CN113219132B - 一种综合测定材料生物可降解性的反应装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种综合测定材料生物可降解性的反应装置，包括设备框架、电气控制柜和反应仓单体。反应仓单体上侧为反应仓主体，下部为接料车。反应仓主体的顶部由仓盖密封，侧壁贴有电加热板及保温棉，内部设置搅拌桨，前后壁分别设置进气口和出气口，下方为出料机构。电气控制柜分别单独控制各个反应仓单体的反应条件。本发明还涉及其使用方法，可实现材料降解率、崩解率和生态无毒性测试三个方面的生物可降解性评估。本发明的优点是反应装置可实现自动出料，自动搅拌，减少仓内臭气和热量泄漏，同时实现物料高效发酵，测定方法能从多方面全面检测材料可降解性。本发明得到的数据准确性高，结果可信性高，能够作为评价材料可降解性的科学装置。

Description

一种综合测定材料生物可降解性的反应装置及其使用方法
技术领域
本申请涉及材料生物可降解性测定领域，具体而言涉及一种综合测定材料生物可降解性的反应装置及其使用方法。
背景技术
随着全球资源、能源节约和环境保护压力的持续增大，消费者对生物可降解材料的需求日益增加。生物可降解性是指在微生物的作用下，材料能被分解为二氧化碳、水、原料本身所含有的矿化无机盐以及新的生物质。堆肥中含有丰富的微生物如细菌、真菌、放线菌等，能在一定程度上反映材料在自然环境中的生物降解性能，因此被国际上列为评价生物降解性能的推荐方法。
国内外材料可降解性检测方法和相关认证机构如德国DIN CERTCO标准化认证、OKbiobased和美国生物分解塑料研究所等均提出多个指标来综合衡量材料生物可降解性，包括材料降解率测试、材料崩解率测试和生态无毒性测试。一些标准也规定了相关测定方法，如ISO 16929:2013中规定了一种测定塑料材料崩解程度的方法，用于测定在堆肥化过程中塑料材料所受影响及获得堆肥的质量。ISO 14855中规定了一种测定塑料最终需氧分解能力及其崩解程度的方法。
然而，现有检测装置仅能够实现对单一指标的测量分析，无法实现综合多种指标或综合多种测定标准综合评估材料可降解性的需求。此外，现有检测方式所采用的堆肥设备底部一般仅设置用于排出渗滤液，而检测所需物料的进出均需要从设备顶部的进料口通过人工装卸而实现。现有检测设备的这种设置方式导致设备进料出料操作不便。并且，现有设备在检测过程中需要在检测物料发酵高温期进行人工搅拌，混匀反应物料，搅拌中所产生的臭气会污染实验室环境。由于现有检测标准需要通过与标准降解材料进行降解指标的对比实验才能有效评估待测材料的降解数据，因此需要分别利用多套装置同时进行对比实验。并排放的若干组独立设置的检测装置需占用较大空间，若将其内部容纳实验物料的反应仓体积进行压缩，则会因为反应仓内小堆体体积容量限制而难以实现高温发酵，导致测量结果不准确。
因此，有必要设计一种综合测定材料生物可降解性的反应装置来解决上述问题。
发明内容
本申请针对现有技术的不足，提供一种综合测定材料生物可降解性的反应装置及其使用方法，本申请通过精准可控的保温加热检测箱系统，能够达到材料生物可降解性测试所要求的发酵效果和气密性，从而实现对材料生物可降解性的综合测定。本申请具体采用如下技术方案。
首先，为实现上述目的，提出一种综合测定材料生物可降解性的反应装置，其包括：设备框架；电气控制柜，其设置在设备框架上，所述电气控制柜表面安装有控制面板，其内部设置有PLC控制器；排列设置在设备框架上的若干个反应仓单体，各所述反应仓单体分别连接电气控制柜，各反应仓单体之间相互独立且由所述电气控制柜分别控制，其中，所述反应仓单体包括：反应仓主体，其设置在反应仓单体内部的上侧，所述反应仓主体的顶部由仓盖密封，仓盖打开后能够向反应仓主体内投入测定所需物料，所述反应仓主体的侧壁贴有电加热板及保温棉，所述电加热板由电气控制柜控制以调节反应仓主体内部温度；所述反应仓主体的底部设置有用于排出仓内物料的卸料口；搅拌桨，其设置在反应仓主体的内部，所述搅拌桨的后端连接安装在反应仓主体后侧的电机，电气控制柜控制电机运转而驱动搅拌桨在反应仓主体内翻转仓内物料；进气口，其设置在反应仓主体的前侧壁上，所述进气口连通至反应仓主体内部，用于根据电气控制柜所输出的控制信号调整反应仓主体内部的进气时长；出气口，其设置在反应仓主体的后侧，所述出气口的一端连通至反应仓主体内部，所述出气口的另一端经过变色硅胶干燥后连接至二氧化碳检测仪器；出料机构，其包括设置在反应仓主体下方的渗滤液收集盒，当渗滤液收集盒密封抵接在反应仓主体底部的卸料口上时，渗滤液收集盒用于接收仓内物料发酵后所产生的渗滤液；当渗滤液收集盒脱离反应仓主体底部的卸料口时，用于供仓内物料发酵后所产生的发酵物料排出；接料车，其设置在反应仓单体内部的下侧，且位于渗滤液收集盒的下方，所述接料车的顶部设置为开放式结构，用于接收通过反应仓主体底部卸料口排出的发酵物料。
