CN101062878A

CN101062878A - 一种可降解天然有机物包裹缓释肥料及其制备方法和用途

Info

Publication number: CN101062878A
Application number: CNA2006100790354A
Authority: CN
Inventors: 肖传绪; 莫海涛; 张小勇
Original assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Process Engineering of CAS
Priority date: 2006-04-30
Filing date: 2006-04-30
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2026-04-30
Also published as: CN100522894C

Abstract

本发明涉及一种可降解天然有机物包裹缓释肥料，包括易溶性氮素颗粒肥料，包裹在其外的主要成分为木质素的天然有机物膜层，和包裹在天然有机物膜层外的作为封闭剂的植物油脂膜层。该缓释肥料是将主要成分为木质素的天然有机物粉碎到60目以下，作为包裹材料；按照常规的圆盘造粒方法，通过粘结剂的作用，将包裹材料粘结到易溶性氮素肥料颗粒的表面；干燥后喷涂植物油脂作为封闭剂而得的。该缓释肥料使用可降解的有机物作为包裹材料，在控制肥料在土壤中缓慢释放的同时不会给土壤带来破坏，并且极其廉价，可以用于旱田作物的棉花、玉米、小麦和花卉、草坪等。

Description

一种可降解天然有机物包裹缓释肥料及其制备方法和用途

技术领域

本发明涉及一种可降解天然有机物包裹缓释肥料，及其制备方法和用途。

背景技术

作物生长对养分的需求是一个自发的过程，肥料在农业生产中占有重要地位，是农业生产中最大的物质投资，约占其全部生产性支出的50％。据联合国粮农组织估计，发展中国家粮食的增产中，其55％来自肥料的作用，经济作物也是这种情况。我国化肥生产和消费位居世界第一(连续六年)，2005年化肥生产量为3880万吨，消费总量为4510万吨，占世界消耗总量的30％。但是在化肥的使用中，存在着以下突出的问题：(1)化肥用量大，利用率低，化肥引起的污染严重；(2)有机肥料施用少，有机质下降，土壤板结，土壤中有益微生物种群衰退。

研究和开发能够满足作物的生长需求，减少养分损失的新型高效肥料，一直以来是国内外很多科研机构和生产企业的重要的发展方向之一。从20世纪六十年代开始，众多的科学工作者对现有的肥料进行了改性研究，期望研制出能够满足作物在不同阶段对养分的需要的改性肥料，并且一次过量施肥不会对作物造成负面影响。这个也是未来肥料的发展方向，同时也符合中国发展可持续性农业的需要，开发这样的肥料成为科研院所和企业瞩目的焦点。

这种新型高效肥料指的是将传统化肥的物理化学性状改变，使之养分释放与植物各个生长阶段的养分需求吻合。除去叶肥以外，根据缓释原理总分为两类：一类是，控制肥料养分由肥芯向土壤中的溶出过程，如化学合成缓释肥料、物理包被肥料，这一类肥料的养分从肥芯的溶解过程是缓慢的，有利于作物对养分的吸收利用；一类是，控制肥料养分在土壤中的转化速率，如添加脲酶抑制剂的肥料、添加硝化抑制剂的肥料、同时添加脲酶抑制剂和硝化抑制剂的肥料。

化学合成缓释肥料又分为三类：①难溶性有机化合物，包括脲甲醛、丁烯叉二脲和草酰氨等；②水溶性难降解化合物，如异丁叉二脲(IBDU)；③低溶解性无机盐，如磷酸镁铵等。

物理包被缓释肥料有如下几种：①硫包膜尿素，在大小合适的尿素颗粒表面涂敷硫，由美国TVA公司率先进行商品化生产。②聚合物包膜尿素，将聚合物溶解于水或者易挥发的有机溶剂中，将聚合物喷涂到颗粒肥料的表面，蒸发掉溶剂后得到的缓释肥料。国际市场上的许多包膜肥料都是聚合物包膜肥料，如美国的Osmocote、Sierra和Polyon，日本的Meister和Nutricote，以色列的Multicote等；③包裹型肥料，是采用圆盘造粒或转鼓造粒工艺，在添加一定量的固体物质的同时喷洒黏合剂滚动包裹而成；④涂层尿素。

