CN102351606A - 一种环保包膜肥料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环保包膜肥料及其制备方法，涉及缓控释肥技术领域。该环保包膜肥料包括化肥颗粒和包裹在颗粒肥料表面的包膜，其中构成控释包膜的材料为多醛基氧化多糖与蛋白，为了保护控释包膜，在其外层包裹高吸水性树脂。本发明为植物提供了所需的多种营养元素，并且改善了肥料营养元素的缓释性能，同时通过肥料与吸水树脂的结合使之具有吸水保水、缓释、土壤调理等多种功能。

Description

一种环保包膜肥料及其制备方法

 

技术领域

本发明涉及缓控释肥技术领域，特别是涉及一种环保包膜肥料及其制备方法。

背景技术

化肥在农业生产中占有具要的作用，联合国粮农组织结论：20世纪世界粮食增产的40% - 60%来自于肥料的贡献。世界研究资料统计表明，发达国家氮肥利用率为40%-60%，磷肥为10%-20%，钾肥为40%-60%。我国研究表明，氮肥利用率平均为30%-40%，磷肥为10%-25%，钾肥为35%-60%。平均计算，施入土壤的常规化肥有45%的氮素通过不同途径损失。降低化肥损失，提高化肥资源利用率，减轻或免除肥料污染已引起了世界各国的重视。减轻化肥污染可通过降低化肥施用量来降低化肥损失到环境中的总量，但是这种措施对于人口增长迅速、粮食需求压力大的发展中国家难以采用。其次，降低化肥损失可通过推广平衡施肥，测土配方施肥和使用农艺措施加强农田养分管理，提高化肥使用效率，然而，这些技术推广难度大，局限性多，尤其是对土地分散经营模式的中国往往不是很奏效。肥料发展和使用的历史充分证明，对肥料本身进行技术改造和创新是提高化肥利用率切实可行的途径。通过肥料技术改造和创新，改造现有常规肥料和研制新型肥料是提高肥料利用率、减少肥料损失的重点，其中缓/控释肥料较早地引起了研究人员的注意。缓释肥料的优点是利用率高，养分损失少，环境友好。在各种缓控释肥料中，聚合物包膜控释肥又以养分精确控制释放而更宜满足作物生长期的养分需求，因此，近年来聚合物包膜控释肥的发展速度非常快。

目前的缓/控释肥料应用主要在经济作物和高尔夫球场，限制其在农业上广泛应用的主要制约因素为:一是缓/控释肥料成本高，主要是缓腔释材料价格高，制备工艺复杂；二是包膜设备规模小，费用高；三是目前的包膜材料基本以树脂为主，这种材料进入土壤很难降解，降解周期30-50年，连年施用将对土壤造成污染；四是目前的缓/控释肥料大部分都是单质型，以氮为主进行包膜，而忽略磷钾的缓释。上世纪九十年代以来，一些日本公司相继开发出了聚烯烃包膜肥料并实现产业化，而且陆续有一批包膜控释肥制造的专利公开，如JP 2002-234790,   CN 1749220A,  JP 2004-217434,   JP 2000-185991。从这些国外释放材料配比可以看出，包膜层物质均含有聚烯烃，我国也有此类专利，如公开号CN 101462907A的包裹材料为聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯。上述各控释肥料存在的主要缺点是：生产中使用的有些有机溶剂如苯、二甲苯及卤代烃有剧毒，甚至国内外现已禁用。因此，对生产设备的密封性要求非常高，从而增加了设备投入成本。此外，控释肥的聚合物残膜在土壤中降解所需附间很长，易造成对土壤的二次污染。

除此之外，包膜肥料的膜容易在包装、运输、使用时受到机械损坏，这样将失去对肥料的缓释性。

如公开号CN 101891543 A的“一种颗粒状复合肥的制备方法”用氯化钙交联海藻酸钠，由于其固态反应交联控制不均匀，导致其初期释放速度过快，其中5天内尿素的释放量高达92.8%，其他两种肥料磷和钾的5天内释放量也接近70%和80%。

