CN101838171A - 一种秸秆基两性水肥控释剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种秸秆基两性水肥控释剂，是以麦草秸秆、丙烯酸、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵为原料，以过硫酸钾、硝酸铈胺和亚硫酸钠为复合引发剂的条件下制得。本发明的秸秆基两性水肥控释剂具有吸水倍率高，pH值适用范围宽，盐离子浓度调节强，有益物质存贮长，且可生物降解、成本较低的特性，极利于水肥控制，在农业保水和/或保肥中具有广泛应用。同时本发明秸秆基两性水肥控释剂的制备方法还具有工艺简捷、成本低、经济适用等优点。

Description

一种秸秆基两性水肥控释剂及其应用

技术领域

本发明涉及一种两性水肥控释剂，尤其涉及一种秸秆基两性水肥控释剂及其制备方法与应用，属于化学及环境技术领域。

背景技术

高吸水性树脂，是一种能吸收自重几百至上千倍的功能高分子材料。在农林应用中，高吸水性树脂的开发应用无疑是节水、保水、土壤改良等研究的热点方向中一条行之有效的新途径。研究表明，应用少量化学控制剂进行土壤水分、养分的调控，可以大大提高农田灌溉用水和氮磷肥利用率低、控制氮磷流失。由于高吸水性树脂不但具有良好的保水性能，而且还可以利用其自身的亲水性官能团吸附养分，抑制养分流失，从而提高肥料的利用效率，减少对环境的污染，因此，可以作为水肥控释剂用于土壤水分和养分的调控。就目前国内外的研究现状来看，现有高吸水树脂在高浓度电解质下的吸水倍率较低，保水率也不够理想，而对于其在缓释复混化肥上的应用探讨更是寥寥无几；并且其成本较高，难以在农业领域推广应用，因此亟待开发出对环境友好、成本低、耐盐性能好的高吸水性树脂。

农作物秸秆是自然界中数量巨大的可再生资源，其来源广泛、成本低廉，且纤维素含量较高，达40％左右。我国每年农作物秸秆产量达7亿吨之多，但这些资源长期未得到合理的开发，除极少量用作制浆、饲料和还田等用途外，其余都被焚烧，这既是对天然资源的巨大浪费，又造成了环境的严重污染。利用天然植物秸秆的纤维素制备高吸水性树脂，有望得到可生物降解、成本较低、耐盐性能较好的产物，同时，秸秆中的其他成分如木质素、半纤维素等均是有利于培肥土壤的有机质。

目前关于利用麦草秸秆制备吸附剂、离子交换剂等环保材料的研究越来越广泛，但关于秸秆纤维素用于制备高吸水性树脂类水肥控释材料的研究较少。

发明内容

针对以往的产品耐盐性差，反应物和副产物有毒性，环境友好性差且多为单离子型等问题，本发明的目的是提供一种易于制备，二次污染小，具有较好的保水性能，耐盐性强，能同时吸持阴阳离子基团等特点的环境友好的新型秸秆基两性水肥控释剂及其制备与应用。

本发明所述秸秆基两性水肥控释剂，是以农作物秸秆、丙烯酸(AA)、丙烯酰胺(AM)和二甲基二烯丙基氯化铵(DMDAAC)为原料，由下述方法制得：

(1)将农作物秸秆剪断成长度10±2cm的片段，用自来水洗涤除去泥土和灰尘，在105±5℃下烘干；然后将其粉碎，过100目筛，收集筛得的秸秆粉末，备用；

(2)将上述秸秆粉末，以秸秆与氨水质量比为1∶12±1的量加入体积比浓度为10％的氨水，浸泡48±5小时，然后抽滤，收集浸后的秸秆粉并用水清洗，再收集，烘干；

(3)取步骤(2)烘干后的秸秆粉，以秸秆与酸液质量比为1∶12±1的量加入浓度为1mol/L的硝酸溶液，在100±2℃下处理45±5min，然后抽滤，收集处理后的秸秆粉并用水清洗，再收集，烘干；

(4)取丙烯酸于烧杯中，以丙烯酸∶氢氧化钾溶液为5ml∶10ml的比例量加入6mol/L氢氧化钾充分搅拌，得到中和度为85％的丙烯酸溶液；

(5)取步骤(3)制得的秸秆粉于三口圆底烧瓶中，以秸秆粉为1.00克计，按如下顺序比例量1克∶7ml∶2.8ml，加入7ml浓度为10mg/L的过硫酸钾溶液和2.8ml浓度为的5mg/L硝酸铈胺溶液，在50±2℃下搅拌反应15±2min；

