CN108164330A - 一种生物质炭基肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于农业肥料技术领域，具体涉及一种生物质炭基肥及其制备方法。其包括如下重量份的原料：生物质炭15‑20份，尿素20‑30份，磷酸二氢铵20‑30份，钾盐15‑25份，膨润土5‑10份，硫酸钙1‑5份。本发明提供的生物质炭基肥的制备方法，造粒过程兼具物理与化学双重反应，在高温蒸汽的反应条件下，炭基肥中尿素的酰胺键和磷酸二氢铵的氮磷键与炭基团结合而改变化学位移，养分与炭架互相联结，原料间结合更紧密，从而延长肥效。

Description

一种生物质炭基肥及其制备方法

技术领域

本发明属于农业肥料技术领域，具体涉及一种生物质炭基肥及其制备方法。

背景技术

目前，我国低产耕地约占耕地面积的75％，总体质量欠佳，有机质含量低于1.5％的耕地占总面积的65％。施用化肥作为一种能够大幅提高作物产量的一种手段，在我国农业中占据着相当重要的地位，但同时也存在着一系列的问题。其中最主要的问题就是化肥利用率低下。朱兆良等研究表明，在当时农业生产水平下，我国主要粮食作物的化肥当季利用率分别为氮肥30％-35％，磷肥10％-20％，钾肥35％-50％。其中，氮肥经过硝化作用产生的 NO₃ ^--N，除一部分被作物吸收利用之外，还有一部分随降雨渗透进入地下。张福锁等总结了在全国主要粮食生产区进行的大量田间试验的数据结果，通过分析整合发现我国主要粮食作物水稻、小麦和玉米的氮肥农学效率分别为10.4kg/kg、8.0kg/kg和9.8kg/kg，氮肥利用率分别为28.3％、28.2％和26.1％，与20世纪80年代相比呈下降趋势。

秸秆是我国农业生产中丰富的资源，每年产生的农作物秸秆总量在7 亿吨左右，其中水稻、小麦、玉米等大宗农作物秸秆在5亿吨左右。随着经济发展和生活水平的不断提高，村镇厨余废弃物日益增多，其处理和其中养分资源再循环利用是我国资源和环境领域的重要挑战。有研究表明，作物秸秆或厨余生物质废弃物经热裂解炭化，可以形成生物质炭，这类物质呈微碱性、多孔、疏松和富含各种不同结构的有机质组分的炭质混合物，具有良好的物理性质和养分调控作用，增加土壤中养分特别是氮肥的有效性，有效降低土壤氧化亚氮的排放。同时可有效提高土壤中有机碳的储存量，因此，将生物质炭与无机肥料结合生产有机无机复混肥料，既能够实现废弃物资源化利用，又能够达到节能减排、提高肥料利用率、提高作物产量和质量的双赢效果。

为此，中国专利文献CN103449915A，公开了一种以生物质炭为基质的有机无机复合肥料及其制备方法和秸秆生物质精细炭粉的制备方法，其按照质量份数是由25～30份秸秆生物质精细炭粉、15～30份氮肥、15～30份磷肥、10～25份钾肥、5～10份膨润土、粘结剂和0～2份微量元素制成，其中所述的粘结剂为0.1～0.3份黄原胶或1～2份氧化淀粉。该篇文献中秸秆经炭化后制得生物质炭含有大量植物所需的营养元素，可以促进土壤养分的循环和植物的生长；施用生物质炭可以提高土壤的CEC；生物质炭具有孔隙结构，可以改善土壤团粒结构、提高保水能力、降低土壤容重、减少二氧化碳向大气的再释放；可将养分缓慢的释放到土壤环境。因此，将生物质炭与无机肥料复合制成以生物质炭为基质的有机无机肥料颗粒，既能够实现秸秆废弃物的综合利用，减少了对环境造成的负面影响。还可以通过每季施入生物质炭为基质的肥料给土壤带入生物炭，增加土壤中有机质和固体碳含量，生物炭与化肥复合造粒还可降低生物炭粉尘损失，可极大降低生物炭施用作业困难。但是，以生物质炭为基料，在常规造粒过程中不易成形，选用黄原胶和淀粉作为粘结剂制得的肥料硬度不够高、在水中溶解迅速，导致肥料中的养分不能按照预期释放，影响肥料的缓释效果，其次，养分与生物质炭结合不牢，肥效缩短。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的生物质炭基肥不易成型、硬度不够、容易破损以及养分与生物质炭吸附不牢，肥效缩短的缺陷，从而提供一种生物质炭基肥及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种生物质炭基肥，包括如下重量份的原料：生物质炭15-20份，尿素20-30份，磷酸二氢铵20-30份，钾盐15-25份，膨润土5-10份，硫酸钙1-5份。

