欧奇奥粒度和形貌分析在化肥质量控制中的应用

杨正红

(仪思奇〔北京〕科技发展有限公司 北京 102208)

0 前言

现有的各种化肥产品大多以粒状或较大的结晶态销售，粒度是化肥产品重要的表现特性之一，也是化肥产品的质量指标之一。对不同的化肥产品有不同的粒度要求，在不同肥料产品质量标准中也会制定相应的粒度指标。颗粒粒度的性质包含尺度(粒径)和形貌(粒形)2个方面，而对化肥这一特定商品，除了关心颗粒大小外，还应加上趋于“球形”的程度，即粒子的外观是否良好[1]。

粒度对化肥产品质量有着重要影响，具体表现在以下几个方面：

(1) 影响观感。粒度均匀、外观圆润、分散性好的粒肥易使用户产生信任感，利于销售。

(2) 影响肥效及养分释放速率。化肥产品的平均粒径越大，其与土壤和大气接触的面积越小，这将延缓其与土壤相互作用的过程，减少被土壤固定的机会，不易吸湿或潮解而导致流失，并影响播散范围与供肥强度。相反，化肥产品颗粒偏小，其与土壤的接触面积增大，虽能提高供肥强度和有效性，但也容易挥发和淋失。因此，必须根据不同情况控制化肥产品的粒度大小和分布范围。

(3) 影响施用。化肥的施用有手工施用、机施、喷施等多种方式。颗粒钝度好(即趋于球形)，流动性就好，不仅便于手工施用，而且采用机具施肥时也能保证肥料均匀地从料斗、分布器施入土壤。适合大面积作业的喷施方法包括压缩空气喷洒与飞机撒施等，如果肥料颗粒粒径大而均匀，可避免被风吹散失和被截留在植物枝叶上而引起的损失。因此，粒肥的粒度和粒形对肥料施用的作业效率、均匀性、肥料利用率都有很大影响。

(4) 影响化肥产品的储运。化肥颗粒越小，其表面积越大，越容易在空气中吸潮并结块。在储运过程中，小粒径及钝度差的粒肥产品颗粒间接触紧、摩擦多，易破碎起尘，容易出现不均匀离散现象，从而影响化肥的施用。因此，任何粒肥都要求在储运过程中保持干燥、松散和流动性，并要求粒肥能有理想的粒度范围分布。

粒肥结块是化肥生产企业与用户长期关心的热点问题[1]。粒肥结块除受含水量、温度、强度等因素影响外，肥料粒度的影响至关重要。颗粒不均、细粒过多、钝度差的粒肥，其抗压强度、耐磨性、抗冲击强度也较差，颗粒脆弱易散，在储运过程中易粉化或受压变形，分离度高。当这些细粒和细粉填满了粗粒之间的空隙，颗粒间的接触点与接触面积就成百倍增加，这样的化肥就很容易结块。一般认为粒肥中细粒与细粉所占质量分数达到30%时，即达到化肥结块的临界值。

国外粒肥产品一般都有较好的粒级分布，不少粒肥样品保留多年后，从表面上看已“结”，但一摇动即成松散状，说明其仍保持一定的流动性。这种化肥产品在生产时可能采取了相应的防结块措施，但粒度好是重要因素之一。粒度好的产品有时虽然也会“结”，但结而不“死”，不至于成块。

国内多数复混肥料(复合肥料)生产企业在生产时不大注意控制粒肥的粒度分布，因而产品结块带有一定的普遍性。重视粒肥产品的粒度控制，对改善产品质量是非常重要的。

为了了解或预测化肥的属性，处理涉及颗粒行为的所有问题(分离、播撒……)，需要更好地表征化肥的颗粒大小和形貌。现有的测量方法有些已经形成标准[2]，但是其测量值不是化肥的基本属性，难以用于模型计算。作为行业标准的筛分方法需要较长的测试时间和大量样品，并且其结果受到人为因素和颗粒形貌的影响[3]。为此，比利时瓦隆农业研究中心(CRA- W)将传统方法与欧奇奥图像法技术对化肥产品粒度和形貌的分析结果进行比较，并研究了测量之间的关系[4]。

1 欧奇奥图像法粒度和形貌分析技术

根据《粒度分析结果的表述 第6部分：颗粒形状和形态的定性及定量表述》(ISO 9276- 6:2008或GB/T 15445.6—2014)，粒度有多种定义，“具有相同物理特征的球体的直径即等效球直径”只是其中一种定义的表达，而不同的粒径定义都与颗粒某一方面性能特征有关，如：筛分法得到的是以质量为基准的颗粒筛分直径分布[2- 3]；显微镜法看到的是颗粒的长度和宽度，并且能看到颗粒形状，但其不能定量，不具有统计意义[3]。