另外，肥料和水是制约农业生产发展的两大因素，如何提高水资源和肥料的利用率是至关重要的。由于我国大部地区降雨比较集中( 4- 9 月) , 而且具有雨量大、历时短的特点, 这使得栽培的农作物在旱季( 10- 3月) 水资源缺乏, 而在雨季水份利用率不高, 肥料中养份流失严重。高吸水性树脂也称超强吸水性聚合物(Superabsorbent Polymer，简写为SAP )，能够在较短时间内吸收大量的水，并且在加压下也能保持。高吸水性树脂的主要用途之一就是用于农业和园艺上来提高水的利用率。并且，施入土中后，它还具有改善土壤的通气性、稳定性和防止土壤退化等功能。缓释肥料和超强吸水剂的最优化组合可以改善植物的营养状况、减少水溶性肥料对环境的副作用、降低水分蒸发速率和减少灌溉频率。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种环保包膜复合肥及其制备方法。

本发明环保包膜肥料，由化肥颗粒、包裹在所述化肥颗粒表面的控释包膜及保护层组成，所述控释包膜的构成材料包含多醛基多糖和蛋白，所述保护层的构成材料包含高吸水性树脂。

所述化肥颗粒可以包含氮磷钾中任意一种肥料，也可以是其中任意两种或三种的复合肥。

所述高吸水性树脂为淀粉类（即以淀粉接枝丙烯酸盐为原料制备的高吸水性树脂）、纤维素类（以羧甲基纤维素为接枝母体制备的高吸水性树脂）、合成类（以丙烯酸或丙烯酰胺类的单体进行接枝）中的一种或多种；其与所述颗粒化肥重量份数比为1～30: 70～99；优选为8～15：85～92。

所述控释包膜为多醛基多糖和蛋白，其含量与所述颗粒化肥重量份数比为1～20: 80～99，优选为3～10：90～97；多醛基多糖与蛋白的质量比为0.01～100，优选0.1～10；所述控释包膜中的多醛基多糖包含氧化淀粉、氧化纤维素、氧化海藻酸钠、氧化瓜儿胶、氧化罗望子胶之中的一种或几种；包膜控释层中蛋白包含明胶、大豆蛋白、玉米蛋白或其它蛋白之中的一种或几种。

本发明环保包膜肥料的制备方法，包括如下工艺步骤：

（1）在造粒机里放入的化肥颗粒，喷入雾化水将颗粒表面润湿后，将多醛基多糖和蛋白粉末加入到造粒机内，使其包裹在肥料外作为肥料控释膜层；

（2）将高吸水性树脂粉末加入到造粒机内，使高吸水树脂粉末包裹在肥料颗粒外层，作为包膜肥料保护层；

（3）包膜完成的肥料颗粒干燥后，即为成品。

本发明环保包膜肥料的另一种制备方法，包括如下工艺步骤：

（1）将多醛基多糖和蛋白溶液从不同喷头喷涂化肥颗粒作为肥料控释膜层；

（2）用高吸水性树脂溶液喷涂化肥颗粒，作为包膜肥料保护层；

（3）包膜完成的肥料颗粒干燥后，即为成品。

本发明中，多醛基多糖的醛基含量不小于3%，优选不小于10%。醛基采用碱熔法测定（郑昌戈, 姚笑红, 何艳辉, 等. 双醛淀粉的合成及其氧化度的测定[J].湘潭大学自然科学学报, 1996,18(1):70-73.）。

本发明所用包膜材料，为多糖和可降解聚合物，在生产中不用有机溶剂，无需加热，与前面所述的专利文献相比，具有无毒环保节能等优点。

在肥料吸水后，多醛基多糖中的醛基与明胶分子链上的氨基反应形成schiff碱交联点，形成凝胶网络，这一不溶凝胶的外层又被高吸水性树脂形成的凝胶包裹，形成一个稳定的凝胶团。作为肥料的尿素、钾肥在释放时，在这些K⁺或NH₄ ⁺逸出时，凝胶会进行吸附和阻碍，达到缓释的作用，并且多醛基多糖中的醛基与一些尿素的氨基反应形成schiff碱，也产生控释作用。由于交联的多醛基多糖与明胶可以大量吸水形成水凝胶，比单一使用高吸水性树脂的吸水保水性更好。

