王 海 ，張小飛 ，邵 偉 ,3，尹 勁 ，余 雄 ,3*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆五家渠共青團(tuán)農(nóng)場西部準(zhǔn)噶爾牧業(yè)有限公司，新疆五家渠 831300；3.新疆肉乳用草食動物營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830052）

2種吸附劑對秋季牛舍中CH4、CO2、H2S和NH3的吸附效果研究

王 海1，張小飛1，邵 偉1,3，尹 勁2，余 雄1,3*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)學(xué)院，新疆烏魯木齊 830052；2.新疆五家渠共青團(tuán)農(nóng)場西部準(zhǔn)噶爾牧業(yè)有限公司，新疆五家渠 831300；3.新疆肉乳用草食動物營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室，新疆烏魯木齊 830052）

CO2、NH3、CH4和H2S是牛舍內(nèi)排放較多的4種溫室氣體，本試驗(yàn)使用2種成分組成有差異的球狀固體分子篩吸附劑對秋季牛舍內(nèi)以上4種氣體進(jìn)行吸附試驗(yàn)。設(shè)置1個對照組和2個試驗(yàn)組，初始條件相同，對照組為不放置吸附劑的通風(fēng)扇，試驗(yàn)組為分別放置13X與活性氧化鋁吸附劑的通風(fēng)扇。結(jié)果表明：2種吸附劑的吸附能力隨著時間的增加而逐漸降低，活性氧化鋁吸附劑對4種氣體的吸附能力較13X吸附劑更好；13X吸附劑在第24小時后需更換，活性氧化鋁吸附劑在第28小時后需更換；13X吸附劑和活性氧化鋁吸附劑對牛舍中CH4、CO2、H2S和NH3均表現(xiàn)出良好的吸附能力。

牛舍；13X吸附劑；活性氧化鋁吸附劑；溫室氣體

研究發(fā)現(xiàn)，二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、硫化氫（H2S）、水蒸氣等溫室氣體是引發(fā)溫室效應(yīng)的罪魁禍?zhǔn)譡1-2]。2006年11月29日，聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織發(fā)表的《牲畜的巨大陰影：環(huán)境問題與選擇》，揭示引發(fā)溫室效應(yīng)的頭號因素是畜牧業(yè)[3]。畜牧業(yè)排放到大氣中的CH4、CO2、H2S和NH3等氣體對世界環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響很大[4]。因此，找到一種高效的家畜減排方法成為科研工作者的首要任務(wù)。一方面，大多數(shù)減排方法會對家畜產(chǎn)生強(qiáng)烈的應(yīng)激反應(yīng)，造成生產(chǎn)性能降低[5-6]。另一方面，在高分子化合物研究上，不同作用的吸附劑被大量研發(fā)并應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中，有效解決了多種不同類型的環(huán)保問題，雖然有關(guān)家畜CH4、CO2、H2S和NH3等氣體排放控制方面的應(yīng)用近幾年并不多，但也小有成就。本試驗(yàn)通過對吸附能力及吸附效果的對比分析，從5種對溫室氣體具有吸附作用的吸附劑中篩選13X吸附劑和活性氧化鋁吸附劑應(yīng)用于牛舍，在秋季對CH4、CO2、H2S和NH3進(jìn)行吸附性試驗(yàn)，比較2種吸附劑在32 h內(nèi)對4種溫室氣體的吸附濃度變化，比較2種吸附劑吸附能力，選出性能較好的吸附劑，制定合理可行的氣體吸附方案，應(yīng)用于牛舍實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中，以減少牛舍中此類氣體的排放量，達(dá)到調(diào)控減排的目的[7]。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時間及地點(diǎn) 2016年8—10月，新疆維吾爾自治區(qū)五家渠市共青團(tuán)（100團(tuán)）農(nóng)場西部準(zhǔn)噶爾牧業(yè)股份有限公司。