可选的，如上任一所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其中，所述设备框架的底部还分别在对应于每一个反应仓单体的位置设置有重量传感器；所述反应仓单体的外部还设置有支撑架，包括：侧立板，其设置在支撑架的两侧，与反应仓主体的侧壁连接固定；支撑底板，其连接在支撑架的底部，所述支撑底板上还设置有由后向前延伸的滑轨，所述接料车沿滑轨前后移动供取出掉落其中的发酵物料或接收由反应仓主体掉落的发酵物料；反应仓单体安装至设备框架后，反应仓单体的支撑底板位于重量传感器上方，触发重量传感器采集反应仓单体及其仓内物料的重量。
可选的，如上任一所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其中，所述仓盖采用还原树脂材料，其下侧边缘设置有密封条；所述仓盖与反应仓主体之间还设置有卡扣，卡扣锁定状态下，仓盖与反应仓主体的顶部之间通过所述密封条保持密封连接。
可选的，如上任一所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其中，所述仓盖的顶部还设置有把手，所述仓盖的侧部还连接有气弹簧，所述气弹簧的下端与设置在侧立板外侧的气筒铰座连接，仓盖由所述气弹簧驱动而以设置在反应仓主体后侧顶端的固定支转板为转轴向上转动打开或向下转动封闭所述反应仓主体。
可选的，如上任一所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其中，所述渗滤液收集盒的底部设置为前低后高，所述渗滤液收集盒的前端下部还连接有渗滤液调节球阀，由所述渗滤液调节球阀排出渗滤液收集盒内所接收的渗滤液；所述反应仓主体内部的搅拌桨在渗滤液收集盒脱离反应仓主体底部的卸料口时转动，驱动供仓内的发酵物料翻转并由所述卸料口排出至接料车内。
可选的，如上任一所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其中，所述渗滤液收集盒的一侧连接有转动轴，所述转动轴的后端固定设置有齿轮，所述齿轮与竖直设置在反应仓主体后侧的齿条啮合，所述齿条的上端与固定设置在反应仓主体后侧的电动推杆固定连接；所述电动推杆由电气控制柜控制向下伸出或向上收回，电动推杆向下伸出的过程中驱动齿轮以第一方向转动，带动转轴以打开方向旋转，使渗滤液收集盒向下转动脱离反应仓主体底部的卸料口，使反应仓主体内部的发酵物料落入接料车内；电动推杆向上收回的过程中驱动齿轮以第二方向转动，带动转轴以关闭方向旋转，使渗滤液收集盒向上转动并紧密贴合反应仓主体底部的卸料口，封闭所述卸料口。
同时，为实现上述目的，本申请还提供一种材料生物可降解性综合测定装置的使用方法，其利用如上任一所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，执行以下步骤：第一步，将厨余垃圾破碎为2-5cm大小，向厨余垃圾碎片中按照湿重比4:1添加木屑混合均匀作为发酵物料，将待测试材料裁剪至5cm×5cm大小的碎片，并用着色剂对待测试材料染色，标记为试验材料，试验材料碎片按照相对于发酵物料湿重1％的重量比与发酵物料混合；第二步，将试验材料及发酵物料的混合物装入如上任一所述综合测定装置中的一个反应仓主体中，通过控制面板设置相应反应仓单体的加热温度为40℃，调节进气口的曝气速率为1.2L/min，设置搅拌桨的搅拌频率为一天一次，启动发酵进行堆肥处理并在发酵过程中通过渗滤液收集盒接收仓内试验材料发酵后所产生的渗滤液；第三步，待堆肥处理至测试所需肥龄时，驱动出料机构敞开反应仓主体底部的卸料口，通过接料车接收仓内试验材料发酵后所产生的发酵物料，分别对发酵物料进行测定，计算获得试验材料的崩解率指标Dbj、生态毒性指标Dst和生物降解率指标Djj。
可选的，如上任一所述的材料生物可降解性综合测定装置的使用方法，其中，所述崩解率指标Dbj由以下步骤获得：称量接料车所收集到的大于2mm的发酵物料碎片中染色标记的试验材料的质量，将其与试验所添加的待测试材料的原始质量进行比较，计算崩解率指标Dbj：
Figure BDA0003053682890000051
式中，Dbj为试验材料的崩解率，用％表示；M1为试验开始时投入的试验材料总干固体量，单位为克；M2为试验后收集得到试验材料经清水洗净后测量获得的总干固体量，单位为克。
可选的，如上任一所述的材料生物可降解性综合测定装置的使用方法，其中，所述生态毒性指标ST由以下步骤获得：称取3g堆肥后实验材料鲜样，按湿重/体积＝1:10加入去离子水，将混合液置于恒温水浴振荡器，调节温度30℃，转速160rpm，振荡提取1h；振荡提取液在12000rpm，4℃下离心25min并过0.45微米滤膜，获得浸提液；在培养皿加浸提液10mL，并以去离子水为对照，分别均匀点播10粒水芹菜种子；在20℃恒温恒湿箱培养48小时后以去离子水培养的水芹菜种子为对照，测定种子的发芽率和发芽种子的根长，计算生态毒性指标：
Figure BDA0003053682890000061
