樣品前處理過程中，粉碎是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，粉碎即指在具代表性的制樣和滿足分析要求的均相化條件下對(duì)樣品顆粒集體進(jìn)行粒徑減小化。粉碎的目的有兩個(gè)，一個(gè)是盡可能減小顆粒的尺寸，提高后續(xù)處理的效率，另一個(gè)就是使樣品均一化，取樣具有代表性。

粉碎的方法通常有擠壓、撞擊、剪切、切割以及摩擦力的作用，不同的物料應(yīng)該采用不同的粉碎儀，硬性或中硬性樣品，例如礦石、一般采用顎式破碎儀和球磨儀來進(jìn)行研磨，韌性或軟性樣品，適合用切割式研磨儀進(jìn)行粉碎。

圖1 粉碎方法(a)擠壓(b)撞擊(c)剪切(d)切割

大多數(shù)的試樣在室溫下就可以制備成所需的顆粒尺寸，值得注意的是，粉碎過程不能造成材料變性或者改變材料的構(gòu)成，也不能引入雜質(zhì)的污染。此外，必須避免溫度升高帶來的高揮發(fā)性物質(zhì)的蒸發(fā)。通過沖擊、壓制、剪切、切割以及摩擦力這些來自外部的機(jī)械壓力，脆性材料例如礦物、鹽或礦渣很容易被粉碎。然而，當(dāng)僅僅使用機(jī)械力無法將試樣材料粉碎成盡可能小的顆粒時(shí)怎么辦呢？解決這些問題的一種方法是使用助磨劑例如液氮(LN₂:T=-196℃)或干冰，這就是所謂的低溫粉碎技術(shù)。

1. 低溫粉碎技術(shù)工藝

開啟低溫粉碎裝置，將小顆粒物料由料斗進(jìn)入預(yù)冷室，由產(chǎn)品回收系統(tǒng)送來的低溫氮?dú)膺M(jìn)行預(yù)冷，出預(yù)冷室的物料入冷凍室，加入液氮浸漬冷卻，冷卻后的物料由螺旋輸送機(jī)送入粉碎室，由高速回轉(zhuǎn)錘式粉碎機(jī)等破碎成粉體。出粉碎室的粉體與氮?dú)庖徊⒔?jīng)換熱器復(fù)熱，然后進(jìn)入分離器進(jìn)行氣固相分離。出分離器含有細(xì)粉的氮?dú)膺M(jìn)入過濾器分離掉細(xì)粉后，入換熱器換熱進(jìn)入預(yù)冷室與物料換熱后由風(fēng)機(jī)引出放空。出分離器的粉料進(jìn)入分級(jí)室，進(jìn)行粉料粗細(xì)分級(jí),較大粒度的物料與纖維雜質(zhì)等分出另外處理，而細(xì)粉由下部排出作為產(chǎn)品。

圖2 低溫粉碎技術(shù)工藝流程

2. 低溫粉碎技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：

l 能粉碎一些常溫下無法粉碎的物料。

l 能夠高質(zhì)量的回收橡膠、塑料及金屬材料等。

l 對(duì)中草藥及食品進(jìn)行粉碎，可保持其營養(yǎng)成分。

l 與常溫再生技術(shù)相比，工藝簡單,動(dòng)力消耗低。

l 氮?dú)庾鳛榉鬯槊浇椋a(chǎn)過程安全可靠。

l 與常溫再生技術(shù)相比，能夠粉碎到更細(xì)的粒度，生產(chǎn)過程無污染。

缺點(diǎn)：

l 因操作溫度低，設(shè)備材料需貴重金屬，一次性投資較大。

l 與常溫再生技術(shù)相比，防泄漏密封較為復(fù)雜。

3. 低溫粉碎技術(shù)的應(yīng)用

3.1 生物樣品中的應(yīng)用（食品、醫(yī)藥等）

生物領(lǐng)域中，溫度對(duì)樣品的影響是非常大的，溫度的升高會(huì)導(dǎo)致生物材料的變性，許多樣品需要在低溫環(huán)境下進(jìn)行粉碎和研磨。生物材料許多都是軟性或韌性，低溫環(huán)境也容易使其脆化。如在醫(yī)療和生物技術(shù)領(lǐng)域中從細(xì)胞組織（植物、人體及動(dòng)物組織）提取的DNA序列時(shí)，必須面對(duì)這個(gè)問題，其碎片在樣本制備期間尤其是制備后，對(duì)熱的反應(yīng)極為敏感，可能會(huì)毀壞。這些需要低溫研磨的應(yīng)用既是為了脆化細(xì)胞組和細(xì)胞壁，使之容易分散，也大大減慢了細(xì)胞碎片的迅速分解。低溫粉碎技術(shù)在食品、蔬菜及農(nóng)畜產(chǎn)品和中草藥等中的應(yīng)用可以歸類到生物領(lǐng)域中的應(yīng)用。

