(zhì)中，靜態(tài)水的相對介電常數(shù)遠(yuǎn)大于其他物質(zhì)，所以水分含量對介質(zhì)相對介電常數(shù)的大小起著決定性的作用。因此，隨著含水率不斷增大，稻殼的相對介電常數(shù)也會增大[19]。

從圖5(b、d、f、h)可以得知，同樣條件下，增大含水率會使曲線整體上升，曲線在低含水率(10%～30%)時走勢平緩，上升趨勢不顯著，當(dāng)含水率增大到40%～70%時，曲線增長趨勢開始明顯。這是因?yàn)槲镔|(zhì)的介電性能會受到離子極化作用的影響，在低濕度的物料中，水分子多以結(jié)合水的形態(tài)存在，這時離子運(yùn)動跡象不明顯，當(dāng)水分含量變大，伴隨著細(xì)胞吸水后代謝加快，物料中以自由水形態(tài)存在的水分子增多，同時離子活動也相應(yīng)增強(qiáng)，致使稻殼的介質(zhì)損耗因數(shù)不斷增大[20]。

2.4 稻殼相對介電常數(shù)模型的建立

2.4.1 響應(yīng)曲面分析 圖6為10 kHz下稻殼的含水率、溫度與其相對介電常數(shù)的響應(yīng)曲面。由圖6可知，當(dāng)溫度一定時，稻殼的ε′r與含水率呈正相關(guān)；當(dāng)含水率一定時，稻殼的ε′r也與溫度呈正相關(guān)；稻殼的ε′r會隨溫度和含水率的遞增，曲面整體呈明顯上升趨勢。

2.4.2 回歸模型的建立 為了在實(shí)際應(yīng)用過程中，能夠保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性及可重復(fù)性，本研究利用Design-Expert.V8.0.6 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元回歸擬合，在1、5、10、50 kHz頻率下，分別建立了可用二次多項(xiàng)式表示稻殼相對介電常數(shù)與含水率、溫度之間的關(guān)系模型。各頻率下模型的決定系數(shù)(R2)分別為0.985 8、0.984 5、0.986 2、0.980 9。其中，頻率為10 kHz的模型決定系數(shù)最大，各頻率下的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

1 kHz：(R2=0.985 8)

ε′r=621.818 9-36.708 3×W-34.309 2×T+1.078 4×WT+0.300 0×W2+0.449 7×T2+0.026 2×W2T-0.019 9×WT2

(2-1)

5 kHz：(R2=0.984 5)

ε′r=33.015 6-3.191 4×W-0.954 2×T+0.043 0×WT+0.049 7×W2-2.386 6×10-3×T2+2.276 7×10-3×W2T-1.676 0×10-4×WT2

(2-2)

10 kHz：(R2=0.986 2)

ε′r=-7.423 2-0.146 3×W+0.985 3×T-0.058 4×WT+0.016 2×W2-0.012 3×T2+1.579 4×10-3×W2T+3.674 9×10-4×WT2

(2-3)

50 kHz：(R2=0.980 9)

ε′r=-0.370 4-0.138 2×W+0.535 6×T-0.031 0×WT+7.777 2×10-3×W2-5.605 7×10-3×T2+5.168 1×10-4×W2T+1.975 7×10-4×WT2

(2-4)

式中，W為含水率，T為溫度。

對10 kHz下建立的回歸模型進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表1所示。

從表1可看出，模型P<0.000 1，表明10 kHz下建立的數(shù)學(xué)模型極顯著，稻殼的相對介電常數(shù)與含水率、溫度之間具有很好的相關(guān)性。從方差分析表還可以看出，式(2-3)中除了T2和WT2這2項(xiàng)外，其余項(xiàng)均對模型有極顯著的影響。

表1 回歸模型方差分析Tab.1 ANOVA of regression model

3 結(jié)論與討論

研究顯示，稻殼的介電常數(shù)會受到測試信號頻率的顯著影響。在頻段0.1～100 kHz，稻殼的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)會隨著頻率的增大而減小，在對小雜糧、蘋果的介電特性研究中[15,21]，也出現(xiàn)了與本研究結(jié)果相同的趨勢。與之不同的是，在頻段0.1～10 kHz，稻殼的介電常數(shù)下降趨勢較顯著，楊薇等[16]在對三七粉介電特性的研究中，也出現(xiàn)了相同的趨勢，并對三七粉在這一頻段內(nèi)的介電特性進(jìn)行了研究，這是因?yàn)樵诓煌l率下施加的外加電場作用下，物料內(nèi)出現(xiàn)各種極化作用導(dǎo)致。關(guān)于稻殼在這一頻段內(nèi)的介電特性，今后可以作進(jìn)一步研究。

通過溫度對稻殼介電特性的影響研究，得知溫度也會對物料的介電特性產(chǎn)生影響。在郭文川等[17,20]對薏米、燕麥的介電特性研究中，出現(xiàn)與本研究相同的現(xiàn)象，物料的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)會因溫度的升高呈現(xiàn)上升的趨勢，在物料含水率相對較低時，溫度對其介電特性的影響并不明顯，當(dāng)物料含水率相對較高時，溫度對其介電特性的影響開始顯著。這是因?yàn)槲锪蠞穸容^低時，水分在細(xì)胞內(nèi)主要以結(jié)合水的形態(tài)存在，外界溫度對其介電特性的影響較小。

本研究結(jié)果表明，稻殼的介電常數(shù)會因含水率的不同出現(xiàn)明顯的改變，在對玉米種子和亞麻籽種子的介電特性研究中[18-19]發(fā)現(xiàn)，物料的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)會隨著含水率的升高而增大。本研究結(jié)果與SACILIK等[18-19]的研究結(jié)果相同，含水率在影響稻殼介電特性因素中占主導(dǎo)作用。

根據(jù)在所選測試信號頻率下建立的稻殼相對介電常數(shù)的回歸模型，通過測量相對介電常數(shù)和溫度，再運(yùn)用數(shù)學(xué)方法，可以計(jì)算出稻殼的含水率，表明利用介電特性來檢測稻殼的含水率是可行的。稻殼作為異位發(fā)酵床墊料中的主要基質(zhì)，對其進(jìn)行介電特性的研究，為初期探索利用介電特性實(shí)現(xiàn)墊料含水率的快速檢測提供了理論基礎(chǔ)。今后將以稻殼、鋸末配比為2∶3的常規(guī)墊料為研究對象，探究墊料介電特性與含水率之間的變化規(guī)律。