歐奇奧粒度和形貌分析在化肥質量控制中的應用

楊正紅

(儀思奇〔北京〕科技發展有限公司 北京 102208)

0 前言

現有的各種化肥產品大多以粒狀或較大的結晶態銷售，粒度是化肥產品重要的表現特性之一，也是化肥產品的質量指標之一。對不同的化肥產品有不同的粒度要求，在不同肥料產品質量標準中也會制定相應的粒度指標。顆粒粒度的性質包含尺度(粒徑)和形貌(粒形)2個方面，而對化肥這一特定商品，除了關心顆粒大小外，還應加上趨于“球形”的程度，即粒子的外觀是否良好[1]。

粒度對化肥產品質量有著重要影響，具體表現在以下幾個方面：

(1) 影響觀感。粒度均勻、外觀圓潤、分散性好的粒肥易使用戶產生信任感，利于銷售。

(2) 影響肥效及養分釋放速率。化肥產品的平均粒徑越大，其與土壤和大氣接觸的面積越小，這將延緩其與土壤相互作用的過程，減少被土壤固定的機會，不易吸濕或潮解而導致流失，并影響播散范圍與供肥強度。相反，化肥產品顆粒偏小，其與土壤的接觸面積增大，雖能提高供肥強度和有效性，但也容易揮發和淋失。因此，必須根據不同情況控制化肥產品的粒度大小和分布范圍。

(3) 影響施用。化肥的施用有手工施用、機施、噴施等多種方式。顆粒鈍度好(即趨于球形)，流動性就好，不僅便于手工施用，而且采用機具施肥時也能保證肥料均勻地從料斗、分布器施入土壤。適合大面積作業的噴施方法包括壓縮空氣噴灑與飛機撒施等，如果肥料顆粒粒徑大而均勻，可避免被風吹散失和被截留在植物枝葉上而引起的損失。因此，粒肥的粒度和粒形對肥料施用的作業效率、均勻性、肥料利用率都有很大影響。

(4) 影響化肥產品的儲運。化肥顆粒越小，其表面積越大，越容易在空氣中吸潮并結塊。在儲運過程中，小粒徑及鈍度差的粒肥產品顆粒間接觸緊、摩擦多，易破碎起塵，容易出現不均勻離散現象，從而影響化肥的施用。因此，任何粒肥都要求在儲運過程中保持干燥、松散和流動性，并要求粒肥能有理想的粒度范圍分布。

粒肥結塊是化肥生產企業與用戶長期關心的熱點問題[1]。粒肥結塊除受含水量、溫度、強度等因素影響外，肥料粒度的影響至關重要。顆粒不均、細粒過多、鈍度差的粒肥，其抗壓強度、耐磨性、抗沖擊強度也較差，顆粒脆弱易散，在儲運過程中易粉化或受壓變形，分離度高。當這些細粒和細粉填滿了粗粒之間的空隙，顆粒間的接觸點與接觸面積就成百倍增加，這樣的化肥就很容易結塊。一般認為粒肥中細粒與細粉所占質量分數達到30%時，即達到化肥結塊的臨界值。

國外粒肥產品一般都有較好的粒級分布，不少粒肥樣品保留多年后，從表面上看已“結”，但一搖動即成松散狀，說明其仍保持一定的流動性。這種化肥產品在生產時可能采取了相應的防結塊措施，但粒度好是重要因素之一。粒度好的產品有時雖然也會“結”，但結而不“死”，不至于成塊。

國內多數復混肥料(復合肥料)生產企業在生產時不大注意控制粒肥的粒度分布，因而產品結塊帶有一定的普遍性。重視粒肥產品的粒度控制，對改善產品質量是非常重要的。

為了了解或預測化肥的屬性，處理涉及顆粒行為的所有問題(分離、播撒……)，需要更好地表征化肥的顆粒大小和形貌。現有的測量方法有些已經形成標準[2]，但是其測量值不是化肥的基本屬性，難以用于模型計算。作為行業標準的篩分方法需要較長的測試時間和大量樣品，并且其結果受到人為因素和顆粒形貌的影響[3]。為此，比利時瓦隆農業研究中心(CRA- W)將傳統方法與歐奇奧圖像法技術對化肥產品粒度和形貌的分析結果進行比較，并研究了測量之間的關系[4]。

1 歐奇奧圖像法粒度和形貌分析技術

根據《粒度分析結果的表述 第6部分：顆粒形狀和形態的定性及定量表述》(ISO 9276- 6:2008或GB/T 15445.6—2014)，粒度有多種定義，“具有相同物理特征的球體的直徑即等效球直徑”只是其中一種定義的表達，而不同的粒徑定義都與顆粒某一方面性能特征有關，如：篩分法得到的是以質量為基準的顆粒篩分直徑分布[2- 3]；顯微鏡法看到的是顆粒的長度和寬度，并且能看到顆粒形狀，但其不能定量，不具有統計意義[3]。

