بررسی خواص فیزیکی پلتهای تولید شده از کود گاو در روش قالب بسته

1. مقدمه
2. اهداف پژوهش
3. مواد و روش‌ها
4. روش پلت‌سازی (قالب بسته)
5. اندازه‌گیری‌ها و آزمون‌ها
6. نتایج
7. بحث و تبیین نتایج
8. مقایسه مفاهیم (جدولی)
9. پیشنهادات کاربردی
10. نتیجه‌گیری
11. منابع

مقدمه

کود دامی، به‌ویژه کود گاو، به دلیل داشتن ترکیبات آلی و مواد مغذی، گزینه‌ای مهم برای بهبود خاک است. با این حال، چگالی پایین و حجم زیاد این کود باعث افزایش هزینه و دشواری در حمل‌ونقل و انبارش می‌شود. روش‌های متراکم‌سازی مانند فشرده‌سازی و پلت‌سازی به‌منظور افزایش چگالی و سهولت جابجایی معرفی شده‌اند.

اهداف پژوهش

هدف این ترکیب مطالعاتی بررسی تأثیر محتوای رطوبتی بر خواص فیزیکی پلت‌های حاصل از کود گاو هنگام استفاده از روش قالب بسته است و ارائه روابط کمی بین رطوبت و پارامترهای کلیدی مانند جرم مخصوص توده، جرم مخصوص ذره، تخلخل و دوام می‌باشد.

مواد و روش‌ها

نمونه‌های کود گاو از یک دامداری انتخاب شد و به‌مدت حداقل شش ماه در فضای باز پوسیده شده تا ساختار مناسب برای خرد شدن و الک شدن فراهم گردد. سپس مواد با الک مش 50 آماده‌سازی شدند. این مرحله تضمین می‌کند که اندازه ذرات یکنواخت‌تر و مناسب برای فشرده‌سازی باشند.

برای تعیین رطوبت اولیه از استاندارد ASAE S358.2 استفاده شد؛ سه نمونه 10 گرمی در آون در دمای 103±3 درجه سلسیوس به‌مدت 48 ساعت قرار گرفتند. پس از تعیین رطوبت اولیه، با استفاده از محاسبه جرمی آب مورد نیاز، نمونه‌ها به رطوبت هدف (6%، 10%، 15%، 20%) تنظیم شدند و 48 ساعت در یخچال در دمای 5 درجه سانتی‌گراد نگهداری شدند تا رطوبت یکنواخت توزیع گردد.

در برخی مطالعات مکمل (روش قالب باز و پارامترهای دما/فشار)، رطوبت‌های بالاتری مانند 50–60% و شرایط دمایی مختلف (40، 60، 80°C) مورد بررسی قرار گرفته‌اند تا تأثیر عوامل فرآیندی بر دوام و استحکام پلت‌ها بررسی شود؛ نتایج این مطالعات به تحلیل مقایسه‌ای کمک می‌کنند.

روش پلت‌سازی (قالب بسته)

در روش قالب بسته، کود داخل سیلندر استوانه‌ای (قطر ~10 میلی‌متر، طول ~60 میلی‌متر) ریخته می‌شود و خروجی بسته می‌شود. پیستون وارد شده و با حرکت اولیه دستی هواگیری صورت می‌گیرد. سپس با پرس هیدرولیکی نیروی متراکم‌سازی (مثلاً 12.5 کیلو نیوتن) به مدت زمان مشخص (10–20 ثانیه، زمان استراحت) اعمال می‌گردد تا پلت شکل گیرد.

پس از اعمال نیرو و قطع سیستم کنترل، خروجی قالب باز شده و پلت خارج می‌شود. پارامترهای فرآیندی مانند نیروی فشاری، زمان اعمال نیرو، دما و رطوبت اولیه مواد اهمیت بالایی در ویژگی‌های نهایی پلت دارند.

اندازه‌گیری‌ها و آزمون‌ها

برای هر تیمار، طول و قطر 10 عدد پلت با کولیس دیجیتال اندازه‌گیری شد و جرم هر پلت با ترازوی دیجیتال ثبت گردید تا حجم و جرم مخصوص ذره محاسبه گردد. حجم هر پلت به‌عنوان استوانه محاسبه و چگالی ذره از نسبت جرم به حجم به‌دست آمد.

چگالی توده (bulk density) از طریق رهاسازی پلت‌ها از ارتفاع مشخص (610 میلی‌متر) در ظرف استوانه‌ای و محاسبه جرم پلت‌های داخل ظرف نسبت به حجم ظرف تعیین شد (استاندارد ASAE S269.4). آزمون 5 بار تکرار شد تا میانگین معتبر به‌دست آید.