式中，Dst为试验材料的生态毒性，用％表示；R1为对照的种子发芽率，L1为对照的种子平均根长，R2为浸提液处理后种子的发芽率，L2为浸提液处理后种子的平均根长。
可选的，如上任一所述的材料生物可降解性综合测定装置的使用方法，其中，所述生物降解率指标Djj由以下步骤获得：准备实验材料和参比材料：准备肥龄为2-4个月的腐熟堆肥，使用粒度小于20微米的薄层色谱级纤维素作为正控制参比对照物，将其与腐熟堆肥按照标准干重比混合为参比材料，将待测试材料裁剪至2cm×2cm大小后与同样份量的腐熟堆肥按照标准干重比混合作为实验材料；实验材料中腐熟堆肥与待测试材料的标准干重比为6:1；装料及发酵进行堆肥处理：将混合后的参比材料、混合后的实验材料以及不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥分别投入至不同反应仓主体内，分别进行发酵堆肥处理，并统一设置各反应仓主体内发酵堆肥处理的温度设置为58℃，统一调节各反应仓主体的进气口的曝气速率为1.2L/min；测量生物降解率指标Djj：分别利用变色硅胶干燥各反应仓主体出气口排出的气体，然后，分别利用二氧化碳检测仪器检测混合后的参比材料、混合后的实验材料以及不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥在发酵堆肥处理过程中所排出的二氧化碳量，再按照下列公式计算生物降解率指标Djj：
Figure BDA0003053682890000062
Figure BDA0003053682890000071
式中，ThCO2为试验材料产生的二氧化碳理论释放量，单位为克每个容器，g/容器；MTOT为试验开始时加入堆肥容器的试验材料中的总干固体，单位为克；CTOT为试验材料中总有机碳和总干固体的比；44和12分别表示二氧化碳的分子量和碳的原子量。(CO2)T为每个含有混合后的实验材料的堆肥容器(反应仓单体1和2或3和4)累计放出的二氧化碳量，单位为克每个容器，g/容器；(CO2)B为空白容器(即不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥所在的反应仓单体5和6)累计放出的二氧化碳量平均值，单位为克每个容器，g/容器；最后，作试验材料和参比材料的生物分解曲线(生物分解率和时间的关系曲线)，从生物分解曲线的平坦部分读取平均生物分解率值。
有益效果
(1)本申请通过出料机构同时实现对反应仓主体的密封以及对物料发酵后所产生的发酵物料的排出。并且，本申请通过出料机构中的渗滤液收集盒，利用其与反应仓主体底部的卸料口密封抵接而封闭反应仓主体，同时，在封闭发酵过程中利用渗滤液收集盒顶部的不锈钢滤网过滤并接收仓内物料发酵后所产生的渗滤液，避免渗滤液影响发酵堆肥处理效果。本申请通过出料机构和接料车的设计实现了自动出料，自动排出渗滤液，减少了人力操作；
(2)本申请在反应仓主体内部设置搅拌桨，利用内插式法兰固定搅拌桨端部以避免其在搅动仓内物料过程中受压断裂，提高搅拌效率。本申请还在反应仓主体的卸料口和仓盖上设置气密性设置，能够直接通过电机驱动搅拌桨混匀物料，提高操作便捷性，并有效抑制了搅拌过程中打开仓盖所散发的臭气；
(3)本申请将多个反应仓设置在同一设备框架上，能够有效利用反应仓单体上部(上部反应)下部(下部出料)空间，降低整体测定装置的占地面积，本测定装置的设备高度也便于操作；
(4)本申请利用电气控制柜实现对各反应仓主体的供气控制、温度控制、搅拌控制，并利用渗滤液收集盒及时排出仓内物料发酵后所产生的渗滤液，有效保障了仓内小堆体物料的高温发酵，提高了测量准确性；
(5)本申请可以采用同一套设备，通过电气控制柜设定不同的反应温度、进气量和搅拌频率实现对不同测定指标的精确控制，由此，本申请的装置能够用于综合评定待测试材料的可降解性能。
本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。
附图说明
附图用来提供对本申请的进一步理解，并且构成说明书的一部分，并与本申请的实施例一起，用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中：
图1是本申请的综合测定材料生物可降解性的反应装置整体结构示意图；
图2是图1中反应仓单体的示意图；
图3是本申请中出料机构结构的示意图；
图4为本发明所采用的反应仓单体中搅拌桨结构的示意图；
图5为本发明所采用的渗滤液收集盒结构的示意图。
