CN102822122A - 产生营养的生物可再生控释肥料包膜 - Google Patents

Abstract

加工动物废弃物以形成用作典型的肥料颗粒的包膜层的生物材料。所述生物材料包膜层可以单独使用或与添加剂一起使用，并且用来实现以下一种或多种或任意组合：（a）赋予所述肥料缓释或控释的性质；（b）阻止或降低所述肥料颗粒一起结块的倾向；或（c）阻止或降低所述肥料颗粒产生灰尘的倾向。当用作肥料组合物的一部分时，所述生物材料包膜层还可以释放营养物。

Description

产生营养的生物可再生控释肥料包膜

技术领域

本发明涉及生物衍生树脂材料，其在本文中称为“生物材料”。在特定的实施方案中，本发明涉及部分衍生于动物废弃物的生物材料。在具体的实施方案中，所述生物材料用作涂覆于肥料颗粒的包膜。更具体地说，本发明涉及生物材料包膜，其本身是产生营养的，且全部或部分获得于生物可再生资源。在一些情况下，包膜用于控制肥料颗粒向环境的释放；在其它情况下，包膜减少储存或运输过程中的结块和/或减少储存时灰尘的形成；并且，在其它情况下，包膜可以完成前述功能的任一项或任意组合。

背景技术

动物废弃物的处置已经变成集约化畜牧业一个非常重要的问题。多种集中养殖的动物的排泄物（尽管富有营养）潜在地污染环境。例如，来自牛、马和猪粪便的氮和磷化合物会污染地表水，且甚至会渗入地下水，并且存储的粪便或浆液释放出的氨和甲烷气体会导致当地周边地区的人和动物呼吸窘迫。所以，这推动我们将动物废弃物用于有益用途，以减少处理和/或储存的量从而降低对环境的负面影响。虽然动物废弃物现在用于生产有机肥料，但这一用途不排除对环境的影响，因为在生产有机肥料时废弃物仍然经常暴露在环境中，因而仍会引起地表水和地下水的污染。

动物废弃物还用于产生沼气。沼气池和泻湖在没有氧气的存在下使用厌氧菌消化有机物质并产生沼气（甲烷）作为废产物。沼气可用于加热、烹饪和操作内燃机，并可被转换成电能。但甲烷是一种温室气体，且这类气体现在被指责引起了各种弊病，尤其是所谓的全球气温变暖，据称这可能会带来灾难性的后果。另外，实施沼气发电机和气体净化装置的启动成本相当大，使得这个动物废弃物处置选择在经济上难以实现。

所以本领域需要发展动物废弃物的另外的有益用途。这不仅提供了能使用的非常易于可再生的资源，而且还将有助于消除这类废弃物的污染源。由于动物废弃物已在肥料应用中广受欢迎，所以本发明旨在将动物废弃物作为包膜的用途纳入当前的肥料产品中。此纳入还通过释放常见的包膜成分（如石油基烃类物质），将其用于其它应用中，而推动本领域的发展。因为肥料是本发明的焦点，一些肥料产业的背景介绍如下。

为了促进植物生命的生长和健康，化学化合物和化学化合物的混合物用来改变土壤的天然化学成分已经用了数百年。千百年来，这些产物从现成的和相对易于收获的天然材料和废弃物材料中获得。例如，人们已经使用动物粪便（如鸟粪、牛粪和马粪）作为农作物的肥料，主要是因为它们含有磷和氮。随着技术的进步，人们使用更精良和有效的手段向土壤中添加养分。

早在19世纪早期的德国，尤斯蒂斯·冯·李比希（Justus von Liebig）开发了首个商业化的氮基肥料（氨），并且自那时起，化学化合物（如硝酸铵、尿素、硫酸铵、氯化钾和各种磷酸盐组合物）已经合成生产以用于液体和固体肥料调配物中。这些肥料技术进步的实现，导致农业应用的作物产量大幅增加，并改善了草坪和观赏植物的外观和健康。

由于世界人口的增长，生产耕地可利用性的限制，以及一些类型的农作物用于其它用途（如用于燃料）和其它性能化学品，有必要提高每种植英亩作物的生长速度和产量。为了追求作物产量增加，农业产业中的农夫和研究人员已经转向制造化学工业寻求肥料、杀虫剂和除草剂的进步，其将改善植物的健康和生长速度并相应地提高耕地的种植密度和粮食亩产量。

由于与合成肥料使用相关的成本增加，在一些情况下有必要通过在单独的生产工序中对固体营养颗粒使用表面包膜来阻止其快速溶解。这些包膜（经常称为控释或缓释包膜）使营养化合物在计划的一段时间内释放到周围的生长介质中。控释不仅用于延长潜在昂贵的肥料化学品的使用寿命，还阻止肥料以对植物生命有毒或以其它方式对周围的生态系统产生危害的量释放出。事实上，在世界一些地区（特别是在西欧），当地有严格的规定限制施用于作物的氮和磷的量。因此，控释技术对一些应用至关重要。

相当数量的控释肥料包膜已被提出并在商业上开发。这些包括硫包膜尿素颗粒（如，美国专利第3,295,950、5,300,135号），4,711,699、4,969,947和环氧树脂包膜肥料组合物（美国专利第3,264,088号和第5,698,002号）工艺。