試驗(yàn)中的牛舍長為 279 m、寬為80.3 m，總面積22 403.7 m2，由東向西的全封閉式彩鋼結(jié)構(gòu)，牛舍南側(cè)縱墻有45個間隔，每3個通風(fēng)扇1個間隔，總共有通風(fēng)扇135個，風(fēng)扇內(nèi)直徑1.2 m、外直徑1.4 m，2個風(fēng)扇之間相距0.5 m。東側(cè)端墻有4個自動卷簾門，寬4.45 m、高3.18 m，卷簾門中間還設(shè)有1個寬0.9 m、高2 m的開合門。舍內(nèi)北側(cè)有1條寬8.48 m、高2.8 m的擠奶通道。西側(cè)有1條南北走向半玻璃封閉式參觀通道，長80.3 m、寬3.28 m。

1.2 吸附劑參數(shù) 13X吸附劑來自河南鞏義北山口鎮(zhèn)白河村環(huán)?？萍加邢薰荆钚匝趸X吸附劑來自河南騰飛環(huán)?？萍加邢薰?。2種吸附劑主要參數(shù)見表1。

表1 吸附劑主要參數(shù)

1.3 試驗(yàn)儀器 室內(nèi)溫濕度計、大氣壓力表、風(fēng)速測定儀、電子臺秤（最大量程為30 kg，精度為 1 g）、尼龍吸附網(wǎng)、吸附支架、WT-80甲烷檢測報警儀（最大量程為5 000 mg/m3，分辨率為1 mg/m3）、WT-80二氧化碳檢測報警儀（最大量程為50 000 mg/m3，分辨率為1 mg/m3）、WT-80氨氣檢測報警儀（最大量程為500 mg/m3，分辨率為 0.1 mg/m3）、WT-80硫化氫檢測報警儀（最大量程為1 mg/m3，分辨率為 0.01 mg/m3）（氣體檢測儀試驗(yàn)前均用標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行校正，誤差范圍±1%）。

1.4 試驗(yàn)方法 在試驗(yàn)牛舍中，牛群集中且有運(yùn)轉(zhuǎn)正常兩兩相距為7.2 m的通風(fēng)扇3個。在預(yù)試驗(yàn)期間，已排除外在因素，3個通風(fēng)扇的試驗(yàn)初始條件基本一致，氣體濃度基本一致，由左向右分別命名通風(fēng)扇1、通風(fēng)扇2、通風(fēng)扇3。試驗(yàn)時在通風(fēng)扇1口使用便攜式氣體檢測儀測定不懸掛吸附劑時CO2、NH3、H2S和CH4氣體濃度數(shù)據(jù)作為對照組；在通風(fēng)扇2口尼龍吸附網(wǎng)上懸掛13X吸附劑13.4 kg，通風(fēng)扇3口尼龍吸附網(wǎng)上懸掛活性氧化鋁吸附劑13.6 kg，同時測得通風(fēng)扇口2、3排出的CO2、NH3、H2S和CH4氣體濃度數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)組。然后分別與通風(fēng)扇1測得的對照組CO2、NH3、H2S和CH4氣體濃度求差，差值即為2種不同吸附劑在通風(fēng)扇口吸附濃度。

在1、2、3通風(fēng)扇排風(fēng)口處分別放置溫、濕度計和大氣壓力表，檢測溫度、濕度和大氣壓力變化。同時使用風(fēng)速測定儀在通風(fēng)扇口的水平方向、豎直方向分別對1、2、3通風(fēng)扇口風(fēng)速進(jìn)行測量，每次測量5組數(shù)值，平均值即為該通風(fēng)口風(fēng)扇風(fēng)速。試驗(yàn)時間為每天08:30—19:30，每間隔1 h在1、2、3通風(fēng)扇口讀取1組氣體濃度數(shù)據(jù)，每組記錄5個數(shù)據(jù)，取平均值，一次試驗(yàn)周期為32 h，并同時記錄每小時的室溫（℃）、相對濕度（%RH），大氣壓力數(shù)值。當(dāng)天試驗(yàn)測量完畢后，為防止吸附劑與外界空氣和水分接觸，需將吸附網(wǎng)放置密封袋中封存，第2天試驗(yàn)開始時取出，連續(xù)試驗(yàn)，直至2種吸附劑對CO2、NH3、H2S和CH4氣體基本無吸附能力即對照組與2個試驗(yàn)組氣體檢測儀顯示數(shù)據(jù)無差異時停止試驗(yàn)，陰雨雪天等惡劣天氣停止試驗(yàn)，待天氣好轉(zhuǎn)時繼續(xù)。