图中，1表示设备框架；2表示反应仓单体；3表示电气控制柜；4表示门板；5表示控制面板；6表示仓盖；7表示反应仓主体；8表示搅拌桨；9表示电机；10表示出料机构；11表示接料车；12表示滑轨；13表示固定支转板；14表示气筒铰座；15表示气弹簧；16表示把手；17表示电动推杆；18表示进气口；19表示出气口；20表示内插式法兰；21表示卡扣；22表示密封条；23表示万向轮；24表示支撑架；25表示支撑底板；26表示侧立板；27表示渗滤液收集盒；28表示弧形不锈钢滤网；29表示渗滤液调节球阀；30表示齿轮；31表示齿条。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“内、外”的含义指的是相对于反应仓单体本身而言，由仓盖指向反应仓主体内部搅拌桨的方向为内，反之为外；而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“左、右”的含义指的是使用者正对控制面板时，使用者的左边即为左，使用者的右边即为右，而非对本申请的装置机构的特定限定。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
本申请中所述的“上、下”的含义指的是使用者正对控制面板时，由万向轮指向仓盖的方向即为上，反之即为下，而非对本申请的装置机构的特定限定。
图1为根据本申请的一种综合测定材料生物可降解性的反应装置，其包括：
设备框架1；
电气控制柜3，其设置在设备框架1上，所述电气控制柜3表面安装有控制面板5，其内部设置有PLC控制器，以及相应的供气装置和电机驱动电路；
排列设置在设备框架1上的若干个反应仓单体2，各所述反应仓单体2分别连接电气控制柜3，各反应仓单体2之间相互独立且由所述电气控制柜3分别控制，其中，所述反应仓单体2包括：
反应仓主体7，其设置在反应仓单体2内部的上侧，所述反应仓主体7的顶部由仓盖6密封，仓盖6打开后能够向反应仓主体7内投入测定所需物料，所述反应仓主体7的侧壁贴有电加热板及保温棉，所述电加热板由电气控制柜3内PLC控制器控制以根据设置在调节反应仓主体7内部的温度传感器所采集的温度相应的供热，保证仓内发酵反应的温度在测定标准所要求的范围内；所述反应仓主体7的底部设置有用于排出仓内物料的卸料口；
搅拌桨8，其设置在反应仓主体7的内部，所述搅拌桨8的后端连接安装在反应仓主体7后侧的电机9，电气控制柜3控制电机9运转而驱动搅拌桨8在反应仓主体7内翻转仓内物料；
进气口18，其设置在反应仓主体7的前侧壁上，所述进气口连通至反应仓主体7内部，用于根据电气控制柜3中PLC控制器所输出的控制信号相应驱动供气装置调整反应仓主体7内部的进气时长；
出气口19，其设置在反应仓主体7的后侧，所述出气口的一端连通至反应仓主体7内部，所述出气口的另一端经过变色硅胶干燥后连接至二氧化碳检测仪器，用于检测仓内物料发酵反应过程中所排出的二氧化碳量；
出料机构10，其包括设置在反应仓主体7下方的渗滤液收集盒27，当渗滤液收集盒27密封抵接在反应仓主体7底部的卸料口上时，渗滤液收集盒27用于接收仓内物料发酵后所产生的渗滤液；当渗滤液收集盒27脱离反应仓主体7底部的卸料口时，用于供仓内物料发酵后所产生的发酵物料排出；
接料车11，其设置在反应仓单体2内部的下侧，且位于渗滤液收集盒27的下方，所述接料车11的顶部设置为开放式结构，用于接收通过反应仓主体7底部卸料口排出的发酵物料。
由此，本申请能够以厨余垃圾为基质，通过电气控制柜控制反应仓单体2提供符合测定标准要求的反应条件，通过待测试材料与参比材料崩解率、生态毒性和生物降解率的对比而实现对材料生物可降解性综合测定。具体执行时，可参照以下步骤：
第一步，将厨余垃圾破碎为2-5cm大小，向厨余垃圾碎片中按照湿重比4:1添加木屑混合均匀作为发酵物料，将待测试材料裁剪至5cm×5cm大小的碎片，并用着色剂对待测试材料染色，标记为试验材料，将试验材料碎片按照相对于发酵物料湿重1％的重量比与发酵物料混合；
第二步，将试验材料及发酵物料的混合物装入上述综合测定装置中的一个反应仓主体7中，通过控制面板5设置该反应仓主体7中反应仓单体2的加热温度为40℃，调节进气口18的曝气速率为1.2L/min，设置搅拌桨8的搅拌频率为一天一次，启动发酵进行堆肥处理，并在发酵过程中通过渗滤液收集盒27接收仓内试验材料发酵后所产生的渗滤液；
第三步，待堆肥处理至测试所需肥龄时，驱动出料机构10向下转动而打开反应仓主体7底部的卸料口，同时驱动搅拌桨转动以将仓内发酵物料通过卸料口排出至接料车11，接料车11接收仓内试验材料发酵后所产生的发酵物料后分别对发酵物料进行测定，计算获得试验材料的崩解率指标DBJ、生态毒性指标DST和生物降解率指标DJJ，综合三相指标综合判断实验材料的生物可降解性。
其中，所述崩解率指标BJ由以下步骤获得：
称量接料车11所收集到的大于2mm的发酵物料碎片中染色标记的试验材料的质量，将其与试验所添加的待测试材料的原始质量进行比较，计算崩解率指标DBJ：
Figure BDA0003053682890000121
式中，Dbj为试验材料的崩解率，用％表示；M1为试验开始时投入的试验材料总干固体量，单位为克；M2为试验后收集得到试验材料总干固体量(清水洗净后测量)，单位为克。
所述生态毒性指标DST由以下步骤获得：
步骤S1，称取3g堆肥后实验材料鲜样，按湿重/体积＝1:10加入去离子水，将混合液置于恒温水浴振荡器，调节温度30℃，转速160rpm，振荡提取1h；