دوام پلت‌ها با دستگاه استاندارد ASAE S269.4 سنجیده شد: 500 گرم پلت در محفظه استوانه‌ای به قطر و اندازه مشخص به مدت 10 دقیقه با سرعت چرخش 50 دور در دقیقه چرخانده شد و نسبت جرم باقی‌مانده پس از آزمون به جرم اولیه به‌عنوان درصد دوام محاسبه گردید.

نتایج

نتایج نشان می‌دهد که با افزایش محتوای رطوبتی از 6% به 20% (w.b.)، جرم مخصوص توده از حدود 660 به 630 کیلوگرم بر متر مکعب کاهش می‌یابد. این کاهش نشان‌دهنده افزایش حجم یا کاهش چگالی بسته‌بندی پلت‌ها در رطوبت‌های بالاتر است.

در مقابل، جرم مخصوص ذره (particle density) با افزایش رطوبت از 1095 به 1583 کیلوگرم بر متر مکعب افزایش نشان داد؛ این پدیده به افزایش جرم جذب‌شده توسط ساختار داخلی پلت و کاهش فضاهای بزرگ بین ذرات مرتبط است.

تخلخل پلت‌ها نیز با افزایش رطوبت افزایش یافته است؛ زیرا افزایش رطوبت موجب تشکیل ساختار متخلخل‌تری می‌شود که چگالی توده را کاهش می‌دهد در حالی که چگالی ذره افزایش می‌یابد.

درصد دوام پلت‌ها در بازه رطوبتی 6% تا 20% بین 34% تا 53% تغییر داشت؛ بیشترین دوام در حدود 10% رطوبت مشاهده شد (حداکثر ~53%) و در رطوبت‌های بالاتر از 10% دوام کاهش نشان داد.

تحلیل رگرسیونی نشان داد که روابط بین رطوبت و پارامترها تقریباً خطی بوده و برای این مجموعه داده‌ها روابط زیر به‌دست آمدند (M بر حسب درصد رطوبت):

ρb = 670.948 − 2.133 M (R² = 0.975) — چگالی توده

ρp = 835.68 + 38.456 M (R² = 0.936) — چگالی ذره

ε = 0.2974 + 0.016 M (R² = 0.941) — تخلخل (کسر حجمی)

بحث و تبیین نتایج

افزایش جرم مخصوص ذره همراه با کاهش جرم مخصوص توده ممکن است در نگاه اول متناقض به‌نظر برسد؛ ولی توضیح فیزیکی آن این است که رطوبت جذب شده جرم ذره را افزایش می‌دهد درحالی‌که ساختار بسته‌بندی کلی و فضای بین ذرات تحت تأثیر رطوبت و تغییرات شکل انتهاپذیری ذرات قرار گرفته و منجر به کاهش چگالی توده می‌شود.

تغییرات خواص رئولوژیکی با افزایش رطوبت (از ویسکوالاستیک به ویسکوپلاستیک) توضیح‌دهنده کاهش دوام پس از نقطه بهینه است؛ در این حالت ماده چسبندگی بین ذرات را از دست داده و مستعد شکست در آزمون دوام می‌شود.

مقایسه با مطالعات دیگر نشان می‌دهد که شرایط بهینه رطوبت و پارامترهای فرآیندی بستگی زیادی به نوع دستگاه (قالب بسته یا باز)، فشار فشرده‌سازی، دما و اندازه ذرات ماده اولیه دارد. مثلاً در یک مطالعه با قالب باز و رطوبت‌های بسیار بالاتر (50–60%)، بهترین نتایج در دمای 40°C و فشار 60 بار گزارش شده است که بیانگر نقش کلیدی فشار و دما در کنار رطوبت است.

بنابراین، تعمیم یک مقدار بهینه رطوبت بدون توجه به پارامترهای فرآیندی و طراحی قالب می‌تواند گمراه‌کننده باشد؛ با این حال در شرایط آزمایشگاهی قالب بسته مورد بررسی، رطوبت نزدیک به 10% بیشترین دوام را نشان داده است.

مقایسه مفاهیم (جدولی)

پیشنهادات کاربردی

برای تولید صنعتی پلت کود گاو با روش قالب بسته موارد زیر پیشنهاد می‌شود: تنظیم محتوای رطوبتی در محدوده‌ای نزدیک به 8–12% برای رسیدن به دوام بهینه، کنترل دقیق نیرو/زمان فشردگی، و ارزیابی اثر دما در صورت استفاده از پیش‌گرمایش مواد.