所有这类包膜的一个普遍缺点是制成其的组分通常不是生物可再生的，其中“生物可再生”要理解为衍生于自然反复出现的材料物流。相比于在农业中持续产生的动物废弃物来源，所述组分必须从不可再生来源或不易被替代的来源中获得。作为本发明的焦点的动物废弃物，其不仅易于再生，还具有固有的对施肥有用的营养含量，这从这类材料在有机肥料生产中的使用可以知道，因此，本领域会从动物废弃物作为肥料包膜的应用中获益，且本发明用来教导这一情形。

生物衍生材料在控释肥料生产中作为佐剂的用途已公布在美国专利第5,478,375号中。所要求的材料（动物脂）的一种基本组分需要毁坏牲畜以获得产物前体。其它（大豆）需要收获具有非常重要的食用价值的材料。这些生产控释肥料的途经都没有利用这样的材料废弃物流，其被视为最好是环境滋扰且最坏是严重生态问题的重要因素。

许多肥料（尤其是粒状肥料）在运输和储存过程中有结在一起的倾向。这种现象（在肥料产业中俗称“结块”）是源于在其化学和物理相容性（包括其吸湿倾向性（趋于吸收湿气，甚至是从大气中））的基础上，颗粒之间互相结合的天然倾向性。有两种广泛接受的机制解释结块。第一种叫做晶体桥接，其中，在水分的存在下，来自一个颗粒的分子与来自邻近相接触的分子连接形成分子晶体桥。第二种结块机制叫做毛细管粘附，其中水压力凭借将水吸收进颗粒孔隙发挥作用，产生强韧的结合力。肥料颗粒结块的倾向性和结块程度取决于肥料的类型、颗粒的几何形状、生产、储存和运输过程中的环境情况、储存中施加的压力以及其它变数。在储存和运输过程中结块的肥料的一些常见类型包括尿素、磷酸铵、硝酸铵、硝酸钙、硫酸铵、钾肥、超磷酸盐和复合肥料（如NPK’s（氮-磷-钾肥料））。

粒状肥料（如磷酸铵、钾肥、超磷酸盐和NPK’s）具有其它劣势，即其在制造、装卸、运输和储存过程中产生灰尘，产生灰尘的原因是这些结合举动对颗粒产生磨削作用或由于粘着力缺失导致颗粒本身分解并且在一些情况下，特别是由于晶相变化导致的硝酸铵体积反复改变。

化学添加剂已经在用于抗结块和灰尘控制应用的颗粒肥料的处理中使用了数十年。在抗结剂的情况中，已使用滑石的精细型分散粒子和多种粘土矿物（如绿坡缕石和硅藻土）作为表面包衣。这些精细粒子降低了肥料颗粒之间的紧密接触并且还用于吸收残留的也可引起结块现象的水分。Smith在美国专利第3,041,159号并重新在美国专利第3,125,434号提出绿坡缕石土（attapulgite clay）作为抗结剂的用途。类似地，Sutton在美国专利第3,886,641号公布了煅烧的高岭土作为粒状肥料的抗结剂的用途。

在一些情况下，通过添加表面活性化学物（如脂肪胺，脂肪酸和烷基苯磺酸盐）来改性的蜡、油和其它疏水性化合物也已被广泛用作抗结包膜，且由于许多导致结块的相同现象也在灰尘的形成中起作用，许多这类化合物也用于阻止灰尘生成。然而，在许多情况下，灰尘控制是独立的问题（尤其是在生产和储存中），且必须同样处理。在这些情况下，颗粒上通常涂有便宜的化合物，基本目的是为了将扬尘颗粒吸附在处理的颗粒表面上。在这些情况下，可以使用便宜的易获得的材料（如矿物油、植物油、凡士林油、废油）和从造纸和木制品中使用的松树的加工过程得到的各种松脂和其组合，而不需使用任何会增加配方成本的活性化学物。使用这些产品的缺点是它们不对肥料添加任何营养价值；它们在抗尘和/或抗结块应用中的用途妨碍了其在其它潜在更有用的应用（如润滑剂）和食品中的用途；且它们的应用对环境有害。

在上文提到的现有技术的调配物的每种情况中，添加现有技术的包膜剂总体上降低了肥料中的活性植物营养的总浓度，从而减弱了其对预期植物生长的所需作用。因此本领域将从本身产生营养、生物可再生和废物减少的肥料包膜获益，不管包膜供以影响主要肥料组分的缓释或供以抗结块性质或供以控制灰尘或以上那些性质的任意组合。

发明内容

本发明的一个目的是提供生物材料组合物，其衍生于生物可再生资源，在具体的实施方案中，所述生物可再生资源是动物废弃物资源。

另一个目的是提供用于从原始的动物废弃物生产生物材料组合物的方法。

另一个目的是提供固体肥料的改进方法，所述方法通过包合衍生于生物材料组合物的包膜层，所述包膜层提供以下性质的一种或多种：赋予肥料缓释或控释的性质；阻止或降低肥料颗粒结块的倾向，或；或阻止或降低肥料颗粒生成灰尘的倾向。

本发明的再一个目的是提供包膜层，如上文所述，其是产生营养的且因此其本身对植物生长过程有益。

在赋予缓释或控释性质的包膜中，又一个目的是用聚合物和其它化学添加剂修饰生物材料以降低生物材料的亲水性以及实现对获得包膜所需成效必要的其物理和化学性质的变化。

从本文提供的描述的细节，本发明的其它目的和进一步适用范围将会变得明显。在展示本发明的实施方案的同时，提供的详述仅用于说明目的，因为本发明的范围和精神内的改变会由此变得明显。