步骤S2，振荡提取液在12000rpm，4℃下离心25min并过0.45微米滤膜，获得浸提液；
步骤S3，在培养皿加浸提液10mL，并以去离子水为对照，分别均匀点播10粒水芹菜种子；
步骤S4，在20℃恒温恒湿箱培养48小时后，以同等条件下去离子水培养的水芹菜种子为对照，测定种子的发芽率和发芽种子的根长，计算生态毒性指标DST：
Figure BDA0003053682890000131
式中，Dst为试验材料的生态毒性，用％表示；R1为对照的种子发芽率，L1为对照的种子平均根长，R2为处理的种子发芽率，L2为处理的种子平均根长。
所述生物降解率指标DJJ由以下步骤获得：
步骤J1，准备实验材料和参比材料：准备肥龄为2-4个月的腐熟堆肥，使用粒度小于20微米的薄层色谱级纤维素作为正控制参比对照物，将其与腐熟堆肥按照标准干重比混合为参比材料，将待测试材料裁剪至2cm×2cm大小后与同样份量的腐熟堆肥按照标准干重比混合作为实验材料；实验材料中腐熟堆肥与待测试材料的标准干重比为6:1；
步骤J2，装料及发酵进行堆肥处理：将混合后的参比材料、混合后的实验材料以及不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥分别投入至不同反应仓主体7内，分别进行发酵堆肥处理，并统一设置各反应仓主体7内发酵堆肥处理的温度设置为58℃，统一调节各反应仓主体7的进气口18的曝气速率为1.2L/min；
步骤J3，测量生物降解率指标JJ：分别利用变色硅胶干燥各反应仓主体7出气口19排出的气体，然后，分别利用二氧化碳检测仪器检测混合后的参比材料、混合后的实验材料以及不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥在发酵堆肥处理过程中所排出的二氧化碳量，再按照下列公式计算生物降解率指标DJJ：
Figure BDA0003053682890000141
Figure BDA0003053682890000142
式中，ThCO2为试验材料产生的二氧化碳理论释放量，单位为克每个容器，g/容器；MTOT为试验开始时加入堆肥容器的试验材料中的总干固体，单位为克；CTOT为试验材料中总有机碳和总干固体的比；44和12分别表示二氧化碳的分子量和碳的原子量。(CO2)T为每个含有试验混合物的堆肥容器(反应仓单体1和2或3和4)累计放出的二氧化碳量，单位为克每个容器，g/容器；(CO2)B为空白容器(反应仓单体5和6)累计放出的二氧化碳量平均值，单位为克每个容器，g/容器；
步骤J4，作试验材料和参比材料的生物分解曲线(生物分解率和时间的关系曲线)，从生物分解曲线的平坦部分读取平均生物分解率值。
由此，本申请能够利用电器控制柜分别单独控制设备框架上所安装的各个反应仓单体内部的反应条件，利用反应仓单体侧壁的电加热板和保温材料实现仓内小堆体物料的高温发酵，利用渗滤液收集盒收集仓内物料发酵后所产生的渗滤液，保证生物可降解性的综合测定过程能够严格按照标准发酵指标进行。本申请还能够通过反应仓单体底部的出料机构和接料车配合仓内搅拌桨的转动，实现自动出料，减少人力操作。仓内的搅拌桨能够在反应过程中将仓内物料混匀，避免反应过程中开启仓盖，泄露臭气和仓内热量，保证正规化反应过程标准可控。
在具体实现上述综合测定材料生物可降解性的反应装置时，述设备框架1的底部还分别在对应于每一个反应仓单体2的位置上设置有重量传感器，用于测量投入至仓内的物料的重量，并显示在电气控制柜的控制面板5上；
设备框架1下还可进一步设置万向轮23，方便装置移动；
设备框架1的前部还可通过门板4分别封闭每一个反应仓单体2；
参考图2，所述反应仓单体2的外部还可分别设置为由各自相互独立的支撑架24支撑，各支撑架分别包括有：
侧立板26，其设置在支撑架24的两侧，与反应仓主体7的侧壁连接固定；
支撑底板25，其连接在支撑架24的底部，所述支撑底板25上还设置有由后向前延伸的滑轨12，所述接料车11沿滑轨12前后移动供取出掉落其中的发酵物料或接收由反应仓主体7掉落的发酵物料；
反应仓单体2安装至设备框架1后，反应仓单体2的支撑底板25位于重量传感器上方，触发重量传感器采集反应仓单体2及其仓内物料的重量。
反应仓单体2中，反应仓主体7的仓盖6可采用还原树脂材料，提供保温隔热效果，仓盖的下侧边缘还可设置有密封条22，实现对反应仓主体7的密封，以保证整个反应仓主体7仅通过出气口19排出仓内气体实现对仓内物料发酵反应过程中所产二氧化碳的测量；
所述仓盖6与反应仓主体之间还设置有卡扣21，卡扣21锁定状态下，仓盖6与反应仓主体7的顶部之间通过所述密封条22保持密封连接；
所述仓盖6的顶部还设置有把手16，所述仓盖6的侧部还连接有气弹簧15，所述气弹簧15的下端与设置在侧立板26外侧的气筒铰座14连接，仓盖6可响应于电气控制柜所触发的开启信号，由所述气弹簧15驱动而以设置在反应仓主体7后侧顶端的固定支转板13为转轴向上转动打开反应仓主体7供投入反应物料或向下转动封闭所述反应仓主体7，提供封闭可控的反应环境。