在土壤中的缓释性能的测试结果显示，本产品第28天时不超过75%，符合欧洲标准委员会 (CEN)对缓释肥料的缓释标准，表明其具有良好的缓释性能。

本产品加入土壤后，不仅提高土壤的吸水能力，同时还具有较好的保水保墒能力，可减缓土壤中水分的蒸发，缓慢释放所存储的水分，使其被作物充分吸收，有效提高水资源的利用率，在干旱、缺水或日蒸发量大的地区有较好的应用前景。同时，养分随着水分的释放而释放。土壤中溶胀后的环保包膜肥就象一个保留水分和养分的微型水库，能够同时提高水分和养分的利用率。

附图说明

图1为环保包膜尿素在土壤中的缓释；

图2为环保包膜复合肥在土壤中的缓释；

图3为环保包膜复合肥在土壤中的保水性能。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明，但不仅限如此；实施例中的份数均为质量份数。

实施例1 制备环保包膜尿素肥料

将7份过110目筛的氧化淀粉粉末和3份过50目筛的明胶粉末经过研磨（雷通M02颗粒研磨机，深圳市雷通实业有限公司）混合均匀，作为包裹材料。在圆盘造粒机(郑州瑞恒机械制造有限公司，ZL10)里放入90份直径为l-2mm的尿素颗粒，喷入雾化水将尿素颗粒表面润湿后，将上述10份包裹材料加入到圆盘造粒机内进行滚动包膜，使包裹在肥料内核上。喷入雾化水将尿素颗粒表面润湿后，最后将10份高吸水性树脂粉末（农用高吸水性树脂，NIPPO，日本触媒）加入到圆盘内进行滚动包膜，使高吸水树性脂粉末包裹在肥料颗粒外层，作为肥料外层包膜。然后室温晾干，即得到环保包膜尿素肥料成品。

实施例2 环保包膜尿素肥料的保水缓释的性能测试（所用样品为实施例1所得）

2.1. 吸水率(Wa)的测定

准确称取1克环保包膜尿素，放入加有 200mL自来水的烧杯中，室温下浸泡90分钟后用自制尼龙网(孔径 0.076mm)过滤，并在网上静置5分钟，取下称重，记作Mi，吸水率按Wa=Mi-1计算。

环保包膜尿素肥料样品在常压下吸自来水81倍，而只有超强吸水剂包裹尿素颗粒(自制样品，制备方法与实施例1相同，但不加氧化淀粉和明胶，直接用高吸水树脂粉末包裹尿素颗粒)吸自来水为73倍。

2.2. 缓释性测定

取1克双层环保包膜尿素与180克干土(过26目筛)混合均匀后放入 300mL烧杯中，加入120克自来水，平行做8个(实验过程中通过加入蒸馏水来保持各样中水含量不变)，分别于1，2，5，10，15，20，25，30天取一个，以0.01MCaCl₂溶液浸提测氮含量。同时做空白样和两个对照样，其中空白样中不加肥料，一个对照样中加入与1g环保包膜尿素肥料等氮含量的未经任何处理的尿素，另一对照样中加入1克的只有超强吸水剂包裹尿素颗粒(自制样品，制备方法与实施例1相同，但不加氧化淀粉和明胶，直接用高吸水树脂粉末包裹尿素颗粒)，其中尿素的总氮含量与1g环保包膜尿素等同。各样中氮含量用开氏消煮法测定。计算释放比例。

如图1，尿素在加入土壤的当天其养分释放量已超过95%；而高吸水性树脂包裹尿素在加到土壤中后，养分释放速率与纯尿素相比有所减缓，但仍明显高于环保包膜尿素的氮的释放速率。环保包膜尿素在第2、5和30天时，氮的释放量分别为9、16和72wt%。第28天时不超过75%，符合欧洲标准委员会 (CEN)对缓释肥料的缓释标准，表明其具有良好的缓释性能。

