CN103044139B - 活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化技术。辐照化学改性的凹凸棒土分散性增强，且在絮凝剂作用下可以在寡水环境中自组装形成多层微纳尺度的网络结构，同时利用高吸附性的生物碳将氮肥吸附连同未被吸附的氮肥一起嵌入该网络结构内部，将氮肥养分有效储存于网络结构中，限制其自由迁移，实现对其环境流失的控制。该技术可以有效减少氮素迁移和流失，提高化肥的利用率，减少氮素流失对环境污染。该技术可以做到肥料减量减排、提高氮肥利用率、减少化肥施用量、环境友好、成本低廉、工艺简单，对控制水体富营养化面源污染、保护生态环境有重要意义。
Description
技术领域
本方法涉及一种新型氮肥长效固定化的方法，具体涉及一种活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化技术。
背景技术
我国是化肥生产和消费大国。目前，我国的化肥利用率很低，氮、磷、钾肥分别为25％至30％、10％至25％、35％至50％。目前我国每公顷化肥使用量达240公斤，单位面积施肥量是世界平均量的1.6倍。我国化肥利用率大大低于发达国家水平，且化肥的使用效率呈下降的趋势。全国每年因施肥造成氮流失达1650万吨，经济损失近千亿元，重要的是带来从空中到地下的严重的环境立体污染。对大气，化肥对大气的污染主要表现在施用化肥、化肥生产或贮运时排放的氨气、温室气体等造成的直接污染。对土壤，土壤中的化肥在水的沥滤作用下发生迁移从而流入江河、湖泊或进入地下水，构成水体富营养化的主要面污染源。对农产品，化肥最令人担忧的是硝酸盐的积累问题。生长在施用化肥土壤上的植物，可以通过根系吸收土壤中的硝酸盐。若过度施肥，会导致大量的硝酸盐积累于叶、茎和根中，危害取食的人类和牲畜。对土壤，化肥对土壤的污染，一方面大量施肥易引起土壤板结；另一方面大量施肥可能造成土壤中敏感生物种的减少和消灭，破坏农田生态平衡，影响生物多样性。
一般来说，农作物对应分的吸收速度，在一个生长期中，大体呈 S形，即开始较慢，随后大大加快，以后又逐渐变慢。如果某种肥料能够按作物的这种需肥规律供给养分，释放出的养分很快被作物吸收，那么肥料养分损失就会大大降低，利用率就会大大提高，这就是缓释/控释肥料的最终目标。自从1942年脲醛肥料取得专利以来，78年来，缓释肥料已有长足进步，近几年又发展到控释肥而且有一部分已经在农业生产中实际应用。特别是70年代以后，国外进行了大量研究，现在市场上以商业产品销售的缓释/控释肥料已达数十种。
缓释、控释、复合高效和环境友好是肥料发展的总趋势，研制并应用全营养控释肥料是肥料科学的最终目标之一。美国、日本及西欧各国，正致力于应用现代技术，促进生产、研究（平衡施肥）和使用的结合，发展高浓度优质专用复合肥（发达国家占肥料品种的80% ，中国不到10%）和缓释、控释肥料。
20世纪60年代末，中国科学院南京土壤研究所在我国最早开始缓释氮肥的研究。先后研制成功了碳酸氢铵粒肥以及以我国大量生产的钙镁磷肥为主要包膜材料的缓释碳铵和缓释尿素。此后，上海化工研究院、湖南、福建、山东、浙江等省农科院、沈阳应用生态研究所、西北水保所、广州氮肥厂和郑州工业大学等开展了这方面的研究。近期，北京农林科学院和华南农业大学在包膜肥料方面进行了新的尝试，已经开始中试。2004年中科院南京土壤研究所利用聚丙烯酰胺及壳聚糖包裹尿素制成的一种新型缓释肥。我国缓释肥料的价格一般高于普通肥料10-15%。
现阶段, 我国控释肥的研究水平、生产及应用规模与美、日等国差距较大。多聚物包膜/脲酶抑制剂和硝化抑制剂组合，无论从农学还是环境观点看，都不失为调节尿素N转化的有效的生物化学途径。但是，缓释肥制作工艺复杂或生产成本太高限制其大面积推广。因此，有必要发展一种新型、高效、低成本、工艺简单、环境友好的化肥养分固定技术，弥补传统缓释肥料的不足，做到易为用户接受，可大面积推广，从而有利于缓解化肥流失对环境的污染。
发明内容
本发明的目的是提供一种活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化技术。该技术可以有效减少氮素迁移和流失，提高化肥的利用率，减少氮素流失对环境污染。具体原理为：辐照化学改性的凹凸棒土分散性增强，且在絮凝剂作用下可以在寡水环境中自组装形成多层微纳尺度的网络结构，同时利用高吸附性的生物碳将氮肥吸附连同未被吸附的氮肥一起嵌入该网络结构内部，将氮肥养分有效储存于网络结构中，限制其自由迁移，实现对其环境流失的控制。
本发明采用的技术方案如下：
活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化技术，包括以下步骤：
（1）将100-800目胶体级凹凸棒土与氢氧化镁按照90-95:10-5质量比混合均匀，然后利用能量为1-5MeV和剂量为5-50kGy的伽马射线辐照5-30 分钟，实现凹凸棒土棒晶解离，以提高其比表面积，得到改性凹凸棒土；
（2）然后将步骤（1）中得到的改性凹凸棒土与丙烯酸按照95-99:5-1质量比混合均匀，然后利用波长为354 nm的紫外射线辐照10-30分钟，混合物离光源5-10 cm，使凹凸棒土与丙烯酸接枝，同时使丙烯酸聚合，形成凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物；
（3）将凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物与100-500目秸秆灰按照60-80:40-20质量比混合均匀，然后用105-110℃的水热处理10-20 分钟，一方面增加凹凸棒土分散性，另一方面使秸秆灰中生物碳纳米颗粒进入凹凸棒土-聚丙烯酸网络，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物；
（4）将凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物与聚丙烯酰胺、壳聚糖以及三聚磷酸钠按照90-95:1-2:1-8:1-2 质量比混合均匀，然后以10000-12000 rpm高速剪切1-5 分钟，即得氮肥固定化助剂；
（5）将氮肥固定化助剂按照2-15%质量分数添加到氮肥中，造粒即得本发明固定化氮肥。