本申请所提供的出料机构10可参考图3所示，将渗滤液收集盒27的底部设置为前低后高，渗滤液收集盒27的顶部配合于反应仓主体7卸料口的弧度结构而相应设置能够紧密贴合该接料口的渗滤液接收口，渗滤液接收口由弧形不锈钢滤网28封闭以隔离仓内的固体发酵物而仅供渗滤液通过弧形不锈钢滤网28收集进入渗滤液接收口内。配合于渗滤液收集盒27底部的倾斜角度，本申请中还可在积累较多渗滤液的渗滤液收集盒27的前端下部连接渗滤液调节球阀29，由所述渗滤液调节球阀29连接排水管，控制排出渗滤液收集盒27内所接收的渗滤液，避免渗滤液影响仓内物料反应；
弧形不锈钢滤网28的孔径可设置为1mm，以充分阻隔细小发酵物料掉落渗滤液收集盒影响后续测定准确性，并同时保证对发酵后渗滤液的滤除；
所述渗滤液收集盒27的一侧可通过中间连接件连接有图5所示的平行于渗滤液收集盒27边缘的转动轴，所述转动轴的后端固定设置有齿轮30，所述齿轮30与竖直设置在反应仓主体7后侧的齿条31啮合，所述齿条31的上端与固定设置在反应仓主体7后侧的电动推杆17固定连接；由此，所述电动推杆17可响应于电气控制柜3的控制信号而相应的向下伸出或向上收回：电动推杆17向下伸出的过程中，其端部齿条啮合并驱动齿轮30以第一方向转动，带动转轴以打开方向旋转，使渗滤液收集盒27向下转动而脱离反应仓主体7底部的卸料口，使反应仓主体7内部的发酵物料能够通过卸料口落入接料车11内；电动推杆17向上收回的过程中，其端部齿条啮合并驱动齿轮30以第二方向转动，带动转轴以关闭方向旋转，使渗滤液收集盒27向上转动，并使渗滤液收集盒27中渗滤液接收口的上侧紧密贴合在反应仓主体7底部的卸料口四周，利用电动推杆17驱动齿轮齿条提供向上翻转的扭矩而使得渗滤液收集盒27向上紧密贴合甚至过盈连接，封闭所述卸料口，保证反应过程中反应仓主体7内部完全密封，仅通过进气口按照标准要求的曝气速率提供反应气体，并通过出气口相应排出反应后的二氧化碳气体以供二氧化碳检测仪器对实验材料发酵堆肥处理过程中所排出的二氧化碳量的测定。
所述反应仓主体7内部的搅拌桨8具体可设置为图4所示，具有水平设置在电机输出轴与安装在反应仓主体7内壁前侧的内插式法兰20之间的驱动轴，以及呈90度夹角均匀排列在驱动轴外周的桨叶。其由电气控制柜控制而在仓内物料发酵过程中按照设定的翻转频率转动，搅拌混匀仓内物料，还可在渗滤液收集盒27脱离反应仓主体7底部的卸料口时转动，驱动供仓内的发酵物料翻转并由所述卸料口排出至接料车11内。内插式法兰20能够通过插销结构与搅拌桨8的前端连接，提供对搅拌桨8的支撑，避免其在翻转仓内物料时受压而变形、断裂。内插式法兰20与搅拌桨8之间可拆卸连接，可方便在搅拌桨故障变形时对其进行更换。由此，可有效延长本申请测定装置的使用寿命。
由此，本申请通过六个反应仓单体分别正对不同测定标准的发酵条件精确控制物料发酵以进行不同降解性能的测定，或通过将反应仓单体精确设置为相同发酵条件而实现与参比材料的对照比对。本申请在电气控制柜内设置流量调节阀，将其通过软管连接至进气口精确控制反应仓进气量；本申请中可利用反应仓单体内的搅拌桨直接在不开启仓盖不泄露发酵臭气的情况下实现物料定时自动翻堆；本申请还在仓体两侧贴有电加热板和保温棉，形成保温加热型的仓体；通过仓第卸料口所设置的渗滤液收集盒，有效排出发酵渗滤液并在反应过程中实现对仓内环境的密封，在反应结束后打开卸料口排出仓内发酵物料；本申请在反应仓单体的仓盖与仓体之间通过两个气弹簧和四个卡扣实现密封，放料盖板采用电动推杆来保障装置气密性；本装置中设置有重量传感器、温度传感器、电机、空压机、电加热板、出料机构的驱动电机均与PLC控制器电连接，可实现自动化操作和自动记录数据。本发明能够综合测定试验材料的崩解率指标BJ、生态毒性指标ST和生物降解率指标JJ，以便后续通过加权综合评估方法，综合材料降解率、崩解率和生态无毒性实现对材料生物可降解性的综合评估。本发明的优点是测定装置可精确控制供气、温度、翻堆、水分排出，气密性好，测定方法能从多方面全面检测材料可降解性。本发明得到的数据准确性高，结果可信性高，能够作为评价材料降解性的有效装置和方法。
以上仅为本申请的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种综合测定材料生物可降解性的反应装置，其特征在于，包括：
设备框架（1）；
电气控制柜（3），其设置在设备框架（1）上，所述电气控制柜（3）表面安装有控制面板（5），其内部设置有PLC控制器；
排列设置在设备框架（1）上的若干个反应仓单体（2），各所述反应仓单体（2）分别连接电气控制柜（3），各反应仓单体（2）之间相互独立且由所述电气控制柜（3）分别控制，其中，所述反应仓单体（2）包括：