有机聚合物包膜肥料，特别是热塑性高分子材料如聚乙烯、聚丙烯等为包膜的肥料，尽管可以达到养分控制释放的要求，但是这种包膜材料的施用带来了致命的弱点：①价格昂贵：包膜肥料的制造工艺复杂，工艺的精度要求高，聚合物的添加量大，成本高，使得这类肥料的价格十分昂贵，为普通肥料的3～10倍；②环境的压力大：大量难降解的有机高聚物的长期施用，在土壤中累积必然带来严重的环境后果。仅此两个缺陷便从根本上限制了这类的肥料在农业生产上的大规模应用。

从缓释肥料的研究进展来看，尽管研究单位众多，但是缓释肥料的市场份额很低。缓释肥料又普遍存在如下不足：①肥料的释放速率并不能满足作物养分需肥高峰期的要求；②价格因素限制了缓释肥料的大规模应用；③目前市场上存在的缓释肥料长期施用会破坏环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术使用有机聚合物包膜肥料时价格昂贵、包膜用的聚合物难以降解、施用后在土壤中大量累积而带来严重的环境污染的缺陷，从而提供一种使用可降解的有机物作为包裹材料，在控制肥料在土壤中缓慢释放的同时不会给土壤带来破坏、且廉价的可降解天然有机物包裹缓释肥料，及其制备方法和用途。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供的可降解天然有机物包裹缓释肥料，包括易溶性氮素颗粒肥料，包裹在其外的主要成分为木质素的天然有机物膜层，和包裹在天然有机物膜层外的作为封闭剂的植物油脂膜层；

所述的易溶性氮素肥料颗粒包括尿素；

所述的主要成分为木质素的天然有机物膜层的重量占缓释肥料的总重量的3～20wt％，优选5～15wt％，更为优选10wt％；

所述的主要成分为木质素的天然有机物包括木粉、木材加工后的废弃木料、园林绿化修剪的枝条、废弃的农作物的秸秆、核桃壳等，其粒度为60目以下；

所述的植物油脂膜层的重量占主要成分为木质素的天然有机物膜层的重量的0～30wt％，优选15％；

所述的植物油脂包括棉籽油、大豆油、地沟油、花生油、或菜籽油；从经济合理因素考虑，优选地沟油。

本发明提供一种上述可降解天然有机物包裹缓释肥料的制备方法，包括如下的步骤：

1)将主要成分为木质素的天然有机物粉碎到60目以下，作为包裹材料；

所述的主要成分为木质素的天然有机物包括木粉、木材加工后的废弃木料、园林绿化修剪的枝条、废弃的农作物的秸秆、核桃壳等；

2)在圆盘造粒机上，按照常规的圆盘造粒方法，喷入粘结剂溶液，将易溶性氮素肥料颗粒的表面湿润，然后撒入步骤1)的包裹材料，通过粘结剂的作用，包裹材料粘结到易溶性氮素肥料颗粒的表面；

所述的粘结剂为浓度为0.05～0.2wt％(优选0.1wt％)的聚丙烯酰氨水溶液，或是浓度为1～10wt％(优选6wt％)的羧甲基纤维素(CMC)；

喷入的粘结剂的量是以易溶性氮素肥料颗粒的表面湿润能够粘结磨碎的包裹材料为基准的；

所述的易溶性氮素肥料颗粒包括尿素；

所述的主要成分为木质素的天然有机物的加入量占缓释肥料的总重量的3～20wt％，优选5～15wt％，更为优选10wt％；

3)将步骤2)造粒的产物干燥到含水量为缓释肥料的总重量的0～10wt％；然后在干燥后的肥料上喷涂植物油脂作为封闭剂，得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料；