همچنین توصیه می‌شود آزمایش‌های پیوسته‌ای برای تعیین تأثیر اندازه ذرات، افزودنی‌های بایندر یا مواد چسبنده (در صورت نیاز برای افزایش دوام) و بررسی اثر زمان نگهداری پلت‌ها بر خصوصیات فیزیکی انجام گردد.

از منظر بهره‌وری حمل‌ونقل، افزایش جرم مخصوص ذره به معنی کاهش هزینه‌های انتشار نسبت به حجم است؛ اما کاهش جرم مخصوص توده ممکن است نیاز به افزایش فضای ذخیره‌سازی را ایجاب کند که باید در تحلیل اقتصادی در نظر گرفته شود.

محدودیت‌ها

محدودیت‌های این مجموعه نتایج شامل نمونه‌برداری از یک منبع دامداری، استفاده از مش مشخص برای الک، و عدم پوشش کامل تنوع ترکیب کود (نسبت کود به کاه/بستر) است. علاوه بر این، نبود پوشش کامل پارامترهای فشار و دما در همه تیمارها سبب شده است تفسیر جامع درباره تعامل چندعاملی محدود باشد.

پژوهش‌های آتی

توصیه می‌شود مطالعات بعدی یک طرح عاملی کامل (فشار × دما × رطوبت × اندازه ذرات) را در دستگاه‌های صنعتی یا نیمه‌صنعتی اجرا کنند تا منحنی‌های بهینه‌سازی واقعی‌تر و قابل تعمیم‌تری به‌دست آید. همچنین بررسی افزودنی‌های طبیعی یا بایندرهای زیست‌پایه برای افزایش دوام مفید خواهد بود.

نتیجه‌گیری

ترکیب نتایج نشان می‌دهد که در روش قالب بسته برای کود گاو، رطوبت حدود 10% منجر به حداکثر دوام (≈53%) می‌شود، در حالی که افزایش رطوبت تا 20% باعث کاهش جرم مخصوص توده و افزایش جرم مخصوص ذره می‌گردد. روابط رگرسیونی خطی ارائه‌شده کمک می‌کند تا تولیدکنندگان بتوانند براساس رطوبت، تغییرات چگالی و تخلخل را پیش‌بینی کنند.

انتخاب شرایط بهینه باید براساس الزامات کاربردی (حمل‌ونقل، انبارش، مصرف به عنوان کود) و توانمندی‌های تجهیزات تنظیم شود. همچنین آزمون‌های مقایسه‌ای با قالب باز نشان داده‌اند که فشار و دما می‌توانند به‌طور قابل‌توجهی نقاط بهینه را جابه‌جا کنند.

منابع

منابع مورد استفاده برای ترکیب این مقاله شامل مطالعات آزمایشگاهی در قالب بسته و باز، استانداردهای ASAE S269.4 و S358.2 و مقالات مروری درباره densification و پلت‌سازی زیست‌توده (Fasina, Mani, McMullen و دیگران) بوده است. برای جزئیات عددی و روش‌های دقیق آزمایش به متون مرجع اصلی مراجعه شود.

سپاسگزاری

از حمایت‌های پژوهشی، آزمایشگاهی و منابع داده‌ای که در مطالعات پایه‌ای مورد استفاده قرار گرفتند سپاسگزاریم؛ به‌ویژه مراکز دانشگاهی و استانداردهای بین‌المللی که راهنمایی‌های روش‌شناختی ارائه کردند.

پینوشت‌های کاربردی

برای پیاده‌سازی صنعتی پیشنهاد می‌شود ابتدا آزمایش‌های پایلوت با تجهیزات هدف انجام و سپس پارامترها برای مقیاس بزرگ تنظیم شوند تا خطرات تولید نامناسب و هزینه‌های اضافی کاهش یابد.

تحلیل اقتصادی ساده‌ای از هزینه ذخیره‌سازی و حمل‌ونقل در مقابل هزینه‌های پردازش می‌تواند تعیین کند که آیا پلت‌سازی برای یک دامداری یا مرکز بازیافت کود مقرون‌به‌صرفه است یا خیر.

در نهایت، توجه به قوانین زیست‌محیطی و بهداشتی در فرآیند پلت‌سازی و استفاده از کود پخته یا کمپوست شده برای کاهش خطرات میکروبی توصیه می‌شود.