优选的，包括如下重量份的原料：生物质炭18份，尿素25份，磷酸二氢铵25份，钾盐20份，膨润土8份，硫酸钙3份。

优选的，所述钾盐为硫酸钾或氯化钾。

一种上述生物质炭基肥的制备方法，包括以下步骤：

(1)按比例称取各组分，混合均匀；

(2)将混合好的原料进行造粒，所述造粒过程采用高温水蒸汽作为反应介质，通过高温水蒸气控制造粒温度为100-140℃左右，整个造粒过程中所使用的蒸汽量大约为原料总质量的25％-30％左右；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在300-400℃下进行干燥，控制含水量低于5wt％，然后进行筛分。

进一步地，生物质炭基肥的粒径大于1mm，小于4.75mm。

本发明的工作原理:生物质炭是微碱性、多孔、疏松和富含各种不同结构的有机质组分的炭质混合物，利用其丰富的稳定性有机质及其对养分的吸持特性和土壤结构改良特性，经添加一定量的粘土和定量配比的化肥养分，经复配、混合、造粒而制成的特殊有机无机多元肥料。这种肥料的特点是以生物质炭为载体，同时含有有机和无机生物活性物质，具有促进氮素等养分的生物周转而提高化肥养分的土壤保持和作物吸收，改善土壤结构，提高土壤墒情和促进作物根系生长等多种良好作用。

本发明中原料要求见下表：

表1本发明原料纯度要求

品名	纯度要求
		尿素(粉末)	总氮≥46％
磷酸二氢铵(粉末)	N≥11％，P2O5≥44％
		氯化钾(粉末)	K2O≥59％
硫酸钾(粉末)	K2O≥52％

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明的提供的生物质炭基肥，相对于传统的复合肥和早期类似炭基肥，在其水溶性(缓释性)和颗粒硬度上做了充分改善。本发明选用膨润土和硫酸钙共同作为粘结剂，不含有机成分，避免了有机物残留对土壤的影响；可使得肥料在造粒过程中具有良好的粘结效果，提高生物炭与其他化学养分的有机结合，从而在施用过程中能有效控制养分的合理释放，起到肥效缓释作用；同时良好的塑形作用也使得肥料成粒效果良好，降低肥料在运输和施用中因粉碎而产生的浪费，同时，避免了由于肥料粉碎而导致肥料中的养分不能按照预期释放，肥效缩短的问题。

2.本发明提供的生物质炭基肥的制备方法，造粒过程兼具物理与化学双重反应，在高温蒸汽的反应条件下，炭基肥中尿素的酰胺键和磷酸二氢铵的氮磷键与炭基团结合而改变化学位移，养分与炭架互相联结，原料间结合更紧密，从而延长肥效。

3.本发明提供的生物质炭基肥的制备方法，干燥温度更高，干燥时间更短，更适用于大规模工厂化生产。

附图说明

图1氮素释放速率曲线；

图2肥料的核磁共振波谱。

具体实施方式

实施例1

一种生物质炭基肥，包括如下重量份的原料：生物质炭15kg，尿素30kg，磷酸二氢铵20kg，硫酸钾25kg，膨润土5kg，硫酸钙5kg。

其制备方法为：

(1)将各组分称重，混合均匀；

(2)将混合好的原料进行造粒，所述造粒过程采用高温水蒸汽作为反应介质，通过高温水蒸气控制造粒温度为100℃左右；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在400℃下进行快速干燥，使含水率低于5％，再过20目筛，取肥粒径大于1mm，小于4.75mm的生物质炭基肥。

实施例2

一种生物质炭基肥，包括如下重量份的原料：生物质炭20kg，尿素20kg，磷酸二氢铵30kg，氯化钾15kg，膨润土10kg，硫酸钙1kg。

其制备方法为：

(1)将各组分称重，混合均匀；

(2)将混合好的原料进行造粒，所述造粒过程采用高温水蒸汽作为反应介质，通过高温水蒸气控制造粒温度为140℃左右；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在300℃下进行快速干燥，使含水率低于12％，再过20目筛，取肥粒径大于1mm，小于4.75mm的生物质炭基肥。

实施例3

一种生物质炭基肥，包括如下重量份的原料：生物质炭18kg，尿素25kg，磷酸二氢铵25kg，硫酸钾20kg，膨润土8kg，硫酸钙3kg。

其制备方法为：

(1)将各组分称重，混合均匀；

(2)将混合好的原料进行造粒，所述造粒过程采用高温水蒸汽作为反应介质，通过高温水蒸气控制造粒温度为120℃左右；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在350℃下进行快速干燥，使含水率低于5％，再过20目筛，取肥粒径大于1mm，小于4.75mm的生物质炭基肥。

对比例1

市售未添加生物质炭的普通复合肥(波尔顿复合肥料，养分含量 15-15-15)

对比例2(粘结剂为膨润土，其它组分与实施例3相同)

一种生物质炭基肥，包括如下重量份的原料：生物质炭18kg，尿素25kg，磷酸二氢铵25kg，硫酸钾20kg，膨润土8kg。

其制备方法为：

(1)将各组分称重，混合均匀；

(2)将混合好的原料进行造粒，所述造粒过程采用高温水蒸汽作为反应介质，通过高温水蒸气控制造粒温度为120℃左右；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在350℃下进行快速干燥，使含水率低于5％，再过20目筛，取肥粒径大于1mm，小于4.75mm的生物质炭基肥。