低溫粉碎技術(shù)的應(yīng)用，使粉體加工食品的制造技術(shù)得到完善，并能夠開發(fā)更多的新產(chǎn)品來滿足消費(fèi)者的需求。如圖3所示為蠶的粉碎，采用Retsch MM400混合球磨儀，振幅28Hz，15秒一次，30秒一次，只需45秒就可以將蠶粉碎。

圖3 蠶的粉碎

低溫粉碎技術(shù)應(yīng)用于中草藥制備中，可以使經(jīng)低溫粉碎的中草藥不僅達(dá)到很高的細(xì)度，而且能夠保持藥品色、香、味及藥性不變。如圖4所示為肉桂的粉碎，采用Retsch MM400混合球磨儀，經(jīng)過液氮預(yù)冷凍5分鐘，振幅30Hz，5min即可把腸衣粉碎至200目。

圖4 肉桂的粉碎

3.2 彈性材料和高分子材料中的應(yīng)用（廢舊塑料、橡膠等）

具有彈性的材料和許多高分子材料（塑料，如聚丙烯、聚酯、尼龍等）以及其它在研磨過程中的粘彈性行為會(huì)導(dǎo)致塑料變形的材料，這些材料的前處理需要采用低溫粉碎技術(shù)，如將彈性塑料浸入液氮中，其溫度就會(huì)降到所謂的脆化溫度之下，導(dǎo)致樣品的脆性斷裂行為發(fā)生（樣品就像玻璃一樣破碎），選用合適的研磨儀粉碎上述預(yù)冷卻的材料即可。

這類應(yīng)用的代表為廢舊塑料和廢舊橡膠的回收利用等，有效地緩解了白色污染等對(duì)環(huán)境造成的影響。

3.3 含有高揮發(fā)性組分樣品中的應(yīng)用（工業(yè)試劑等）

含有高揮發(fā)性成分（如苯、甲苯、PCB、PCP、汞等）的材料，由于他們的熱敏性而難以進(jìn)行常規(guī)的制備。這些樣品可以采用與彈性材料類似的低溫粉碎方法。低溫大大降低了組分在室溫下通常較高的蒸氣壓，使樣品基體脆化，即使粉碎工序中溫度的升高也不會(huì)對(duì)分析結(jié)果產(chǎn)生影響。冷卻過程本身也能阻礙高揮發(fā)性成組分的揮發(fā)，否則組分會(huì)因?yàn)榉鬯檫^程中比表面積的增大而揮發(fā)的更多。

3.4 金屬材料中的應(yīng)用（電子廢棄物、廢棄電路板等）

近年來我國有色金屬消耗量迅速增加，產(chǎn)生了大量可回收的有色金屬廢料。用低溫粉碎技術(shù)可以從有色金屬混合物中回收銅、鋅、鋁等。有研究結(jié)果表明，對(duì)有色金屬混合物等廢料進(jìn)行液氮低溫選擇粉碎，從62.5px以上的產(chǎn)物中可回收97%的銅、100%的鋁（不含鋅）；從62.5px以下的產(chǎn)物中可回收2.8%的銅，100%的鋅（不含鋁）。

4. 低溫粉碎技術(shù)的注意事項(xiàng)

(a) 借助液氮進(jìn)行低溫磨時(shí)，用不銹鋼研磨罐或聚四氟乙烯研磨罐較合適。

(b) 塑料顆粒（如PP、PET等），經(jīng)過液氮預(yù)冷凍后，也可以采用超離心研磨儀進(jìn)行切割研磨，這樣一次處理樣品量較大。

(c) 干冰也是一種很好的低溫研磨助劑，對(duì)于粉末樣品，干冰比液氮更適合于作為助磨劑。干冰中包含的純二氧化碳逐漸從樣品中蒸發(fā)，所以不會(huì)留下任何殘余物。

(d) 采用超離心粉碎機(jī)做精細(xì)研磨時(shí)，不是所有樣品都需要進(jìn)行冷凍研磨，如電線、合成橡膠、PCB板等，有可能在不冷卻的情況下進(jìn)行粉碎。

(e) 低溫技術(shù)中，液氮的消耗量是需要被考慮在內(nèi)的，液氮消耗越小，研磨時(shí)間越短，低溫粉碎技術(shù)的效率就越高。

參考文獻(xiàn)

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