反应仓主体（7），其设置在反应仓单体（2）内部的上侧，所述反应仓主体（7）的顶部由仓盖（6）密封，仓盖（6）打开后能够向反应仓主体（7）内投入测定所需物料，所述反应仓主体（7）的侧壁贴有电加热板及保温棉，所述电加热板由电气控制柜（3）控制以调节反应仓主体（7）内部温度；所述反应仓主体（7）的底部设置有用于排出仓内物料的卸料口；
搅拌桨（8），其设置在反应仓主体（7）的内部，所述搅拌桨（8）的后端连接安装在反应仓主体（7）后侧的电机（9），电气控制柜（3）控制电机（9）运转而驱动搅拌桨（8）在反应仓主体（7）内翻转仓内物料；
进气口（18），其设置在反应仓主体（7）的前侧壁上，所述进气口连通至反应仓主体（7）内部，用于根据电气控制柜（3）所输出的控制信号调整反应仓主体（7）内部的进气时长；
出气口（19），其设置在反应仓主体（7）的后侧，所述出气口的一端连通至反应仓主体（7）内部，所述出气口的另一端经过变色硅胶干燥后连接至二氧化碳检测仪器；
出料机构（10），其包括设置在反应仓主体（7）下方的渗滤液收集盒（27），当渗滤液收集盒（27）密封抵接在反应仓主体（7）底部的卸料口上时，渗滤液收集盒（27）用于接收仓内物料发酵后所产生的渗滤液；当渗滤液收集盒（27）脱离反应仓主体（7）底部的卸料口时，用于供仓内物料发酵后所产生的发酵物料排出；
所述渗滤液收集盒（27）的一侧连接有转动轴，所述转动轴的后端固定设置有齿轮（30），所述齿轮（30）与竖直设置在反应仓主体（7）后侧的齿条（31）啮合，所述齿条（31）的上端与固定设置在反应仓主体（7）后侧的电动推杆（17）固定连接；接料车（11），其设置在反应仓单体（2）内部的下侧，且位于渗滤液收集盒（27）的下方，所述接料车（11）的顶部设置为开放式结构，用于接收通过反应仓主体（7）底部卸料口排出的发酵物料；
所述电动推杆（17）由电气控制柜（3）控制向下伸出或向上收回，电动推杆（17）向下伸出的过程中驱动齿轮（30）以第一方向转动，带动转轴以打开方向旋转，使渗滤液收集盒（27）向下转动脱离反应仓主体（7）底部的卸料口，使反应仓主体（7）内部的发酵物料落入接料车（11）内；电动推杆（17）向上收回的过程中驱动齿轮（30）以第二方向转动，带动转轴以关闭方向旋转，使渗滤液收集盒（27）向上转动并紧密贴合反应仓主体（7）底部的卸料口，封闭所述卸料口。
2.如权利要求1所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其特征在于，所述设备框架（1）的底部还分别在对应于每一个反应仓单体（2）的位置设置有重量传感器；
所述反应仓单体（2）的外部还设置有支撑架（24），包括：
侧立板（26），其设置在支撑架（24）的两侧，与反应仓主体（7）的侧壁连接固定；
支撑底板（25），其连接在支撑架（24）的底部，所述支撑底板（25）上还设置有由后向前延伸的滑轨（12），所述接料车（11）沿滑轨（12）前后移动供取出掉落其中的发酵物料或接收由反应仓主体（7）掉落的发酵物料；
反应仓单体（2）安装至设备框架（1）后，反应仓单体（2）的支撑底板（25）位于重量传感器上方，触发重量传感器采集反应仓单体（2）及其仓内物料的重量。
3.如权利要求1所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其特征在于，所述仓盖（6）采用还原树脂材料，其下侧边缘设置有密封条（22）；
所述仓盖（6）与反应仓主体之间还设置有卡扣（21），卡扣（21）锁定状态下，仓盖（6）与反应仓主体（7）的顶部之间通过所述密封条（22）保持密封连接。
4.如权利要求2所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其特征在于，所述仓盖（6）的顶部还设置有把手（16），所述仓盖（6）的侧部还连接有气弹簧（15），所述气弹簧（15）的下端与设置在侧立板（26）外侧的气筒铰座（14）连接，仓盖（6）由所述气弹簧（15）驱动而以设置在反应仓主体（7）后侧顶端的固定支转板（13）为转轴向上转动打开或向下转动封闭所述反应仓主体（7）。
5.如权利要求1所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，其特征在于，所述渗滤液收集盒（27）的底部设置为前低后高，所述渗滤液收集盒（27）的前端下部还连接有渗滤液调节球阀（29），由所述渗滤液调节球阀（29）排出渗滤液收集盒（27）内所接收的渗滤液；
所述反应仓主体（7）内部的搅拌桨（8）在渗滤液收集盒（27）脱离反应仓主体（7）底部的卸料口时转动，驱动供仓内的发酵物料翻转并由所述卸料口排出至接料车（11）内。
6.一种综合测定材料生物可降解性的反应装置的使用方法，其特征在于，利用权利要求1至5任一所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置，执行以下步骤：
第一步，将厨余垃圾破碎为2-5 cm大小，向厨余垃圾碎片中按照湿重比4:1添加木屑混合均匀作为发酵物料，将待测试材料裁剪至5cm×5cm大小的碎片，并用着色剂对待测试材料进行染色，标记为试验材料，试验材料碎片按照相对于发酵物料湿重1%的重量比与发酵物料混合；