在一个实施方案中，本发明提供肥料组合物，其包含：含有至少一种水溶性植物营养的植物营养核心；和包含衍生于动物废弃物的生物材料的生物材料包膜层。

附图说明

图1提供了本发明的两层肥料组合物的实施方案的横截面视图；并且

图2提供了本发明的多层肥料组合物的实施方案的横截面视图。

具体实施方式

根据本发明，由动物废弃物通过将其转换成本文广泛称作“生物材料”造成有益用途，所述“生物材料”的名称显示其是来自生物来源的材料。该生物材料用作包膜。在具体实施方案中，所述生物材料用于生物材料包膜层以涂覆植物营养核组分（其普遍理解为充当植物营养的任何组分），无论当前以上文所述方式用作（例如，尿素、硫酸铵、硫酸钾、硝酸铵、磷酸二铵或含氮、磷和钾的复合肥料）还是在下文中为这类目的发明或开发。在一些实施方案中，所述生物材料还被以下一种或多种改性：聚合物、相容剂、其它树脂、增量剂、改性剂或填充剂。

生物材料衍生于动物废弃物，意思是本文使用的所述“动物废弃物”不仅包括通常理解的动物排泄物还包括动物本身的躯体。就是说，本文中“动物废弃物”可包括动物的尸体和其部分。根据本发明，生物材料可产自动物排泄物、动物躯体或两者。由于动物排泄物的使用不破坏宿主动物且还因为对排泄物的处理会导致重大的环境影响，优选只使用动物排泄物和来自宿主动物的其它废物材料（尤其是毛发）和其它这类易变物质。然而，畜牧业和肉类生产会引起大量动物尸体（整体或躯体部分），而本发明可以提供有效处置这类躯体的方法：将其转换成生物材料。

因此，在具体实施方案中，动物废弃物是动物排泄物（尤其是粪便），其应理解为组合的粪便、尿液和附加物（如水、废弃饲料、毛发和动物垫草），其中附加物通常非常难以从尿液/粪便排泄物中分离。粪便可来自任何动物来源，甚至人。猪、鸡、牛、羔羊、山羊和马粪便可能是生产动物材料的最好来源，因为动物养殖经常将许多这些动物聚集在同一地点，因此在同一地点产生大量易于收集的粪便。猪粪尤其重要，这是因为和其它动物相比，猪趋向产生更多粪便。

粪便可以呈液浆、半固体或干状，虽然如果其以干状获得，优选将其处理成浆状或半浆状以使其可在下文教导的化学转换中加工，这是因为液体或浆状更易于处理和并入组分。当具有15%的固体或更少时，粪便通常具有液体的特征，但当具有20%的固体或更多时，其可能具有固体的特征。干的粪便可以裂开并与水或其它增量剂和/或填充剂混合以产生本文方法所需的浆和百分固体含量。

在本发明中，所述生物材料产生于热化学（即，热解）反应或水-热转换过程，藉此在缺氧情况下，高温和压力结合从动物废弃物中的较大烃分子中形成较小烃分子。动物废弃物以浆状加工，所述浆状固体含量小于20%；在其它实施方案中，小于15%；在另一个实施方案中，小于10%；并且在其它实施方案中，小于5%或更少。首先通过粒径减少装置抽吸物质以便其能更容易地通过转换器的反应堆管道或配管抽吸来加工收集的液浆废弃物。在一些实施方案中使用200筛孔筛。在缺氧情况下，在介于100至400℃之间的温度下加工动物废弃物，并且维持气压足够高以确保含有大量水的浆不沸腾。

在此工序的一些实施方案中，转换器加压至最小压强为200psi（磅/平方英寸），在其它的实施方案中，最小压强为400psi；在其它的实施方案中，最小压强约为800psi；在其它的实施方案中，最小压强为1200psi；在另一个实施方案中，最小压强为1600psi；且在再一个实施方案中，最小压强为1800psi。在一些实施方案中，在这些压强下，转换器加热至温度介于100至400℃之间；在其它的实施方案中，介于150至375℃之间；且在其它的实施方案中，介于200至350℃之间。在具体实施方案中，温度维持在近300℃。特别地，在游离氧的缺乏下进行加工，以阻止化学化合物氧化。在具体的工序中，在游离氧的缺乏下，给转化器加压至压强为1600psi至1800psi并加热至温度为250至350℃，以阻止化学化合物氧化。在所述工序中，在以上加工条件下约10到100分钟后，认为动物废弃物中的高分子量化合物裂解，从而形成对本发明更加有用的较小的烃分子。从此过程中得到的产物是本发明的“生物材料”。加工参数和设备公布于Ocfemia,K.S.,Zhang,Y.H.和Funk,T.(2006),Hydrothermal processing of Swine Manure into Oil Using aContinuous Reactor System:Development and Testing,Transactions of ASAE49(2),533-541以及Ocfemia,K.S.,Zhang,Y.H.和Funk,T.(2006),Hydrothermal Processing of Swine Manure to Oil Using a Continuous ReactorSystem-Effects of Operating Parameters on Oil Yield and Quality,Transactions ofASAE 49(6),1897-1904，其全部内容都以引用的方式并入本文。目前，可接受的生物材料产自Advanced BioRefinery公司（加拿大，渥太华）和Innoventor公司（美国，密苏里州圣路易斯市）。至于Innoventor的产品，参见美国专利第7,105,088号，其全部内容以引用的方式并入本文。