所述的植物油脂包括棉仔油、大豆油、地沟油、花生油、或菜子油；从经济合理因素考虑，优选地沟油。

本发明提供的可降解天然有机物包裹缓释肥料的制备方法，还包括：根据不同的作物对微量元素的不同需求，在步骤2)的粘结剂溶液中加入微量元素，以满足不同作物的特殊需求。

本发明提供的上述可降解天然有机物包裹缓释肥料，可以用于旱田作物的棉花、玉米、小麦等。在种植作物以前将本发明的缓释肥料作为基肥一次性施入，通过包裹层控制养分的释放速率，可以满足作物整个生长期的需要；还可以用于花卉、草坪，可以将本发明的肥料均匀的撒到地面上，靠下渗的水分将其带入土壤当中，供其利用，既可以避免疯长，又可以减少施肥次数，节省大量人力物力。

本发明提供的可降解天然有机物包裹缓释肥料使用主要成分为木质素的天然有机物作为主要的包膜材料。木质素是仅次于纤维素的第二大可再生天然有机物，每年可产生约600万亿吨，是极具潜力的一种天然有机资源。木质素分为工业木质素和天然木质素两大类。是一种具有多种活性基团的芳香族聚合物，具有多孔的结构和较强的吸附能力，在土壤中可以被许多微生物通过多种氧化作用进行生物降解，并能够进一步转变成腐植质，是优良的土壤改良剂。木质素还是工业造纸废液中最主要的污染物。但由于其自身颗粒的巨大表面积使其有很强的吸附能力，具有较好的作为包膜材料的特性和利用价值。另外木质素的化学活性比较稳定，对微生物的生长和繁殖不会造成不利的影响。我国木材加工废料、园林修剪的废弃物、农作物秸秆、瓜子壳、核桃壳等含有大量的木质素，而这个材料在我国家通常是被当作废物焚烧的，这不仅浪费了资源还污染了环境。本发明巧妙地利用了这些本是废弃物的材料作为主要的包膜材料，一方面，其可以控制肥料在土壤中缓慢释放；另一方面，待肥料在土壤中释放完毕以后，这种包裹材料可以改善土壤的组织结构，有利于维护土壤生态和土壤菌群的生长繁殖；再者，这种材料廉价易得，有利于发展可持续性农业。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明提供的可降解天然有机物包裹缓释肥料可以在土壤中缓慢的释放，提高肥效，降低成本，可以彻底解决由包膜引起的污染；

2、所用的主要原料为木粉，木粉可以来自造纸工业和家具制造业的下脚料，又可以来自农作物秸秆废弃物，食品工业坚果的外壳，核桃壳等，廉价易得，适合大工业化生产；而且这些植物废弃物可以在土壤中增加土壤的通气性，改善土壤结构，有利于土壤微生物菌群平衡，增加肥效，有利于发展绿色农业；

3、利用了植物油脂甚至是地沟油作为封闭剂，将大量的地沟油用于农业生产资料的再生产，降低了地沟油流入食品市场的风险，有利于食品行业的监管，保证食品安全；

4、本发明的制备方法操作简单，是一种简单的获得可降解有机物包裹缓释肥料的方法。

附图说明

图1是在室温下实施例1的木粉包裹尿素在纯水中的释放曲线；其中，纵坐标C/C₀是t时刻尿素浓度与完全释放时的浓度比值；

图2是60℃的烘箱中纯尿素和实施例2的核桃壳粉包裹尿素的失重曲线；

图3是室温下纯尿素和实施例3的秸秆包裹尿素在土壤中的淋溶曲线；

图4是实施例4的包裹尿素在土壤中不同温度下的淋溶曲线；

图5是在室温下和相同封闭剂含量下，实施例5的包裹尿素分包裹层厚度与释放速度的关系。

具体实施方式

实施例1：

将磨碎的木粉(其主要成分为木质素)过65目的筛子，作为包裹材料，用质量分数为0.05wt％的聚丙烯酰氨水溶液作为粘结剂，按照常规的圆盘造粒方法，在50℃左右的圆盘造粒机中对尿素表面进行多次包裹，将此造粒干燥到含水量为缓释肥料的总重量的5wt％，然后表面喷涂地沟油作为封闭剂，烘干后就得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料。其中，木粉的包膜占缓释肥料的总重量的12wt％，地沟油的重量占木粉的包膜层重量的15wt％。