1.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法 試驗(yàn)中實(shí)際測得的溫度與大氣壓，帶入計算公式1，把氣體檢測儀上所得mg/m3單位轉(zhuǎn)化為mg/m3，再帶入公式2分別計算出1 kg吸附劑對CH4、NH3、H2S和CO2氣體的吸附質(zhì)量[8-9]。利用SPSS19軟件中的Compare Means模塊對3組數(shù)據(jù)吸附濃度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)差計算、Duncan's多組樣本間差異顯著性分析，結(jié)果表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；對2個試驗(yàn)組吸附重量進(jìn)行單因素方差分析（One-Way ANOVA）（需根據(jù)實(shí)際測得溫度數(shù)值，計算出每種氣體體積的膨脹系數(shù)后，再計算吸附重量）。

式中，M為CH4、CO2、H2S和 NH3的摩爾質(zhì)量，分別取16.04、44.01、34.02、17.03 g/mol； C為牛舍中 CH4、CO2、H2S和 NH3的濃度（mg/m3）；P為實(shí)測大氣壓強(qiáng)（kPa）；Cmg/m3為氣體檢測儀顯示的氣體體積百分比濃度（mg/m3）； 273.15為0℃時的開爾文攝氏度（K）； T為實(shí)測溫度（℃）；8.314為理想氣體常數(shù)（Pa.m3/mol.K）。

式中，C0為對照組測得CH4、CO2、H2S和NH3的濃度（mg/m3）；C1為試驗(yàn)組測得CH4、CO2、H2S和NH3的濃度（mg/m3）；V為排風(fēng)扇排出氣體體積（m3）；T為測定濃度時的室溫（℃）；m用為吸附劑的用量（kg)；m吸為1 kg吸附劑吸附氣體質(zhì)量（kg)。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫、濕度差異分析 通過SPSS19軟件分析處理得到下表（表2），試驗(yàn)中對照組與2個試驗(yàn)組溫度無差異，所以吸附過程中溫度不產(chǎn)生影響作用。

由表2可知， 1～28 h對照組濕度極顯著高于2個試驗(yàn)組（P＜0.01）；29～32 h對照組濕度與2個試驗(yàn)組相近（P＞0.05）。1～8 h 13X吸附劑濕度極顯著高于活性氧化鋁（P＜0.01），9～32 h 2個試驗(yàn)組濕度相近（P＞0.05）。

2.2 氣體濃度差異分析 如表3所示，1～24 h，對照組NH3濃度極顯著高于13X組（P＜0.01）；25～32 h，13X組NH3濃度與對照組差異不顯著（P＞0.05）。1～28 h，對照組NH3濃度極顯著高于活性氧化鋁組（P＜0.01）；29～32 h，活性氧化鋁組NH3濃度與對照組差異不顯著（P＞0.05）。2個試驗(yàn)組的NH3濃度在1～28 h差異顯著（P＜0.05）， 29～32 h差異不顯著（P＞0.05）。

1～24 h，對照組CO2濃度極顯著高于13X組（P＜0.01）；25～32 h，對照組與13X組差異不顯著（P＞0.05）；1～28 h，對照組極顯著高于活性氧化鋁組（P＜0.01）；29～32 h，對照組與活性氧化鋁組差異不顯著（P＞0.05）。1～4、9～16、25～32 h時13X組CO2濃度均與活性氧化鋁組差異不顯著（P＞0.05）；5～8 h，13X組極顯著低于活性氧化鋁組（P＜0.01）；17～20 h，13X組極顯著高于活性氧化鋁組（P＜0.01）；21～24 h，13X組顯著高于活性氧化鋁組（P＜0.05）。