转化工序之后，将液浆生物材料抽入过滤处理器，固体在干燥之前在此处浓缩。将所述生物材料干燥以方便储存和运输，尤其就体积和重量而言。所述生物材料优选干燥至其最小固体含量为95至100%。在25℃下，干燥的产物是固体树脂物质，其硬度和松脂相似，并且可通过加热至更高的温度化为液体。

本发明的生物材料是富有极性有机化合物（包括含氮和磷化合物）、碳氢化合物和无机矿物的物质。生成的树脂可以单独用作本文教导的生物材料包膜层，尤其当包膜层的主要功能是控制灰尘时，但是，在一些应用中，所述生物包膜层可包括生物材料和附加聚合物、相容剂、其它树脂、增量剂、改性剂和填充剂。这些附加组分（当特定最终用途需要时）通过简单添加和混合或通过在将生物材料施于肥料的过程中的原位添加纳入生物材料。

生物材料稍微具有亲水性，产自于生物水系统过程。且，因为如此，其可能在水性环境（如与肥料，尤其与露水、雨水、给水等接触的环境）中分解或释放过快。因此，当用来实现肥料包膜的目的时，所述生物材料将从聚合物或其它添加剂（如硬脂酸、牛油脂肪胺、其盐类及各种蜡）的纳入中获益。众所周知，这类的聚合物和其它添加剂可使生物材料更稳固，其提高了生物材料的耐湿性以使生物材料更加疏水，并因此降低了生物材料与水接触时的分解和溶解率。这些添加剂可还用来赋予树脂更大的机械强度从而改善其在给定应用中的物理属性，如通过提高包膜的耐磨性。有用的聚合物添加剂的非限制性实例包括含有聚氯乙烯、苯乙烯、乙烯、丁二烯、醋酸乙烯、异戊二烯、顺丁烯二酸酐、丙烯酸酯和丙烯腈的单体的聚合物、共聚物和三元共聚物。如前所述，用于这些目的的其它添加剂可以包括硬脂酸、牛油脂肪胺、其盐类及各种蜡。

在这方面特别有用的聚合物包括称为EVA’s的乙烯和醋酸乙烯的共聚物，其获自包括DuPont、Arkema和Repsol在内的多家全球供应商。特别有效的EVA’s是醋酸乙烯含量高的那些，这由于其与更大范围的极性树脂的相容性以及其对无孔表面的优良的粘附性。添加的共聚物的熔体流动要求取决于被本发明的组合物涂覆的具体营养物。例如，低熔化温度肥料（如尿素）将需要使用能够在较低温度下流动所以需要高熔体流动指数的生物材料包膜组合物。相反地，较高熔点肥料（如硫酸铵）可以涂覆包含低熔体流动聚合物的生物材料包膜组合物，因为加工温度可以升高到涂覆颗粒所能接受的流动点。

正如本领域对当前肥料包膜的一般实行那样，本发明的生物材料包膜可以包括有用的相容剂，其用来在化学或物理上将生物材料包膜与其欲涂覆的特定肥料和/或添加到生物材料的附加添加剂相容。因此，所述相容剂可包括表面活性剂用来化学相容和/或允许生物材料与肥料或肥料上的包膜或施于生物材料包膜的其它添加剂互相作用。例如，如果蜡包含在生物材料包膜中，可能期望表面活性剂帮助生物材料与蜡混合，因为生物材料包含不易与蜡相容的极区（注意，蜡添加剂在下文提及）。有用的表面活性剂的非限制性实例包括具有一个或多个胺官能团的烃；具有一个或多个羧酸官能团的烃；具有一个或多个胺官能团的烃和具有一个或多个羧酸官能团的烃的混合；以及具有一个或多个磺酸基的烃。这类表面活性剂的非限制性实例包括动物脂和氢化牛油脂肪胺、牛油脂肪二胺、硬脂酸、油酸、松浆油脂肪酸和松香酸。

由于生物材料的主要烃含量，生物材料的物理和化学性质很容易能够与树脂烃类化合物改性。由于其在生物材料中的高水平可溶性以及与聚合物添加剂的相容性，具有功能极性基的树脂是优选的。有用的树脂添加剂的非限制性实例包括松浆油沥青、松香酯、烃类树脂。

由于生物材料可产自动物废弃物流，其可能含有固有的不良气味，这将妨碍或限制其在一些应用中的使用。因此需要添加气味改性剂以通过吸收、掩蔽或化学改性来减少或消除不良气味。有用的气味改性剂的非限制性实例包括活性炭、香草、甲醛、苯乙酮、水杨酸甲酯、D’柠檬烯和各种香水。

为了修饰生物材料在其多种应用中的粘度和流动性，有必要以溶剂或其它稀释剂的方式添加增量剂或粘度调节剂来扩展生物材料。这类粘度调节剂也可与其它添加剂一起或在其它添加剂之中用来增强所述生物材料的其它所需性质（如相容性）。增量剂和粘度调节剂的非限制实例包括动物脂、甘油、矿物油、植物油和烃蜡。特别有用的蜡和油是含有极性基（如醇、醚或酯基）的蜡和油。