圖像分析技術是測量顆粒大小、幾何形狀和形態等特征的方法，可以在一次測量中表征所有定義了的顆粒大小和形貌參數，測量、描述和驗證方法的執行標準包括《粒度分析 圖像分析法 第1部分：靜態圖像分析法》(GB/T 21649.1—2008)和《粒度分析 圖像分析法 第2部分：動態圖像分析法》(ISO 13322- 2:2006)。

顆粒形狀是由其表面所有點構成的包絡面，顆粒形態則是這種簡單形狀描述向復雜描述(如孔隙率、粗糙度和織構特征)的延伸，而顆粒形貌(粒形)是顆粒形狀和形態的總稱。

比利時歐奇奧儀器公司匯集了法、意、比、德等多國科學家，開發了不依靠顯微鏡的可變焦顯微成像掃描技術。這種尖端技術可直接測量粒子大小和形態，并定量化分析數萬個粒子，保證粒度和粒形最終結果統計的可信度，因此是最新一代的顆粒分析技術[5- 7]。

顆粒形狀的不規則性主要表現在3個層次或尺度，即圖1(a)所示的橢圓度對球形度、有角度(凸度)對圓潤度，而平滑度與粗糙度正好相反[8- 12]。

1.橢圓度對球形度(宏觀) 2.有角度對圓潤度(介觀) 3.粗糙度對平滑度(微觀)圖1 歐奇奧儀器公司從宏觀、介觀和微觀3個層次描述(表征)有關顆粒形狀的不規則性

球形度是最大內切球體與最小外接球體的直徑比，圓潤度定量表示為顆粒表面特征曲率的平均半徑與最大內切圓半徑之比，具有不同球形度和圓潤度的顆粒形狀對比[9]如圖1(b)所示，可見圓潤度不能代表球形度。粗糙度是比顆粒直徑小得多的表面特征，歐奇奧圖像法分析儀器軟件可以直接給出粗糙度分布等微觀粒形信息。

圖像分析系統通過量化各種形狀分布值而不是定性描述各種形狀，提供了明確的粒形參數的數值分布。歐奇奧圖像分析技術不僅能夠提供50多個粒度分布和形貌分布參數，還能夠進行顆粒計數，相當于集激光粒度儀、顯微鏡和庫爾特計數器功能于一身，是取代篩分法、顯微鏡法和激光衍射法的新一代顆粒分析技術[5- 7]。

歐奇奧Callisto應用和圖像處理軟件(圖2)包括粒度分布圖、粒度和形貌2D相關圖、箱形圖(用于不同粒度或粒形分布參數的比較)， 支持遠程網絡診斷，并且可讀取和分析外源性電鏡等照片，具有廣泛的適用性。

圖2 歐奇奧Callisto應用和圖像處理軟件界面

2 圖像法粒度和形貌分析技術在化肥質量控制中的應用

CRA- W在EN標準《檢測和校準實驗室能力的通用要求》(ISO 17025:2005)認可的實驗室中，選擇了具有廣泛代表性的約50種化肥樣本，分別采用傳統技術和圖像法測定了樣品的物理性質，以探索全范圍的化肥物理特性值[4]。

2.1 以每種肥料約10 kg的樣品量采用傳統技術測定物理性質

(1) 篩分法粒徑分析(EN 1235/A1—2003)

化肥平均粒徑在2.5～4.5 mm之間。在實踐中，級配曲線的特點是采用不同的累計百分位數的dx值表示，其中x是通過篩網的質量分數，最常用的是d10、d16、d50、d84和d90。粒度分布用粒度播散指數GSI(Granulometric Spread Index)表示，其值在10～50之間。GSI按式(1)計算：

(1)

(2) 密度(EN 1236—1999和EN 1237—1995)

這些值在700～1 400 kg/m3之間，但大多數化肥的堆密度在950～1 100 kg/m3之間。

(3) 形狀(EN 12047—1997)

測量一定高度并自由堆成的料堆靜止角度，休止角按式(2)計算：

(2)

式中：α——休止角，其值在30°～40°；

d——料堆的基底直徑；

d1——漏斗孔(25 mm)；

h——料堆的高度(120 mm)。

(4) 流量(EN 13299—2016)

肥料從校準后的漏斗中自由流下，流速范圍為4～7 kg/min，與密度直接關聯。

2.2 以每種肥料約300 g的樣品量采用圖像法分析

在Occhio圖像法粒度和形貌分析儀中，樣品被分散在置于光源上方的移動透明傳送帶上。儀器中的數字工業相機(1 300×1 024像素)以1個像素約等于40 μm的分辨率進行拍攝，這意味著約有3 500個像素數字化表達直徑為2.5 mm的顆粒，可以很好地估計顆粒的形態特性(圖3)。對于每種肥料，測量的顆粒數超過2 000個。