图像分析技术是测量颗粒大小、几何形状和形态等特征的方法，可以在一次测量中表征所有定义了的颗粒大小和形貌参数，测量、描述和验证方法的执行标准包括《粒度分析 图像分析法 第1部分：静态图像分析法》(GB/T 21649.1—2008)和《粒度分析 图像分析法 第2部分：动态图像分析法》(ISO 13322- 2:2006)。

颗粒形状是由其表面所有点构成的包络面，颗粒形态则是这种简单形状描述向复杂描述(如孔隙率、粗糙度和织构特征)的延伸，而颗粒形貌(粒形)是颗粒形状和形态的总称。

比利时欧奇奥仪器公司汇集了法、意、比、德等多国科学家，开发了不依靠显微镜的可变焦显微成像扫描技术。这种尖端技术可直接测量粒子大小和形态，并定量化分析数万个粒子，保证粒度和粒形最终结果统计的可信度，因此是最新一代的颗粒分析技术[5- 7]。

颗粒形状的不规则性主要表现在3个层次或尺度，即图1(a)所示的椭圆度对球形度、有角度(凸度)对圆润度，而平滑度与粗糙度正好相反[8- 12]。

1.椭圆度对球形度(宏观) 2.有角度对圆润度(介观) 3.粗糙度对平滑度(微观)图1 欧奇奥仪器公司从宏观、介观和微观3个层次描述(表征)有关颗粒形状的不规则性

球形度是最大内切球体与最小外接球体的直径比，圆润度定量表示为颗粒表面特征曲率的平均半径与最大内切圆半径之比，具有不同球形度和圆润度的颗粒形状对比[9]如图1(b)所示，可见圆润度不能代表球形度。粗糙度是比颗粒直径小得多的表面特征，欧奇奥图像法分析仪器软件可以直接给出粗糙度分布等微观粒形信息。

图像分析系统通过量化各种形状分布值而不是定性描述各种形状，提供了明确的粒形参数的数值分布。欧奇奥图像分析技术不仅能够提供50多个粒度分布和形貌分布参数，还能够进行颗粒计数，相当于集激光粒度仪、显微镜和库尔特计数器功能于一身，是取代筛分法、显微镜法和激光衍射法的新一代颗粒分析技术[5- 7]。

欧奇奥Callisto应用和图像处理软件(图2)包括粒度分布图、粒度和形貌2D相关图、箱形图(用于不同粒度或粒形分布参数的比较)， 支持远程网络诊断，并且可读取和分析外源性电镜等照片，具有广泛的适用性。

图2 欧奇奥Callisto应用和图像处理软件界面

2 图像法粒度和形貌分析技术在化肥质量控制中的应用

CRA- W在EN标准《检测和校准实验室能力的通用要求》(ISO 17025:2005)认可的实验室中，选择了具有广泛代表性的约50种化肥样本，分别采用传统技术和图像法测定了样品的物理性质，以探索全范围的化肥物理特性值[4]。

2.1 以每种肥料约10 kg的样品量采用传统技术测定物理性质

(1) 筛分法粒径分析(EN 1235/A1—2003)

化肥平均粒径在2.5～4.5 mm之间。在实践中，级配曲线的特点是采用不同的累计百分位数的dx值表示，其中x是通过筛网的质量分数，最常用的是d10、d16、d50、d84和d90。粒度分布用粒度播散指数GSI(Granulometric Spread Index)表示，其值在10～50之间。GSI按式(1)计算：

(1)

(2) 密度(EN 1236—1999和EN 1237—1995)

这些值在700～1 400 kg/m3之间，但大多数化肥的堆密度在950～1 100 kg/m3之间。

(3) 形状(EN 12047—1997)

测量一定高度并自由堆成的料堆静止角度，休止角按式(2)计算：

(2)

式中：α——休止角，其值在30°～40°；

d——料堆的基底直径；

d1——漏斗孔(25 mm)；

h——料堆的高度(120 mm)。

(4) 流量(EN 13299—2016)

肥料从校准后的漏斗中自由流下，流速范围为4～7 kg/min，与密度直接关联。

2.2 以每种肥料约300 g的样品量采用图像法分析

在Occhio图像法粒度和形貌分析仪中，样品被分散在置于光源上方的移动透明传送带上。仪器中的数字工业相机(1 300×1 024像素)以1个像素约等于40 μm的分辨率进行拍摄，这意味着约有3 500个像素数字化表达直径为2.5 mm的颗粒，可以很好地估计颗粒的形态特性(图3)。对于每种肥料，测量的颗粒数超过2 000个。