由于生物材料本质上稍微具有热塑性，可能有必要增强其在某些应用中的耐流动性以及对变形力的承受能力。这类性质可通过使用磨细矿物及合成填充剂和或天然和合成纤维来加强。有用的填充剂的非限制的实例包括滑石粉、硅藻土碳酸钙、二氧化硅、纤维素、纤维素纤维和合成纤维。

根据本发明的生物材料包膜层可以是100%的生物材料，尤其当其主要用于灰尘控制时。在其它的实施方案中，生物材料包膜层可以包含1至99重量%的生物材料和99至1重量%的本文公开的各种添加剂。在其它的实施方案中，生物材料包膜层包含5至95重量%的生物材料和95至5重量%的本文公开的各种添加剂。在另外的实施方案中，生物材料包膜层包含10至90重量%的生物材料和90至10重量%的本文公开的各种添加剂。在另外的实施方案中，生物材料包膜层包含15至85重量%的生物材料和85至15重量%的本文公开的各种添加剂。在另外的实施方案中，生物材料包膜层包含20至80重量%的生物材料和80至20重量%的本文公开的各种添加剂。

如果使用聚合物添加剂，生物材料包膜层可以包含0.1至50重量%的添加剂聚合物。在其它的实施方案中，生物材料包膜层可以包含3至35重量%的添加剂聚合物；在另外的实施方案中，5至25重量%的添加剂聚合物；且在另外的实施方案中，10至25重量%的添加剂聚合物。

如果使用相容剂，生物材料包膜层可以包含0.1至25重量%的相容剂。在其它的实施方案中，生物材料包膜层可以包含1.0至20重量%的相容剂；且在另外的实施方案中，2至10重量%的相容剂。

如果使用树脂添加剂，生物材料包膜层可以包含0.25至50重量%的树脂。在其它的实施方案中，生物材料包膜层可以包含0.5至40重量%的树脂；且在另外的实施方案中，5至25重量%的树脂。

如果使用增量剂，生物材料包膜层可以包含0.1至50重量%的增量剂。在其它的实施方案中，生物材料包膜层可以包含0.5至40重量%的增量剂；且在另外的实施方案中，10至15重量%的增量剂。

如果使用气味改性剂，生物材料包膜层可以包含0.001至10重量%的改性剂。在其它的实施方案中，生物材料包膜层可以包含0.05至5重量%的气味改性剂；且在另外的实施方案中，0.01至1重量%的气味改性剂。

如果使用填充剂，生物材料包膜层可以包含0.1至50重量%的填充剂。在其它的实施方案中，生物材料包膜层可以包含0.5至25重量%的填充剂；且在另外的实施方案中，1至15重量%的填充剂。

根据本发明的实施方案，所述生物材料用作植物营养核心组分的包膜，所述包膜用来实现以下一种或多种或任意组合：（a）赋予肥料缓释或控释的性质，（b）阻止或降低肥料颗粒一起结块的倾向，或（c）阻止或降低肥料颗粒产生灰尘的倾向。在该实施方案中，生物材料直接施用于植物营养核心组分，由此产生2层肥料组合物10（如图1所示），其具有植物营养核心12和涂覆所述核心12的生物材料包膜层14。

植物营养核心组分可以选自实质上充当植物营养物的任何组分，不管是当前使用的肥料还是下文发明或开发的肥料或其它营养组分。在具体的实施方案中，所述植物营养核心组分选自尿素、硫酸铵、硝酸铵、硫硝酸铵、硝酸钙、硝酸铵钙、含磷化合物（如磷酸铵、磷酸一铵和磷酸二铵，以及三元过磷酸钙），以及钾化合物（如氯化钾和硫酸钾，其常称为钾肥）。前述组合还可以用于生产复合植物营养核心，且众所周知，其可以包含少量其它常见肥料元素（如铁、锰和镁）。植物营养核心组分以及大量可用作植物营养核心组分的特定化合物和组分为所属领域的普通技术人员所熟知。

在具体的如图1所示的那些2层实施方案中，肥料组合物10由50至99.9重量%的植物营养核心和50至0.1重量%的生物材料包膜层组成。在其它的2层实施方案中，肥料组合物10由90至99重量%的植物营养核心和10至1重量%的生物材料包膜层组成。在另外的2层实施方案中，肥料组合物10由92至97重量%的植物营养核心和8至3重量%的生物材料包膜层组成。

在图1的实施方案中，植物营养核心12如其在现有技术中普遍形成的方式形成，因为，再一次，其不是本发明关注的有关这些植物营养核心化合物（其一般可用）的生产的焦点。虽然本发明不限于特定的包膜工序，但可通过在涂层鼓或所述行业普遍使用的类似混合设备上，将生物材料喷、滴或流向植物营养核心颗粒的滚床上，将生物材料包膜层14覆盖在植物营养核心12上。所述生物材料还可以在核心粒子放在流化床上时，喷在植物营养核心上。

特别地，如前面所述，由于生物材料衍生自动物废弃物，其包含含有含氮和磷化合物的极性有机化合物、碳氢化合物和无机矿物，且出乎意料的是所述生物材料在用作肥料组合物的一部分时会释放营养物。事实上，当将本发明的组合物涂覆在惰性核心上，并将仅使用惰性核心的植物生长与使用涂有本发明的生物材料包膜层的惰性核心的生长相比较时，可以观察到植物生长改善。生物材料含有的营养物还可以随时间从生物材料包膜层中有效地释放出来。