对比例3(粘结剂为硫酸钙，其它组分与实施例3相同)

一种生物质炭基肥，包括如下重量份的原料：生物质炭18kg，尿素25kg，磷酸二氢铵25kg，硫酸钾20kg，硫酸钙3kg。

其制备方法为：

(1)将各组分称重，混合均匀；

(2)将混合好的原料进行造粒，所述造粒过程采用高温水蒸汽作为反应介质，通过高温水蒸气控制造粒温度为120℃左右；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在350℃下进行快速干燥，使含水率低于5％，再过20目筛，取肥粒径大于1mm，小于4.75mm的生物质炭基肥。

对比例4(常规造粒)

一种生物质炭基肥，包括如下重量份的原料：生物质炭18kg，尿素25kg，磷酸二氢铵25kg，硫酸钾20kg，硫酸钙3kg。

其制备方法为：

(1)将各组分称重，混合均匀；

(2)造粒，将混合好的原料投入转动的造粒机中进行造粒，造粒时温度为室温；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在350℃下进行快速干燥，使含水率低于5％，再过20目筛，取肥粒径大于1mm，小于4.75mm的生物质炭基肥。

实验例

1.肥料水溶性时间(缓释性能)的测试

分别选取不同粘结剂制作的粒径基本相同的炭基肥及复合肥颗粒10粒放置在培养皿中，添加等量的水，以刚好将肥料颗粒淹没为宜，静置，分别记录全部肥料颗粒分散时的时间。

表2不同粘结剂种类对肥料水溶时间的影响

从上表中数据可以看出，不同的粘结剂对肥料在水中的溶解时间有很大的影响。其中，以膨润土及硫酸钙为粘结剂的生物质炭基肥料在水中维持其形态的时间远长于单独使用膨润土的肥料和市售复合肥，能极大的延长肥料颗粒分散的时间。

2.肥料硬度测试

由于生物质炭粘性差，容重小，炭颗粒较大，与氮磷钾原料混合造粒时会影响炭基肥颗粒的成型性能。国家标准GB18877-2009中规定，70％以上的肥料颗粒的粒径大小要处于1mm-4.75mm之间，因此分别对小试以及中试生产出的1-2mm、2-3mm、3-4mm、4-5mm粒径的炭基肥颗粒，使用颗粒强度测试仪进行颗粒硬度的测定，测定结果如表3所示：

表3不同颗粒粒径对肥料硬度的影响

从上表可以看出，本发明使用所述粘结剂和复合反应造粒过程之后，基本克服了生物质炭因自身缺陷带来的硬度差的问题，粘结剂的选择和造粒过程都对肥料硬度有明显影响。

3.肥料氮素释放率测试

水中溶出率法：除培养温度为25℃，取样时间为10min，20min，30min， 40min，60min外，其余操作参照国家标准GB/T 23348-2009缓释肥料。

从实验结果(图1)可以看出，20分钟之前，实施例与对比例的氮素释放速率没有明显的区别，氮素溶出率基本达到40％-50％。到60分钟时，对比例的氮素释放率基本达到80％，而实施例的氮素释放率却只有不到70％，显著低于对比例的氮素释放率。这就说明有近10％的养分被炭所吸附住，释放速率得到了减缓，肥料的有效作用时间得到了延长。

4.肥料的核磁共振测试

采用核磁共振仪Bruker 400MHZ对实施例3所得肥料和生物质炭、尿素、磷酸二氢铵进行核磁共振分析。图2为测得的核磁共振波普，其中，a 为生物质炭，b为实施例3的生物质炭基肥，c为尿素，d为磷酸二氢铵。从图2可知，生物质炭基肥中尿素的酰胺键和磷铵的氮磷键发生化学位移，其中虚线是尿素基团化学位移的改变，实线是磷铵基团化学位移的改变。上述基团的化学位移证明在造粒过程中原料确实与炭基团结合发生了化学反应。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种生物质炭基肥，其特征在于，包括如下重量份的原料：生物质炭15-20份，尿素20-30份，磷酸二氢铵20-30份，钾盐15-25份，膨润土5-10份，硫酸钙1-5份。

2.根据权利要求1所述的生物质炭基肥，其特征在于，包括如下重量份的原料：生物质炭18份，尿素25份，磷酸二氢铵25份，钾盐20份，膨润土8份，硫酸钙3份。

3.根据权利要求1或2所述的生物质炭基肥，其特征在于，所述钾盐为硫酸钾或氯化钾。

4.一种权利要求1-3任一项所述生物质炭基肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按比例称取各组分，混合均匀；

(2)将混合好的原料进行造粒，所述造粒过程采用水蒸汽作为反应介质；

(3)将成型的生物质炭基肥颗粒在300-400℃下进行干燥，控制含水量低于5wt％，然后进行筛分。

5.根据权利要求4所述的生物质炭基肥的制备方法，其特征在于，造粒温度为100-140℃。

6.根据权利要求4所述的生物质炭基肥的制备方法，其特征在于，生物质炭基肥的粒径大于1mm，小于4.75mm。