通过对二氨基苯甲醛比色的方法，测定该可降解天然有机物包裹缓释尿素在纯水中的释放情况，如图1所示，在室温下这种包裹尿素在水中充分释放需要120小时以上。

实施例2：

将磨碎的核桃壳(其主要成分为木质素)过60目的筛子，作为包裹材料，用质量分数为0.2wt％的聚丙烯酰氨溶液作为粘结剂，按照常规的圆盘造粒方法，在50℃左右的圆盘造粒机中对尿素表面进行多次包裹，将此造粒干燥到含水量为缓释肥料的总重量的10wt％，然后表面喷涂花生油作为封闭剂，干燥就得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料。其中，核桃壳的包膜占缓释肥料的总重量的10wt％，花生油的重量占核桃壳的包膜层重量的30wt％。

通过重量法，测定该可降解天然有机物包裹缓释尿素在60℃下的储藏情况，如图2所示，在60℃的烘箱中，经过包裹的尿素在如此的温度下的失重远小于未包裹的纯尿素的失重，表明尿素储藏条件比包裹尿素的条件苛刻，本发明的包裹尿素有利于储藏。

实施例3：

将秸杆(其主要成分为木质素)磨碎过60目的筛子，作为包裹材料，用质量分数为0.1wt％的聚丙烯酰氨溶液作为粘结剂，按照常规的圆盘造粒方法，在50℃左右的圆盘造粒机中对尿素表面进行多次包裹，将此造粒干燥到含水量为缓释肥料的总重量的5wt％，然后表面喷涂地沟油作为封闭剂，干燥就得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料。其中，秸杆的包膜占缓释肥料的总重量的15wt％，地沟油的重量占包膜层重量的8wt％。

测定该可降解天然有机物包裹缓释尿素在土壤中的淋溶曲线，如图3所示，用对二氨基苯甲醛比色法测定尿素和紫外分光光度法测定硝态氮、靛酚蓝分光光度法测定氨态氮将其转化为尿素氮的释放量。由图3可以看出，未包裹的尿素很快就可以完全释放，而包裹后的尿素的释放期大大延长。

实施例4：

将木粉(其主要成分为木质素)过60目的筛子，作为包裹材料，用质量分数为1wt％的羧甲基纤维素(CMC)溶液作为粘结剂，按照常规的圆盘造粒方法，在50℃左右的圆盘造粒机中对尿素表面进行多次包裹，将此造粒干燥到含水量为缓释肥料的总重量的8wt％，然后表面喷涂地沟油作为封闭剂，干燥就得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料。其中，木粉的包膜占缓释肥料的总重量的5wt％，地沟油的重量占木粉的包膜层重量的20wt％。

从该可降解天然有机物包裹缓释肥料中取四份肥料，在恒温箱中测定肥料的释放曲线。如图4所示，相同的包裹肥料，在不同的温度下，营养成分的释放速率是不同的，营养成分随着温度的升高释放速率加快，在实际的大田种植当中，温度高，植物的生长速度快，需肥量大，包裹肥料的这个释放速率正吻合了植物的需肥规律。

实施例5：

将木粉(其主要成分为木质素)过60目的筛子，作为包裹材料，用质量分数为10wt％的羧甲基纤维素(CMC)溶液作为粘结剂，按照常规的圆盘造粒方法，在50℃左右的圆盘造粒机中对尿素表面进行多次包裹，将此造粒干燥到含水量为缓释肥料的总重量的12wt％，然后表面喷涂地沟油作为封闭剂，干燥就得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料。用这个流程做四组，其中，木粉的包膜分别占缓释肥料的总重量的3％、8％、15％和20％，地沟油的重量占缓释肥总量的1wt％。

在室温下测定得到的4种可降解天然有机物包裹缓释肥料的包裹层比例与释放速度的关系，结果如图5所示。从图中可以明显的看出，包裹层有助于营养元素的缓慢释放，并且随着包裹层厚度的增加营养元素的释放速度逐渐减小。

