基于电特性差异的以麦麸为例的生物材料电场诱导分离研究

糊粉层是单子叶谷物共有的解剖组织，集中了70%左右籽粒的生物活性物质，存在于加工副产品糠麸中。基于来自于不同解剖组织的生物粉体材料，由于其生化成分和微观结构不同，必然导致电特性差异的依据，以极具代表性、资源丰富且尚未充分利用的谷物加工副产物麦麸为研究对象，开展三方面研究：(1)微粉碎方式对麦麸粉体物理和生化性质的影响，以获得适于电场诱导分离的麦麸粉体材料；(2)给电方式（摩擦带电和电晕式给电）对麦麸粉体颗粒电特性的影响，以获得适于麦麸粉体材料的给电方式，建立给电参数与麦麸电特性的数学模型；(3)电场诱导分离方式（履带式、滚筒式和管道输送电极板式）对麦麸粉体分离效果的影响，以获得分离效果的数学模型。通过以上麦麸电特性和电场诱导分离原理的系统研究，构建以高效分离糊粉层与其它解剖组织为目的的生物材料电场诱导分离理论体系和技术原型，建立基于生物材料特性的低能耗和清洁无污染的新型干法分离方法和装置。

静电场分离技术是一种新型的干法分离技术，为探索谷物组分电场分离的潜在原理，并提高其分离效率，本项目以麦麸结构层为研究对象，研究麦麸结构层的机械破碎特性和电学特性，确定麦麸结构层机械破碎方式和带电方式，获得其机械剥离关键参数、荷电规律，最终实现麦麸糊粉层等高附加值组分的高效电场富集，并为其它谷物生物质的静电场分离提供理论支撑。本项目的重要结果和数据如下：①建立了麦麸结构层的定量方法，以烷基间二苯酚（ARs）（11.9mg/g）、总磷（28.7mg/g）和淀粉（78.3g/100g）分别为中间层、糊粉层、胚乳定量标示物。②确定离心冲击粉碎为剥离完整糊粉层细胞簇的最佳方式，糊粉层细胞簇剥离的粒径介于194~220μm，剥离所需冲击线速度约为97m/s。③糊粉层相对介电常数和比电阻均为麦麸外果皮的5倍，分别为9和2300MΩ•cm；相同条件下，糊粉层颗粒经电晕带电所获电荷量约为外果皮颗粒的1.7倍，电荷量与电晕电压呈正相关，与粒径和含水量呈负相关，但颗粒经电晕起电所获电荷远小于摩擦起电（nC/g V.S. 100 nC/g）。④麦麸粉体与Teflon摩擦后获得正电荷，与Nylon摩擦后获得负电荷，但糊粉层与外果皮所获的电量存在很大区别，麦麸结构层与摩擦材料摩擦电序为：（+）Nylon>糊粉层>中间层>外果皮>不锈钢>Teflon（－）；麦麸粉体在摩擦起电中所获电荷量与气流速度正相关，与颗粒的粒径和含水量负相关。⑤在匀强静电场中，与Teflon摩擦带电后的糊粉层和中间层颗粒富集在负电极板上，而外果皮颗粒富集在极板之间；与Nylon摩擦带电后，糊粉层和外果皮在静电场中的迁移行为发生逆转；而在非匀强电场中，改变电场的极性，麦麸结构层粉体的迁移行为趋势不变；⑥麦麸糊粉层富集物的产量与颗粒粒径负相关，与气流速度和电场强度正相关。麦麸糊粉层经两次摩擦起电富集后的纯度可从52%增至80%，总提取率和得率分别达78%和50.8%。由仿真模拟可知，麦麸带电颗粒迁移到极板上所需最小电量Qmin与颗粒入射电场时的初速度平方呈正比，与电压成反比，与电场高度呈指数关系，与颗粒粒径的平方呈正比。本项目按照申请书内容和要求顺利完成目标，所获结果不仅在理论上初步揭示了谷物生物质组分摩擦带电和电晕带电的机理，而且验证了麦麸糊粉层等生物质的电场分离的有效性，为其它农业生物质的电场分离提供理论支撑。