在图2所示的其它实施方案中，生物材料可以用来添加到典型的肥料包膜层中，以产生多层肥料组合物16，所述组合物具有植物核心12、至少一个典型的肥料包膜层18和生物材料包膜层14。在该实施方案中，包含所述生物材料包膜层以实现以下一种或多种或任意组合：（a）赋予肥料缓释或控释的性质，（b）阻止或降低肥料颗粒一起结块的倾向，或（c）阻止或降低肥料颗粒产生灰尘的倾向，以及（d）使肥料第一包膜的耐磨性或空隙填充（即，填充存在的空隙）能力增强。

在再一个实施方案中，生物材料可以用作第一包膜层或层，并被由不同物质组成的第二包膜层以及甚至第三层等对产生所需最终结果必要的层覆盖。例如，图2中的实施方案的包膜层14和包膜层18可被转换和/或附加包膜层可以使用。

可如上文公开那样选择植物营养核心。肥料包膜可以选自不管是当前使用的还是后文发明或开发的几乎任何包膜。在具体实施方案中，肥料包膜层选自聚氨酯、环氧树脂、硫和聚氯乙烯（PVC）。所述肥料包膜层和多数可用作肥料包膜层的特定化合物和组分为所属领域的普通技术人员熟知。因此，本发明集中于所述生物材料的有益用途。

在如图2所示的那些具体的多层实施方案中，肥料组合物10由50至99.4重量%的植物营养核心、0.5至25重量%的肥料包膜层以及0.1至25重量%的生物材料包膜层制成。在其它多层实施方案中，肥料组合物10包含由75至97重量%的植物营养核心、2至15重量%的肥料包膜层以及1至10重量%的生物材料。在另一个实施方案中，肥料组合物10由85至95重量%的植物营养核心、3至10重量%的肥料包膜层以及2至5重量%的生物材料包膜层制成。

在图2的实施方案中，植物营养核心12按照其在现有技术中普遍形成的方式形成，且如现有技术常见的方式向其施用肥料包膜层18。可以通过在涂层鼓或所述行业普遍使用的类似混合设备上，将所述生物材料喷、滴或流向植物营养核心颗粒的滚床上，将生物材料包膜层14施于该肥料包膜层18。所述生物材料还可以在肥料涂覆的营养核心颗粒放在流化床上时，喷在肥料包膜层18上。或者，生物材料包膜层14可以用于植物营养核心12，且接着被肥料包膜层18涂覆，即图2的层14和18可以对换。

在本发明的实施方案中，肥料包膜层18是由至少一个含有不少于2个N=C=O基的聚异氰酸酯和含有不少于2个OH基的多元醇组成的聚氨酯包膜。在另外的实施方案中，所述聚异氰酸酯中的N=C=O官能团对所述多元醇中的OH官能团的比率约为1:1。在另一个实施方案中，聚异氰酸酯和/或多元醇在施于肥料之前与烃蜡混合。在一些实施方案中，将聚异氰酸酯和多元醇组分添加到具有植物营养核心的混合器皿中，并使其在高温下于涂层鼓中进行原位反应以涂覆植物营养核心。在再一个实施方案中，其使用进行刚刚所述的原位反应的聚氨酯包膜，所述植物营养核心是尿素，并且将包含尿素和聚氨酯试剂的混合器皿的温度维持在50和100℃之间。

在本发明的一个实施方案中，肥料包膜层18是包含至少两种组分的环氧树脂包膜，一种是双酚A的二缩水甘油醚，另一种是聚胺或聚酰胺或其衍生物。在再一个实施方案中，环氧树脂含有至少2个二缩水甘油醚基且聚胺含有至少2个N-H基。在又一个实施方案中，环氧树脂官能团对胺官能团的比率约为1:1。

根据再一个实施方案，将双酚A的二缩水甘油醚和聚胺或聚酰胺单独添加到含有植物营养核心的混合器皿中并使其在高温下进行原位反应。在原位包膜工序的又一个实施方案中，可以添加化学活性稀释剂或增量剂以在包膜过程中增强反应性和/或降低反应单体的粘度。在具体的非限制性实施方案中，化学活性改性剂是聚丙烯酸酯。在又一个实施方案中，将双酚A的二缩水甘油醚和聚胺或聚酰胺在添加到具有植物营养核心的混合器皿之前进行预先混合，并使其在高温下进行原位反应。在原位包膜工序的一些实施方案中，含有尿素和反应物的混合器皿的温度维持在50和100℃之间。

在2层肥料组合物10的一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是尿素，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在2层肥料组合物10的另一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是硫酸铵，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在2层肥料组合物10的再一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是硝酸铵，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在2层肥料组合物10的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是硫硝酸铵，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在2层肥料组合物10的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是硝酸钙或硝酸铵钙，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在2层肥料组合物10的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是包括磷酸一铵、磷酸二铵、三元过磷酸钙等的磷酸铵或其衍生物，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在2层肥料组合物10的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是包含氯化钾和硫酸钾的钾盐（常称为钾肥），且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在2层肥料组合物10的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心是含有不止一种营养组合物的复合肥料，所述复合肥料包含两种或多种选自氮、磷和钾的营养素，和/或微量元素（如铁、锰和镁），且如上文教导得到生物材料包膜层14。复合肥料还叫做NPK’s。