(6)再以秸秆粉为1.00克计，按如下顺序比例量1克∶2.3ml∶12ml∶4.46ml∶1.6ml，向三口瓶中加入2.3ml浓度为10mg/L的亚硫酸钠溶液，再加入12ml步骤(4)制得丙烯酸溶液、4.46ml质量百分比浓度为40％的丙烯酰胺溶液和1.6ml质量百分比浓度为60％的二甲基二烯丙基氯化铵溶液，在50±2℃下搅拌反应1±0.2h；

(7)再以秸秆粉为1.00克计，按1克∶1.4ml的比例量向三口瓶中加入1.4ml浓度为10mg/L N，N-亚甲基双丙烯酰胺溶液，在50±2℃下搅拌反应4±0.5h；

(8)将步骤(7)制得产物取出，在70±2℃下真空干燥24±2h，即得秸秆基两性水肥控释剂。

其中：所述农作物秸秆优选麦草秸秆。

本发明所述秸秆基两性水肥控释剂在农业保水和/或保肥中的应用。

本发明的新型秸秆基两性水肥控释剂是以麦草秸秆、丙烯酸、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵为原料，以过硫酸钾、硝酸铈胺和亚硫酸钠为复合引发剂的条件下制备而成。实验证实：本发明的秸秆基两性水肥控释剂具有吸水倍率高，pH值适用范围宽，盐离子浓度调节强，有益物质存贮长，且可生物降解、成本较低的特性，极利于水肥控制，在农业保水和/或保肥中具有广泛应用。同时本发明的秸秆基两性水肥控释剂还具有原料来源广泛，无污染、经济、适用等特点。

附图说明

图1本发明所述控释剂在不同的振荡时间下其吸水倍率的变化曲线。

图2本发明所述控释剂的吸水倍率随pH值的变化关系曲线。

图3盐离子浓度对吸水倍率的影响曲线。

图4去除率随时间的变化关系曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步阐述，但本发明保护内容不仅限于此。

一、新型秸秆基两性水肥控释剂的制备

(1)将麦草秸秆剪断成长度约10cm左右的片段，自来水洗涤除去泥土和灰尘。洗净后在自然条件下风干或在105℃下烘24h；将上述麦草秸秆粉碎，过100目筛，留取秸秆粉末，备用。

(2)取秸秆粉末，以秸秆粉末与氨水质量比为1∶12的量加入的10％(V/V)的氨水，浸泡48小时，将浸泡好的秸秆粉末取出抽滤并用蒸馏水清洗后烘干；

(3)取步骤(2)处理后的秸秆粉末，以秸秆粉末与酸液质量比为1∶12的量加入浓度为1mol/L的硝酸溶液，在100℃下处理45min，取出后用蒸馏水清洗，抽滤，烘干；

(4)取5ml丙烯酸于烧杯中，加入10ml氢氧化钾(6mol/L)充分搅拌混合得到中和度为85％的丙烯酸溶液；

(5)取1.00克步骤(3)制得的秸秆粉于三口圆底烧瓶中，加入7ml过硫酸钾溶液(10mg/L)和2.8ml的硝酸铈胺溶液(5mg/L)，在50℃下搅拌反应15min；

(6)向三口瓶中加入2.3ml的亚硫酸钠溶液(10mg/L)，再加入12ml经过中和的丙烯酸溶液、4.46ml丙烯酰胺溶液(质量分算为40％)和1.6ml二甲基二烯丙基氯化铵溶液(质量分数为60％)，在50℃下搅拌反应1h；

(7)向三口瓶中加入1.4mlN，N-亚甲基双丙烯酰胺溶液(10mg/L)，在50℃下搅拌反应4h；

(8)将步骤(7)制得产物取出，在70℃下真空干燥24h，制备得到新型秸秆基两性水肥控释剂。

二、新型秸秆基两性水肥控释剂的吸水、吸肥效果

试验1

在室温，150r/min的振速下，取50ml蒸馏水，加入一定量的新型秸秆基两性水肥控释剂，使控释剂的投加量为2g/L，分别在不同的时间段取出测其吸水倍率，明确材料的吸水效果。

试验2

在室温，150r/min的振速下，取50ml蒸馏水，调节PH值由2-12，加入一定量的新型秸秆基两性水肥控释剂，使控释剂的投加量为2g/L，振荡时间不少于120min.，测其吸水倍率，明确材料对pH值的适用范围。

试验3

在室温，150r/min的振速下，取50ml一系列浓度的氯化钠溶液，加入一定量的新型秸秆基两性水肥控释剂，使控释剂的投加量为2g/L，振荡时间不少于120min.，测其吸水倍率，明确材料的耐盐性。