2.3. 土壤最大含水率测定

实验中所用的土壤取自山东临沂。取5克环保包膜尿素与495克干土(过26目筛)混合均匀，然后装入直径 4.5cm，底部包有纱布(孔径 0.076mm)的PVC管中，并称重(记为Wd，)。将管悬空从上部逐渐淋入自来水，直至底部有水渗出为止，静置，待不再渗出时称重(记为Ww)。同时做对照实验(不加环保包膜尿素，其余条件同上述)，土壤最大含水率(记为W%)按下式计算：W=[(Ww﹣Wd)／(Ww﹣Wd﹢500)]×100%

实验表明，不加环保包膜尿素的土壤的最大含水率为30.1%，加入肥料后土壤最大含水率为 41.5%，提高约11.4%。这表明所制备的肥料在土壤中具有较好的吸水性能，可明显提高土壤含水率，有效存储雨水或灌溉水，从而提高水资源利用率。这是其与一般缓释肥料相比的一大优点。

实施例3 制备环保包膜复合肥

将质量比例为1：1的过110目筛的氧化淀粉和过50目筛的明胶经过研磨（雷通M02颗粒研磨机，深圳市雷通实业有限公司）混合均匀，作为包裹材料。在圆盘造粒机(郑州瑞恒机械制造有限公司，ZL10)里放入92份直径为l-2mm的氮磷钾复合肥颗粒（由山东喜丰田生态肥业有限公司提供），喷入雾化水将颗粒表面润湿后，将8份上述包裹材料粉末加入到圆盘造粒机内进行滚动包膜，使包裹在肥料内核上。再次喷入雾化水将颗粒表面润湿后，最后将10份制备好的吸水树脂粉末（农用高吸水性树脂，NIPPO，日本触媒）加入到圆盘内进行滚动包膜，使吸水树脂粉末包裹在肥料颗粒外层，作为肥料外层包膜。然后室温晾干，即得到环保包膜复合肥成品。

实施例4 环保包膜复合肥的保水缓释的性能测试（所用样品为实施例3所得）

4.1. 吸水率(Wa)的测定

准确称取1克环保包膜复合肥，放入加有 200mL自来水的烧杯中，室温下浸泡90分钟后用自制尼龙网(孔径 0.076mm)过滤，并在网上静置5分钟，取下称重，记作Mi，吸水率按Wa=Mi-1计算。

在常压下吸自来水89倍

4.2. 缓释性测定

取1克环保包膜复合肥与180克干土(过26目筛)混合均匀后放入 200mL烧杯中，加入60克自来水，平行做8个(实验过程中通过加入蒸馏水来保持各样中水含量不变)，分别于1，2，5，10，15，20，25，30天取一个。用来测定剩余的N、P和K的含量。氮含量是用元素分析仪测定的，钾和磷含量是用电感藕合等离子体光谱仪测定的。计算释放比例。

如图二，其结果可以看出：三十天后，N、P和K的释放量分别为60 %、64%和73%。这些数据表明环保包膜复合肥在土中具有良好的缓释性。第28天时不超过75%，符合欧洲标准委员会 (CEN)对缓释肥料的缓释标准，表明其具有良好的缓释性能。

4.3. 土壤最大含水率测定

实验中所用的土壤取自山东临沂。取5克环保包膜复合肥与495克干土(过26目筛)混合均匀，然后装入直径 4.5cm，底部包有纱布(孔径 0.076mm)的PVC管中，并称重(记为Wd，)。将管悬空从上部逐渐淋入自来水，直至底部有水渗出为止，静置，待不再渗出时称重(记为Ww)。同时做对照实验(不加环保包膜尿素，其余条件同上述)，土壤最大含水率(记为W%)按下式计算：W=[(Ww﹣Wd)／(Ww﹣Wd﹢500)]×100%