所述的氮肥为氯化铵、尿素或碳酸氢铵，其粒度为100-150目。
本发明有益效果：
1、该技术可以有效将氮肥固定在耕作层（1-50 cm），减少其在土壤中向下迁移速率和量，提高氮素利用率，减少施肥量和次数；
2、秸秆灰的资源化利用，不仅实现了秸秆还田，而且达到了固碳的目的，对温室气体的减排具有潜在意义；
3、该肥料助剂原料环境友好，而且对土壤具有改良作用。
具体实施方式
实施例1
活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化技术，包括以下步骤：
（1）将300目胶体级凹凸棒土与氢氧化镁按照95:5质量比混合均匀，然后利用能量为5MeV和剂量为20kGy的伽马射线辐照30 分钟，得到改性凹凸棒土；
（2）将改性凹凸棒土与丙烯酸按照97:3质量比混合均匀，然后利用波长为354 nm紫外射线辐照30 分钟，混合物离光源5cm，形成凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物；
（3）将凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物与300目秸秆灰按照70:30质量比混合均匀，然后用110℃的水热处理10分钟，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物；
（4）将凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物与聚丙烯酰胺、壳聚糖以及三聚磷酸钠按照95:1:3:1 质量比混合均匀，然后以12000rpm高速剪切1分钟，即得氮肥固定化助剂；
（5）将氮肥固定化助剂按照10%质量分数添加到尿素粉（150-200目）中，挤压造粒即得固定化尿素。
实施例2
（1）将200目胶体级凹凸棒土与氢氧化镁按照90:10质量比混合均匀，然后利用能量为5MeV和剂量为50kGy的伽马射线辐照30 分钟，得到改性凹凸棒土；
（2）将改性凹凸棒土与丙烯酸按照95:5质量比混合均匀，然后利用波长为354 nm的紫外射线辐照20 分钟，混合物离光源5cm，形成凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物；
（3）将凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物与200目秸秆灰按照60:40质量比混合均匀，然后用110℃的水热处理15分钟，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物；
（4）将凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物与聚丙烯酰胺、壳聚糖以及三聚磷酸钠按照95:1:3:1 质量比混合均匀，然后以12000 rpm高速剪切2分钟，即得氮肥固定化助剂；
（5）将氮肥固定化助剂按照8%质量分数添加到氯化铵粉（150-200目）中，挤压造粒即得本发明固定化氯化铵。
实施例3
（1）将200目胶体级凹凸棒土与氢氧化镁按照93:7质量比混合均匀，然后利用能量为5MeV和剂量为30kGy的伽马射线辐照20 分钟，得到改性凹凸棒土；
（2）将改性凹凸棒土与丙烯酸按照97:3质量比混合均匀，然后利用波长为354 nm的紫外射线辐照15 分钟，混合物离光源5cm，形成凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物；
（3）将凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物与200目秸秆灰按照70:30质量比混合均匀，然后用110℃的水热处理20分钟，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物；
（4）将凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物与聚丙烯酰胺、壳聚糖以及三聚磷酸钠按照95:1:2:2 质量比混合均匀，然后以12000 rpm高速剪切1分钟，即得氮肥固定化助剂；
（5）将氮肥固定化助剂按照15%质量分数添加到碳酸氢铵粉（150-200目）中，混匀即得本发明固定化碳酸氢铵。
Claims (2)
1.活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化方法，其特征在于包括以下步骤：
（1）将100-800目胶体级凹凸棒土与氢氧化镁按照90-95:10-5质量比混合均匀，然后利用能量为1-5MeV和剂量为5-50kGy的伽马射线辐照5-30 分钟，实现凹凸棒土棒晶解离，以提高其比表面积，得到改性凹凸棒土；
（2）然后将步骤（1）中得到的改性凹凸棒土与丙烯酸按照95-99:5-1质量比混合均匀，然后利用波长为354 nm的紫外射线辐照10-30分钟，混合物离光源5-10 cm，使凹凸棒土与丙烯酸接枝，同时使丙烯酸聚合，形成凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物；
（3）将凹凸棒土-聚丙烯酸网络化复合物与100-500目秸秆灰按照60-80:40-20质量比混合均匀，然后用105-110℃的水热处理10-20 分钟，一方面增加凹凸棒土分散性，另一方面使秸秆灰中生物碳纳米颗粒进入凹凸棒土-聚丙烯酸网络，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物；
（4）将凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元复合物与聚丙烯酰胺、壳聚糖以及三聚磷酸钠按照90-95:1-2:1-8:1-2 质量比混合均匀，然后以10000-12000 rpm高速剪切1-5 分钟，即得氮肥固定化助剂；
（5）将氮肥固定化助剂按照2-15%质量分数添加到氮肥中，造粒即得固定化氮肥。
2.根据权利要求1所述的活性土和絮凝剂、吸附剂复合材料氮肥固定化方法，其特征在于，所述的氮肥为氯化铵、尿素或碳酸氢铵，其粒度为100-150目。
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