试验4

在室温，150r/min的振速下，取50ml 50mg/L的氯化铵溶液，加入一定量的新型秸秆基两性水肥控释剂，使控释剂的投加量为2g/L，在不同的振荡时间下，测其吸水倍率和铵根离子浓度，并计算其对铵根的吸附效果，明确材料的吸肥效果。

检测方法：

吸水倍率的计算公式如下：

Q(％)＝(M₁-M₂)/M₂

其中，M₁(g)和M₂(g)分别为在t时刻时和初始时新型秸秆基两性水肥控释剂的质量。

吸附时间的影响：

如图1所示：随着时间的延长，合成控释剂的吸水倍率成增加趋势，在120min以后趋于平衡。随着在水中浸泡时间的增加，以秸秆为骨架的树脂网络不断地膨胀吸水。在刚开始浸泡时吸水倍率增长速率很快，而后慢慢变缓。最大吸水倍率能达到230g/g左右。

pH的影响：

如图2所示：合成控释剂的吸水倍率在不同的pH值情况下有不同的变化。在pH＜4时吸水倍率降低，在pH值处于4-7之间时，吸水倍率正好，在pH＞7时，吸水倍率略微降低。但是总体上说明在酸性较大的情况下，对吸水性能的影响最大。因为当溶液中存在着大量的H+时，易于影响树脂吸水时阴离子数目的增加，从而阻碍因粒子之间因静电斥力而导致的树脂网络扩张，而影响吸水性能。此外由图2还可以看出本合成产品具有较大的pH值适用范围，易于农业利用。

盐离子浓度的影响：

从图3中可以看出：随着氯化钠溶液质量分数的增加，吸水倍率降低。在NaCl％＞0.45％时，吸水倍率维持在一个较低的水平上。随着水体中盐离子浓度的增加，水分子通过氢键与树脂亲水基团的作用减弱。同时影响树脂吸水网络内外的渗透压，从而影响吸水性。

对铵根的吸附效果

如图4所示，合成的水肥控释剂对水溶液中的铵根离子有很好的吸附效果。随着时间的延长，去除率不断变大，并且该吸附是一个快速的过程，在150min时，去除效果达到60.15％。

Claims (3)

1.一种秸秆基两性水肥控释剂，是以农作物秸秆、丙烯酸、丙烯酰胺和二甲基二烯丙基氯化铵为原料，由下述方法制得：

(1)将农作物秸秆剪断成长度10±2cm的片段，用自来水洗涤除去泥土和灰尘，在105±5℃下烘干；然后将其粉碎，过100目筛，收集筛得的秸秆粉末，备用；

(2)将上述秸秆粉末，以秸秆与氨水质量比为1∶12±1的量加入体积比浓度为10％的氨水，浸泡48±5小时，然后抽滤，收集浸后的秸秆粉并用水清洗，再收集，烘干；

(3)取步骤(2)烘干后的秸秆粉，以秸秆与酸液质量比为1∶12±1的量加入浓度为1mol/L的硝酸溶液，在100±2℃下处理45±5min，然后抽滤，收集处理后的秸秆粉并用水清洗，再收集，烘干；

(4)取丙烯酸于烧杯中，以丙烯酸∶氢氧化钾溶液为5ml∶10ml的比例量加入6mol/L氢氧化钾充分搅拌，得到中和度为85％的丙烯酸溶液；

(5)取步骤(3)制得的秸秆粉于三口圆底烧瓶中，以秸秆粉为1.00克计，按如下顺序比例量1克∶7ml∶2.8ml，加入7ml浓度为10mg/L的过硫酸钾溶液和2.8ml浓度为的5mg/L硝酸铈胺溶液，在50±2℃下搅拌反应15±2min；

(6)再以秸秆粉为1.00克计，按如下顺序比例量1克∶2.3ml∶12ml∶4.46ml∶1.6ml，向三口瓶中加入2.3ml浓度为10mg/L的亚硫酸钠溶液，再加入12ml步骤(4)制得丙烯酸溶液、4.46ml质量百分比浓度为40％的丙烯酰胺溶液和1.6ml质量百分比浓度为60％的二甲基二烯丙基氯化铵溶液，在50±2℃下搅拌反应1±0.2h；

(7)再以秸秆粉为1.00克计，按1克∶1.4ml的比例量向三口瓶中加入1.4ml浓度为10mg/L N，N-亚甲基双丙烯酰胺溶液，在50±2℃下搅拌反应4±0.5h；

(8)将步骤(7)制得产物取出，在70±2℃下真空干燥24±2h，即得秸秆基两性水肥控释剂。

2.如权利要求1所述的秸秆基两性水肥控释剂，其特征在于：所述农作物秸秆是麦草秸秆。

3.权利要求1所述秸秆基两性水肥控释剂在农业保水和/或保肥中的应用。

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