实验表明，不加环保包膜复合肥的土壤的最大含水率为29.8%，加入肥料后土壤最大含水率为 41.5%，提高约11.7%。这表明所制备的肥料在土壤中具有较好的吸水性能，可明显提高土壤含水率，有效存储雨水或灌溉水，从而提高水资源利用率。这是其与一般缓释肥料相比的一大优点。

4.4. 土壤保水性测定

按4.3所得土壤称重，室温下放置，每隔5天称重一次，记为Wi.，连续观测，同时做对照实验(不加环保包膜复合肥，其余条件同上述)。水分保有率(记为W%)按下式计算：W=[(Wi﹣500)／500] ×100%

如图3，加环保包膜复合肥的土壤的保水性能要比不加的土壤的保水性要好。20天后，不含环保包膜复合肥的空白土壤水份已完全蒸发干，而对于加有环保包膜复合肥的土壤保水率仍高达18wt%。同时，我们还观察到不加环保包膜复合肥的土壤在室温下10天时已经变硬并且有小的裂纹，到13天完全呈现龟裂状，而加有环保包膜复合肥的土壤没有裂缝。表明所制备的环保包膜复合肥加入土壤后不仅具有较好的吸水能力，同时还具有较好的保水保墒能力，可减缓土壤中水分的蒸发，缓慢释放所存储的水分，使其被作物充分吸收，有效提高水资源的利用率，在干旱、缺水或日蒸发量大的地区有较好的应用前景。同时，养分随着水分的释放而释放。土壤中溶胀后的环保包膜复合肥就象一个保留水分和养分的微型水库，能够同时提高水分和养分的利用率。

Claims (6)

1.一种环保包膜肥料，其特征在于：由化肥颗粒、包裹在所述化肥颗粒表面的控释包膜及保护层组成，所述控释包膜的构成材料包含多醛基多糖和蛋白，所述保护层的构成材料包含高吸水性树脂。

2.根据权利要求1所述的环保包膜肥料，其特征在于：所述化肥颗粒可以包含氮磷钾中任意一种肥料，也可以是其中任意两种或三种的复合肥。

3.根据权利要求1或2所述的环保包膜肥料，其特征在于：所述高吸水性树脂为淀粉类（即以淀粉接枝丙烯酸盐为原料制备的高吸水性树脂）、纤维素类（以羧甲基纤维素为接枝母体制备的高吸水性树脂）、合成类（以丙烯酸或丙烯酰胺类的单体进行接枝）中的一种或多种；其与所述颗粒化肥重量份数比为1～30: 70～99；优选为8～15：85～92。

4.根据权利要求1或2所述的环保包膜肥料，其特征在于：所述控释包膜为多醛基多糖和蛋白，其含量与所述颗粒化肥重量份数比为1～20: 80～99，优选为3～10：90～97；多醛基多糖与蛋白的质量比为0.01～100，优选0.1～10；所述控释包膜中的多醛基多糖包含氧化淀粉、氧化纤维素、氧化海藻酸钠、氧化瓜儿胶、氧化罗望子胶之中的一种或几种；包膜控释层中蛋白包含明胶、大豆蛋白或玉米蛋白中的一种或几种。

5.根据权利要求1或2所述的环保包膜肥料的制备方法，其特征在于包括如下工艺步骤：

（1）在造粒机里放入的化肥颗粒，喷入雾化水将颗粒表面润湿后，将多醛基多糖和蛋白粉末加入到造粒机内，使其包裹在肥料外作为肥料控释膜层；

（2）将高吸水性树脂粉末加入到造粒机内，使高吸水树脂粉末包裹在肥料颗粒外层，作为包膜肥料保护层；

（3）包膜完成的肥料颗粒干燥后，即为成品。

6.根据权利要求1或2所述的环保包膜肥的制备方法，其特征在于包括如下工艺步骤：

（1）将多醛基多糖和蛋白溶液从不同喷头喷涂化肥颗粒作为肥料控释膜层；

（2）用高吸水性树脂溶液喷涂化肥颗粒，作为包膜肥料保护层；

（3）包膜完成的肥料颗粒干燥后，即为成品。

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