1～8、13～24 h，對照組CH4濃度極顯著高于2個試驗(yàn)組（P＜0.01）；9～12 h，對照組CH4濃度與2個試驗(yàn)組差異不顯著（P＞0.05）；25～32 h，對照組CH4濃度與13X組差異不顯著（P＞0.05）；25～28 h，對照組CH4濃度極顯著高于活性氧化鋁組（P＜0.01）；29～32 h，對照組CH4濃度與活性氧化鋁組差異不顯著（P＞0.05）。CH4濃度，在1～4、13～16、25～28 h時13X組均極顯著高于活性氧化鋁組（P＜0.01）；在5～8、17～20 h時13X組均顯著高于活性氧化鋁組（P＜0.05）；在9～12、21～24、29～32 h時2個試驗(yàn)組差異不顯著（P＞0.05）。

在1～24 h，對照組H2S濃度極顯著高于2個試驗(yàn)組（P＜0.01）；在25～32 h，對照組H2S濃度與2個試驗(yàn)組差異不顯著（P＞0.05）。1～32 h，2個試驗(yàn)組H2S濃度差異不顯著（P＞0.05）。

2.3 吸附量變化分析 由表4可知，1 kg 13X吸附劑 24 h可吸附 NH3、CO2、CH4分別為 1892.35、35 033.4、6 539.11 mg，1 kg活性氧化鋁吸附劑28 h可吸附 NH3、CO2、CH4分別為 2 046.43、38 544.7、12 210.77mg，13X吸附劑吸附量均小于活性氧化鋁吸附劑。1 kg 13X吸附劑24 h吸附H2S 832.93 mg，1 kg活性氧化鋁吸附劑28 h吸附H2S 773.30 g，13X吸附劑吸附量大于活性氧化鋁吸附劑。

3 討 論

3.1 秋季牛舍溫濕度變化 在同一個牛舍中，對照組與2個試驗(yàn)組之間溫度變化相同，因此秋季的溫度變化對試驗(yàn)沒有影響。

本試驗(yàn)中，對照組濕度變化顯著或極顯著高于2個試驗(yàn)組，13X組也與活性氧化鋁吸附劑組間有一定的差異。秋季牛舍中的濕度變化主要因素是牛舍中的養(yǎng)殖密度，由于投料飼喂不定時，奶牛不定槽，牛群分布不均勻，造成不同區(qū)域內(nèi)的濕度有差異。相對來說，牛群較集中區(qū)域的濕度大，牛群分散區(qū)濕度小。

3.2 吸附性分析

3.2.1 吸附劑對溫室氣體的吸附效果 試驗(yàn)所選用的2種不同吸附劑均為新型分子篩化合物，具有極強(qiáng)的吸附能力，在氣體吸附方面有很廣泛的應(yīng)用[10]。本研究結(jié)果表明，13X吸附劑在 1～24 h對NH3、CO2、CH4和H2S具有較強(qiáng)吸附能力，25 h以后吸附能力減弱；活性氧化鋁吸附劑在1～28 h對NH3、CO2、CH4和H2S具有較強(qiáng)吸附能力，29 h以后吸附能力減弱；2個試驗(yàn)組對4種氣體的吸附濃度較對照組顯著或明顯提高，證明2種不同的吸附劑對4種氣體具有吸附作用，試驗(yàn)吸附作用有效。

表2 秋季溫、濕度變化分析

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?