第二步，将试验材料及发酵物料的混合物装入权利要求1至5任一所述综合测定装置中的一个反应仓主体（7）中，通过控制面板（5）设置相应反应仓单体（2）的加热温度为40 ℃，调节进气口（18）的曝气速率为1.2 L/min，设置搅拌桨（8）的搅拌频率为一天一次，启动发酵进行堆肥处理并在发酵过程中通过渗滤液收集盒（27）接收仓内试验材料发酵后所产生的渗滤液；
第三步，待堆肥处理至测试所需肥龄时，驱动出料机构（10）敞开反应仓主体（7）底部的卸料口，通过接料车（11）接收仓内试验材料发酵后所产生的发酵物料，分别对发酵物料进行测定，计算获得试验材料的崩解率指标Dbj、生态毒性指标Dst和生物降解率指标DJJ。
7.如权利要求6所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置的使用方法，其特征在于，所述崩解率指标Dbj由以下步骤获得：
称量接料车（11）所收集到的大于2mm的发酵物料碎片中染色标记的试验材料的质量，将其与试验所添加的待测试材料的原始质量进行比较，计算崩解率指标Dbj：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
式中，Dbj为试验材料的崩解率，用%表示；M1为试验开始时投入的试验材料总干固体量，单位为克；M2为试验后收集得到试验材料经清水洗净后测量获得的总干固体量，单位为克。
8.如权利要求6所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置的使用方法，其特征在于，所述生态毒性指标Dst 由以下步骤获得：
（1）称取3g堆肥后实验材料鲜样，按湿重/体积=1:10加入去离子水，将混合液置于恒温水浴振荡器，调节温度30℃，转速160rpm，振荡提取1h；
（2）振荡提取液在12000 rpm ，4℃下离心25min并过0.45微米滤膜，获得浸提液；
（3）在培养皿加浸提液10mL，并以去离子水为对照，分别均匀点播10粒水芹菜种子；
（4）在20℃恒温恒湿箱培养48小时后以去离子水培养的水芹菜种子为对照，测定种子的发芽率和发芽种子的根长，计算生态毒性指标Dst：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
式中，Dst为试验材料的生态毒性，用%表示；R1为对照的种子发芽率，L1为对照的种子平均根长，R2为浸提液处理后种子的发芽率，L2为浸提液处理后种子的平均根长。
9.如权利要求6所述的综合测定材料生物可降解性的反应装置的使用方法，其特征在于，所述生物降解率指标DJJ 由以下步骤获得：
（1）准备实验材料和参比材料：准备肥龄为2-4个月的腐熟堆肥，使用粒度小于20微米的薄层色谱级纤维素作为正控制参比对照物，将其与腐熟堆肥按照标准干重比混合为参比材料，将待测试材料裁剪至2cm×2 cm大小后与同样份量的腐熟堆肥按照标准干重比混合作为实验材料；实验材料中腐熟堆肥与待测试材料的标准干重比为6:1；
（2）装料及发酵进行堆肥处理：将混合后的参比材料、混合后的实验材料以及不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥分别投入至不同反应仓主体（7）内，分别进行发酵堆肥处理，并统一设置各反应仓主体（7）内发酵堆肥处理的温度设置为58 ℃，统一调节各反应仓主体（7）的进气口（18）的曝气速率为1.2 L/min；
（3）测量生物降解率指标DJJ：分别利用变色硅胶干燥各反应仓主体（7）出气口（19）排出的气体，然后，分别利用二氧化碳检测仪器检测混合后的参比材料、混合后的实验材料以及不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥在发酵堆肥处理过程中所排出的二氧化碳量，再按照下列公式计算生物降解率指标DJJ：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
Figure DEST_PATH_IMAGE004
式中，ThCO2为试验材料产生的二氧化碳理论释放量，单位为克每个容器，g/容器；MTOT为试验开始时加入堆肥容器的试验材料中的总干固体，单位为克；CTOT为试验材料中总有机碳和总干固体的比；44和12分别表示二氧化碳的分子量和碳的原子量；(CO2) T为每个含有混合后的实验材料的堆肥容器累计放出的二氧化碳量，单位为克每个容器，g/容器；(CO2) B为不添加任何材料的同等份量腐熟堆肥所在容器累计放出的二氧化碳量平均值，单位为克每个容器，g/容器；
（4）作试验材料和参比材料的生物分解曲线，从生物分解曲线的平坦部分读取平均生物分解率值。
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