实施例6：

将木粉(其主要成分为木质素)过60目的筛子，作为包裹材料，用质量分数为6wt％的羧甲基纤维素(CMC)溶液作为粘结剂，按照常规的圆盘造粒方法，在50℃左右的圆盘造粒机中对尿素表面进行多次包裹，将此造粒干燥到含水量为缓释肥料的总重量的5wt％，然后表面喷涂地沟油作为封闭剂，干燥就得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料。其中，木粉的包膜分别占缓释肥料的总重量的10％，地沟油的重量占木粉的包膜层重量的3wt％。

实施例7：

将木粉(其主要成分为木质素)过90目的筛子，作为包裹材料，用质量分数为0.15wt％的聚丙烯酰氨溶液作为粘结剂，按照常规的圆盘造粒方法，在50℃左右的圆盘造粒机中对尿素表面进行多次包裹，将此造粒干燥到含水量为缓释肥料的总重量的5wt％，然后表面喷涂花生油作为封闭剂，干燥就得到本发明的可降解天然有机物包裹缓释肥料。其中，木粉的包膜占缓释肥料的总重量的12wt％，花生油的重量占木粉的包膜层重量的15wt％。

Claims

1、一种可降解天然有机物包裹缓释肥料，包括易溶性氮素颗粒肥料，包裹在其外的主要成分为木质素的天然有机物膜层，和包裹在天然有机物膜层外的作为封闭剂的植物油脂膜层；

所述的主要成分为木质素的天然有机物膜层的重量占缓释肥料的总重量的3～20wt％；

所述的主要成分为木质素的天然有机物包括木粉、木材加工后的废弃木料、园林绿化修剪的枝条、废弃的农作物的秸秆、核桃壳，其粒度为60目以下；

所述的植物油脂膜层的重量占主要成分为木质素的天然有机物膜层的重量的0～30wt％；

所述的植物油脂包括棉籽油、大豆油、地沟油、花生油、或菜籽油。

2、如权利要求1所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料，其特征在于：所述的主要成分为木质素的天然有机物膜层的重量占缓释肥料的总重量的5～15wt％。

3、如权利要求1所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料，其特征在于：所述的主要成分为木质素的天然有机物膜层的重量占缓释肥料的总重量的10wt％。

4、如权利要求1所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料，其特征在于：所述的植物油脂膜层的重量占主要成分为木质素的天然有机物膜层的重量的15％。

5、一种权利要求1所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料的制备方法，包括如下的步骤：

所述的主要成分为木质素的天然有机物包括木粉、木材加工后的废弃木料、园林绿化修剪的枝条、废弃的农作物的秸秆、核桃壳；

所述的粘结剂为浓度为0.05～0.2wt％的聚丙烯酰氨水溶液，或是浓度为1～10wt％的羧甲基纤维素；

所述的主要成分为木质素的天然有机物的加入量占缓释肥料的总重量的3～20wt％；

所述的植物油脂包括棉仔油、大豆油、地沟油、花生油、或菜子油。

6、如权利要求5所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料的制备方法，其特征在于：所述的粘结剂为质量浓度为0.1wt％的聚丙烯酰氨水溶液，或是质量浓度为6wt％的羧甲基纤维素。

7、如权利要求5所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料的制备方法，其特征在于：该制备方法还包括：根据不同的作物对微量元素的不同需求，在步骤2)的粘结剂溶液中加入微量元素，以满足不同作物的特殊需求。

8、一种权利要求1～4之一所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料的用途，所述的可降解天然有机物包裹缓释肥料用于旱田作物的棉花、玉米、小麦在种植作物以前的基肥，一次性施入后通过包裹层控制养分的释放速率，可以满足作物整个生长期的需要；或是用于花卉、草坪，将其均匀的撒到地面上，靠下渗的水分将其带入土壤当中，供花卉、草坪利用，既可以避免疯长，又可以减少施肥次数。