在多层肥料组合物16的一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心12是尿素，肥料包膜层18是聚氨酯，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在多层肥料组合物16的另一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心是尿素，肥料包膜层18是环氧树脂，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在多层肥料组合物16的再一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心是尿素，肥料包膜层18是硫，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在多层肥料组合物16的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养物是硫酸铵，肥料包膜层18是可被聚丙烯酸酯、聚氨酯或环氧树脂改性的PVC或增塑PVC，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在多层肥料组合物16的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养是尿素，肥料包膜层18是硫，接着是聚氨酯，且如上文教导得到生物材料包膜层14。

在多层肥料组合物16的又一个单独并不同的实施方案中，植物营养核心是包含含有氮、磷和钾，以及上文教导的在肥料调配物中普遍使用的微量元素（如铁、锰和镁）的两种或多种化合物的任意组合的复合肥料；随后是环氧树脂或聚氨酯的聚合物包膜，然后如上文教导得到生物材料包膜层14。

已发现，当与现有技术的不含生物材料包膜层的常见肥料组合物比较时，生物材料包膜层为本文教导的2层或多层肥料组合物提供许多有益性质中的任何一种。生物材料包膜层赋予肥料缓释或控释的性质，因为当将其在水（或雨）的情况下施于2层或多层肥料时，其具有良好的成膜特征且在水的存在不会快速分解-这种对水分解的抵抗性通过添加聚合物添加剂或蜡而提高以增强疏水性。生物材料包膜层还可以阻止或至少降低肥料颗粒结块的倾向性因为其包合了植物营养物-这种抗结块性通过添加相容剂（如硬脂酸）而提高，所述相容剂使生物材料包膜改性以得到摩擦性低稍微具有疏水性的包膜层。此外，生物材料包膜层阻止或至少降低肥料颗粒产生灰尘的倾向性，因为其提供了良好的完整薄膜，并且发现灰尘颗粒倾向于粘结在生物材料包膜上。还出乎意料的是生物材料包膜层在分解和/或溶解和降解时还为土壤提供其特有的控释营养物。

当2层或多层肥料组合物施用于土地以帮助植物生长时，生物材料包膜层也可充当肥料，为土壤提供养分从而植物生长。生物材料包膜层衍生于动物废弃物，所以包括多种可有效作为植物营养物的化合物。认为这些化合物包括含氮和磷的化合物、碳氢化合物和无机矿物。

实施例

实施例1

将包括排泄物（如猪粪便）和尿液以及脱落物（如毛发）的猪废弃物集中储存在猪限制区下的坑内，这类废弃物还包括用于清洗限制区的冲洗水。将该废弃物经历多个加工步骤，包括筛选、减小粒径、控制固体含量、纯化、热解、精滤和干燥以得到以上本文公开的生物材料。在压强维持在约1600psi和温度维持在约300℃的条件下，进行1.5小时热解。生成的过滤和干燥的生物材料的最终水分含量小于5%，粒径经筛析为+200目。基本上，生物材料主要包含碳和氢以及较少量的硫、氮和磷。

实施例2

在600mL隔热玻璃烧杯中，将180克来自实施例1的生物材料加热至温度为300华氏度。在100rpm下，用悬臂桨式混合机大力搅拌，同时相继添加25克氢化牛油脂肪胺和75克乙烯-醋酸乙烯（ethylene vinyl acetate）（Elvax 205W）。该组合物代表可以用作聚合物或硫包膜肥料的密封包膜的产物。

实施例3

在250mL玻璃烧杯中，将95克实施例1的生物材料加热至温度为250华氏度。用悬臂桨式混合机轻轻搅拌，同时向烧杯中添加5克氢化牛油脂肪胺并混合15分钟。该组合物代表可以用作粒状肥料的灰尘控制包膜剂的产物。

实施例4

在装入到600mL隔热圆底4颈玻璃反应烧瓶之前，先将220克实施例1的生物材料加热至温度为320华氏度。在其4个突出的瓶颈处，该烧瓶配备有（1）水冷却回流柱，（2）悬臂直驱混合机和（3）固体饲料添加料斗以及（4）温度计。在固体饲料料斗中首先填充25克氢化牛油脂肪胺，然后填充105克熔体流动指数为800且醋酸乙烯含量为28的呈珠状的乙烯-醋酸乙烯共聚物（Elvax 205W）。在温和搅动下向生物衍生树脂快速添加HTA得到粘度较低的组合物。接下来，向反应器皿逐步添加EVA直到EVA全部溶解并分散到生物衍生树脂中。随着EVA添加并随后分散，树脂变得更加浓稠，因此需要加大混合速度以充分分解聚合物。持续搅拌，直到组合物显示完全同质化，这需要1小时左右的时间。该组合物代表粒状肥料的缓释包膜。

实施例5

在直径为18英寸宽为5英寸，其上内周长每隔20度配备有2英寸长的刮料板的旋转不锈钢鼓上，将500克粒状尿素加热至150华氏度。在温度介于275和300华氏度之间下，使用加压存贮槽和热空气雾化喷嘴向降帘尿素喷涂液态元素硫。持续介于每分钟45和60之间的喷涂率，直到尿素已均匀地涂有13%的硫。所得的产物是硫包膜尿素。