仪器外观 从相机中获取的2种不同化肥样品的图像 具有惯性椭圆的单个粒子图3 图像法分析颗粒的形态特性

(1) 粒径

每个粒子的大小以计算颗粒最大内切圆直径(内径)为基础，通过颗粒二次图像的表面关系可确定颗粒体积，并假设密度和平坦度指数与粒径无关。

(2) 形貌

计算肥料的3个参数，即延伸度、粗糙度和圆润度。延伸度是惯性椭圆的短轴与长轴之比，在ISO 9276-6:2008中被命名为椭圆率；粗糙度表示与颗粒平滑部分相比较的粗糙部分的重要性；圆润度给出了关于粗糙程度的指征。

2.3 测定结果

测定结果表明:对于砂粒，图像法和筛分法有非常出色的一致性粒度分布分析结果[4]；对于化肥样品，图像法粒度分析与传统筛分法测定结果不尽相同，其差异与颗粒的形貌有关，颗粒越接近球形，结果差异越小。对于化肥的粒形参数，存在如下的关系。

2.3.1 属性之间的关系

(1) 在粗糙度和圆润度之间存在相关性，这意味着表面粗糙的颗粒在图像法分析中能显示出多角的凹凸。

(2) 如图4所示，化肥颗粒的延伸度和休止角之间也有很好的相关性，该线性方程可表示为y=0.415x+27.4，相关系数R2=0.88。

图4 颗粒的延伸度和粉体休止角之间的相关性

延伸度值越小，颗粒越趋于球形，否则颗粒越长。延伸度参数也可用于建立一个关系，作为流量和堆积密度的函数，以测定包装后不同的物理性质[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——无包装的堆积密度；

ρat——包装后的堆积密度；

ρsp——相对密度；

El——延伸度；

F——流量。

2.3.2 属性与颗粒特性之间的关系

延伸度参数与包装一个体积的粉体时的颗粒运动有关，是化肥最有用的形状参数之一，其可用于计算包装后的堆积密度(图5)。颗粒的摩擦对于播撒的建模是非常重要的，播撒期间的一些偏析行为也与混合肥料的延伸度差异非常相关(图6)。

图5 包装后颗粒的延伸度与压实度之间的关系

图6 共混复合肥组分的延伸度差异与播撒期间的偏析关系

图像分析是一个强大的工具，只需几分钟的时间就能给出颗粒总体以及每个颗粒的大小和形状数据，而筛分法试验至少需时约15 min。欧奇奥仪器公司的Scan700型彩色粒度和形貌分析仪(图7)具有机械分散装置，是粒肥的粒径和粒形分析的理想工具，其具有600M的分辨率，不仅可一次性给出粒径分布，而且同时可以提供延伸度、圆润度、凸度、粗糙度、钝度、 球形度的分布图，并且可对颗粒的坚固性和耐磨性及颜色进行评估。

图7 Scan700型彩色粒度和形貌分析仪以及3D应用软件采样界面

3 结语

颗粒大小及其形貌是描述颗粒性质的2个主要参数，因此粒径和粒形是材料物性表征的重要组成部分，也是化肥的特性参数。

“十三五”规划勾画了未来5年中国农业将加快转变生产方式，明确指出要实施化肥、农药使用量零增长行动。化肥使用量零增长意味着行业必须解决产能过剩的矛盾，必须淘汰落后产能，研发高端、高效专用肥料，创造条件适应农业转变发展方式的要求。

加大高端、高效专用肥料的生产力度，进一步提升肥料的使用效率，大幅度减少污染物的排放量，降低生产成本，提高发展的质量和效率，推广测土配方施肥技术，都必须对化肥颗粒的粒径和形貌进行控制，真正生产出颗粒均匀、外观圆润、不黏连、不掉粉、分布窄的球形粒肥。将先进的粒度和形貌分析技术引入化肥工业的质量控制体系以替代繁琐、耗时的传统质检手段已经被提上议事日程。

欧奇奥图像分析法是颗粒分析领域革命性的进步。随着光学、信息科学技术的飞速发展，将直观的显微观察方法与统计学相结合的最新图像法表征不仅能够得到个别颗粒的直观信息，还能够得到大量样本的粒径、粒形的统计信息，从而帮助使用者全方位地表征样品。