3.2.2 吸附劑的吸附效果分析 本試驗(yàn)中，活性氧化鋁吸附劑對NH3吸附質(zhì)量大于13X吸附劑，因?yàn)榛钚匝趸X吸附劑對堿性氣體具有較強(qiáng)的親合力且吸附有效作用時間長[11-12]。

本研究結(jié)果表明，活性氧化鋁吸附劑對CO2、CH4的吸附質(zhì)量均大于13X吸附劑。CO2、CH4均是非極性分子，13X吸附劑對極性分子的吸附性強(qiáng)于活性氧化鋁，因此13X吸附劑對CO2、CH4氣體分子的吸附能力低于活性氧化鋁吸附劑[13-14]。

13X型分子篩，具有一定的堿性，根據(jù)廠家提供的產(chǎn)品說明所述其對硫化物的吸附能力較強(qiáng)，因此13X吸附劑對于H2S氣體的吸附能力更強(qiáng)[15]。本研究結(jié)果也證明了這一效果。

3.2.3 吸附劑在不同時間段內(nèi)對溫室氣體的吸附效果 試驗(yàn)中，2種不同的吸附劑對NH3、CO2與CH43種氣體的吸附分別在1～4、13～16 h出現(xiàn)2次峰值，結(jié)合實(shí)際情況，1～4 h為試驗(yàn)的初始階段08:30—11:30，此時牛舍氣體濃度最大，吸附劑處于空白吸附狀態(tài)，故吸附量大；13～16 h為試驗(yàn)第2天的初始階段08:30—11:30，此時情況同第1天初始階段相同，氣體濃度最大，故吸附量大。

除以上3種氣體以外，2種吸附劑對H2S的吸附分別在5～8 h、17～20 h出現(xiàn)2次峰值，通過試驗(yàn)觀察，5～8 h，17～20 h分別是牛舍中H2S氣體濃度最大的時刻，第1個峰值與以上3種氣體產(chǎn)生原因相同。第2個峰值是因?yàn)榇藭r為2種吸附劑說明書所描述最佳的吸附時間，此時間段2種吸附劑對H2S氣體的吸附能力最強(qiáng)且吸附量最大。

3.2.4 濕度對吸附試驗(yàn)的影響 本研究結(jié)果顯示，隨著時間的變化，濕度不斷變大，2個試驗(yàn)組吸附劑的吸附量逐漸減少。13X吸附劑與活性氧化鋁吸附劑除了對NH3、CO2、CH4和H2S 4種氣體表現(xiàn)出極強(qiáng)的吸附能力以外，它們同時還可作為干燥劑，具有極強(qiáng)的吸水性，在此同時，水分子的吸附影響了吸附劑的吸附能力，吸附劑過早達(dá)到飽和，吸附能力下降[16]。

4 結(jié) 論

秋季牛舍的溫度變化對吸附劑吸附能力無任何影響，13X吸附劑和活性氧化鋁吸附劑對牛舍中CH4、CO2、H2S和NH34種氣體都具有較強(qiáng)的吸附能力，秋季濕度變化對吸附過程有影響，因?yàn)槲絼┑奶厥庑再|(zhì)，吸附量隨著濕度的增加而逐漸降低。2種吸附劑對NH3、CO2與CH43種氣體的吸附在13～16 h效果最佳，對H2S的吸附在17～20 h效果最佳，13X吸附劑在第25小時需更換，活性氧化鋁吸附劑在第29小時需更換。建議牛舍可根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況安裝吸附裝置，達(dá)到減排目的。

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S823.4

A

10.19556/j.0258-7033.2017-10-110

2017-07-21；

2017-08-21

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（奶牛）產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)（CARS-37）；“十二五”國家科技支撐項(xiàng)目（2012BAD12B09）；自治區(qū)重大專項(xiàng)（201231101）；新疆肉乳用草食動物營養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室開放課題作者簡介：王海（1991-），男，新疆石河子人，碩士，研究方向?yàn)樾嘛暳涎邪l(fā)，E-mail：289156696@qq.com

* 通訊作者：余雄，教授，博士生導(dǎo)師，國家奶牛產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系崗位科學(xué)家，長期從事動物營養(yǎng)與飼料的教學(xué)與研究，

E-mail：yuxiong8763601@126.com