实施例6

在直径为18英寸宽为5英寸，其上配备有聚碳酸酯犁和连接在聚碳酸酯衬垫的反犁型混合刮板的旋转不锈钢鼓上，将500克粒状尿素加热至150华氏度。将分别源于Reichold Chemical和Henkel Chemical的“双酚A”的二缩水甘油醚环氧树脂（Epotuf37-139）和8克聚酰胺固化剂（Versamid 140）小心称重并接着完全混合于50mL玻璃烧杯中。在涂层鼓缓缓转动或速度为每分钟约8转数时，将5克预聚物混合物均匀添加到尿素混合床，其处逐渐分散并在尿素颗粒上固化形成坚硬的连续膜。该过程重复两次，由此在尿素上形成双层环氧树脂包膜。

实施例7

将250克来自实施例5的硫包膜尿素（SCU）预热到200华氏度，并放在直径12英寸宽4英寸，其上配备有4套混合犁和反犁的预热的不锈钢鼓上。在以每分钟12转数转动鼓时，将6克来自实施例1的包膜剂加热至300华氏度并缓缓流过SCU的混合床。持续混合并加热（210F）直到密封包膜完全且均匀地分散在SCU的表面区域，从而形成封装包膜。停止加热且在将SCU产物移至冷空气振动室后将产物冷却。所得产物是具有包含可再生资源密封包膜的耐磨性营养物的控释硫包膜尿素。

实施例8

将250克来自实施例6的环氧树脂包膜尿素（ECU）预热到210华氏度，并放在直径12英寸宽4英寸，其上配备有4套混合犁和反犁的预热的不锈钢鼓上。在以每分钟12转数转动鼓时，将4.5克来自实施例2的包膜剂加热至300华氏度并缓缓流过ECU的混合床。持续混合并加热（210F）直到密封包膜完全且均匀地分散在ECU的表面区域，从而形成封装包膜。停止加热且在将ECU产物移至冷空气振动室后将产物冷却。所得产物是控释环氧树脂包膜尿素肥料，其具有包含可再生资源密封包膜的耐磨性营养物。

实施例9

在直径为18英寸宽为5英寸，其上内周长每隔20度配备有2英寸长的刮料板的旋转不锈钢鼓上，将460克粒状尿素加热至120华氏度。鼓位于通风橱的范围之内。向降帘尿素喷涂40克实施例4的组合物，所述组合物通过使用装有热空气雾化喷嘴的热压壶预热至350华氏度。所有的喷涂设备使用PID控制器控制温度，并巧妙地位于热电偶以及内部和外部加热器结合处。实施例3的组合物以每分钟5到10克的速率喷涂，从而在粒状尿素上形成约8%的封装包膜。所得的产物是含可再生资源的营养物、缓释肥料。

Claims (18)

1.一种肥料组合物，其包含：

含有至少一种水溶性植物营养物的植物营养核心；以及

包含衍生于动物废弃物的生物材料的生物材料包膜层。

2.根据权利要求1所述的肥料组合物，其中，所述生物材料通过使动物废弃物进行热解反应来产生。

3.根据权利要求2所述的肥料组合物，其中，所述生物材料通过在缺氧情况下，用时不少于5分钟，将所述动物废弃物置于压强为100至12,400KPa以及温度为100至500℃的条件下来产生。

4.根据权利要求1所述的肥料组合物，其中，所述动物废弃物源于粪便。

5.根据权利要求4所述的肥料组合物，其中，所述粪便源于猪粪、牛粪、马粪、羔羊粪、山羊粪、鸡粪和人粪便的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的肥料组合物，其包含0.01至25重量%的所述生物材料包膜层。

7.根据权利要求6所述的肥料组合物，其包含1至10重量%的所述生物材料包膜层。

8.根据权利要求1所述的肥料组合物，其中，所述生物材料包膜层包含聚合物、相容剂、树脂、增量剂、改性剂和填充剂的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的肥料组合物，其中，所述生物材料包膜层包含1至99重量%的所述生物材料和99至1重量%的所述聚合物、相容剂、树脂、增量剂、改性剂和填充剂。

10.根据权利要求8所述的肥料组合物，其中，所述聚合物包含以下选自聚氯乙烯、聚（乙烯-醋酸乙烯）（polyvinyl vinyl acetate）、聚乙烯醇、乙烯和醋酸乙烯共聚物、苯乙烯和丁二烯共聚物、苯乙烯和异戊二烯共聚物、乙烯、醋酸乙烯和丙烯酸三元共聚物的聚合物、共聚物和三元共聚物的至少一种。

11.根据权利要求8所述的肥料，其中，所述相容剂选自含有至少一个胺官能团的烃链，以及含有至少一个羧酸官能团的烃链。

12.根据权利要求1所述的肥料组合物，其中，所述核心植物营养物选自尿素、硫酸铵、硝酸铵、硫硝酸铵、硝酸钙、硝酸铵钙、磷酸铵、磷酸一铵和磷酸二铵、三元过磷酸钙，以及钾化合物和其混合。

13.根据权利要求1所述的肥料组合物，其还包含肥料包膜层。

14.根据权利要求11所述的肥料组合物，其中，所述肥料包膜层位于所述生物材料包膜层和所述植物营养核心组分之间。

15.根据权利要求12所述的肥料组合物，其中、所述肥料包膜层选自聚氨酯、环氧树脂、聚丙烯酸酯、聚偏二氯乙烯、硫、聚氯乙烯（PVC）和其混合。

16.根据权利要求12所述的组合物，其包含0.5至25重量%的所述肥料包膜层。

17.根据权利要求14所述的肥料组合物，其中，所述肥料包膜层是硫包膜。

18.根据权利要求14所述的肥料组合物，其中，所述肥料包膜层是聚氨酯包膜。

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