儀器外觀 從相機中獲取的2種不同化肥樣品的圖像 具有慣性橢圓的單個粒子圖3 圖像法分析顆粒的形態特性

(1) 粒徑

每個粒子的大小以計算顆粒最大內切圓直徑(內徑)為基礎，通過顆粒二次圖像的表面關系可確定顆粒體積，并假設密度和平坦度指數與粒徑無關。

(2) 形貌

計算肥料的3個參數，即延伸度、粗糙度和圓潤度。延伸度是慣性橢圓的短軸與長軸之比，在ISO 9276-6:2008中被命名為橢圓率；粗糙度表示與顆粒平滑部分相比較的粗糙部分的重要性；圓潤度給出了關于粗糙程度的指征。

2.3 測定結果

測定結果表明:對于砂粒，圖像法和篩分法有非常出色的一致性粒度分布分析結果[4]；對于化肥樣品，圖像法粒度分析與傳統篩分法測定結果不盡相同，其差異與顆粒的形貌有關，顆粒越接近球形，結果差異越小。對于化肥的粒形參數，存在如下的關系。

2.3.1 屬性之間的關系

(1) 在粗糙度和圓潤度之間存在相關性，這意味著表面粗糙的顆粒在圖像法分析中能顯示出多角的凹凸。

(2) 如圖4所示，化肥顆粒的延伸度和休止角之間也有很好的相關性，該線性方程可表示為y=0.415x+27.4，相關系數R2=0.88。

圖4 顆粒的延伸度和粉體休止角之間的相關性

延伸度值越小，顆粒越趨于球形，否則顆粒越長。延伸度參數也可用于建立一個關系，作為流量和堆積密度的函數，以測定包裝后不同的物理性質[4]。

ρat=175+0.549ρsp+2.95GSI-9.45El，R2=0.953

(3)

F=2.73+0.005 10ρst-0.038 1El-0.666d50，R2=0.954

(4)

式中：ρst——無包裝的堆積密度；

ρat——包裝后的堆積密度；

ρsp——相對密度；

El——延伸度；

F——流量。

2.3.2 屬性與顆粒特性之間的關系

延伸度參數與包裝一個體積的粉體時的顆粒運動有關，是化肥最有用的形狀參數之一，其可用于計算包裝后的堆積密度(圖5)。顆粒的摩擦對于播撒的建模是非常重要的，播撒期間的一些偏析行為也與混合肥料的延伸度差異非常相關(圖6)。

圖5 包裝后顆粒的延伸度與壓實度之間的關系

圖6 共混復合肥組分的延伸度差異與播撒期間的偏析關系

圖像分析是一個強大的工具，只需幾分鐘的時間就能給出顆粒總體以及每個顆粒的大小和形狀數據，而篩分法試驗至少需時約15 min。歐奇奧儀器公司的Scan700型彩色粒度和形貌分析儀(圖7)具有機械分散裝置，是粒肥的粒徑和粒形分析的理想工具，其具有600M的分辨率，不僅可一次性給出粒徑分布，而且同時可以提供延伸度、圓潤度、凸度、粗糙度、鈍度、 球形度的分布圖，并且可對顆粒的堅固性和耐磨性及顏色進行評估。

圖7 Scan700型彩色粒度和形貌分析儀以及3D應用軟件采樣界面

3 結語

顆粒大小及其形貌是描述顆粒性質的2個主要參數，因此粒徑和粒形是材料物性表征的重要組成部分，也是化肥的特性參數。

“十三五”規劃勾畫了未來5年中國農業將加快轉變生產方式，明確指出要實施化肥、農藥使用量零增長行動。化肥使用量零增長意味著行業必須解決產能過剩的矛盾，必須淘汰落后產能，研發高端、高效專用肥料，創造條件適應農業轉變發展方式的要求。

加大高端、高效專用肥料的生產力度，進一步提升肥料的使用效率，大幅度減少污染物的排放量，降低生產成本，提高發展的質量和效率，推廣測土配方施肥技術，都必須對化肥顆粒的粒徑和形貌進行控制，真正生產出顆粒均勻、外觀圓潤、不黏連、不掉粉、分布窄的球形粒肥。將先進的粒度和形貌分析技術引入化肥工業的質量控制體系以替代繁瑣、耗時的傳統質檢手段已經被提上議事日程。

歐奇奧圖像分析法是顆粒分析領域革命性的進步。隨著光學、信息科學技術的飛速發展，將直觀的顯微觀察方法與統計學相結合的最新圖像法表征不僅能夠得到個別顆粒的直觀信息，還能夠得到大量樣本的粒徑、粒形的統計信息，從而幫助使用者全方位地表征樣品。