CN103664368A - 一种硅化合物包裹的缓释肥料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种天然硅化合物包裹的缓释肥料。该缓释肥料是以天然硅化合物作为包裹材料，采用圆盘造粒和流化床的方法，通过粘结剂粘结到核心肥料颗粒的表面，最后将融化的蜡喷涂在外表面进行封闭而制得。由于麦饭石、天然沙子、硅砂等硅化合物有植物必须的硅元素，且密度高，强度好，包裹在肥料面后形成致密的包膜层，并使用强疏水的蜡层进行封闭后，大大增强了肥料的缓释性能。肥料在施用后，养分逐渐释放后，天然蜡可完全降解，而硅化合物也可释放养分硅，供植物之需，克服了常规的树脂包膜肥料的二次污染问题。因此该缓释肥料具有缓释性能好，硬度高，耐磨性好，成本低且环保的诸多优点，可广泛应用于农作物、蔬菜瓜果、花卉草坪等各种植物。

Description

一种硅化合物包裹的缓释肥料及其制备方法

技术领域

本发明属于包膜缓释肥料的技术领域，特别涉及一种采用天然硅化合物包裹的缓释肥料及其制备方法。

背景技术

肥料是农业生产重要的生产资料之一，在农业领域有举足轻重的地位。我国是肥料生产和消费大国。据国家统计局统计，我国2010量化肥消费总量为6619.8万吨，化肥生产和消耗位居世界第一。但我国肥料使用效率与发达国家相比存在很大的差距。在化肥的使用中存在着以下问题。

（1）肥料利用率低，污染很严重

我国耕地占世界的7%，却用了世界近30%的化肥，平均亩施化肥量是世界平均值的3倍多。20世纪80年代以来，化肥使用量不断增加，然而肥料利用率却呈现不断下降的趋势。肥料的利用率比发达国家60%以上的利用率低约30个百分点，其中氮30%～35%，磷10%～20%，钾35%～50%。

（2）化肥浪费严重，经济损失巨大

化肥工业是高耗能工业，也是消耗资源并产生环境污染的工业。我国目前每年施用的氮肥量约为2000万吨，肥料的累计利用率为45%～60%，氮肥的损失平均高达45%，相当于损失氮肥900万吨。按此计算，因氮肥利用率低造成的直接经济损失折合人民币达239.4亿元。每年因肥料利用率低造成的直接经济损失更高达500亿元。

（3）肥料品种单一，以无机肥料为主。

在我国肥料结构中，无机肥料和无机复合肥料约占95％以上，有机肥和有机复合肥约占2～3％，缓释肥料不足2%，而液体肥料比例更低。单纯大量使用化肥的弊端是造成土壤有机质下降，土壤板结，地力下降，土地的长期使用生产效率降低，而且会引起作物品质下降，病虫害增多。

因此单依靠增加化肥的使用量，不仅造成肥料养分的大量流失、土壤板结、生态环境等问题，难以实现产量的目标，而且不利于可持续农业的发展，不符合节能减排发展低碳经济的要求。要使我国农业走可持续发展的道路，就必须提倡大量施用缓释肥料等，这是肥料行业发展的重要方向。

缓释肥料能够保证农作物在整个生长期过程中都能吸收到丰富的营养，有利于农作物的正常生长，既可以提高肥料的利用率，增加产量，提高品质，减少农业面源污染，还能减少施肥次数，减轻劳动强度。所以，大力发展可提高肥料利用率、减轻环境污染的缓释肥料也是必然趋势。

国际肥料工业协会对缓释肥料的定义是指在施肥后养分能够缓慢释放，并被作物吸收利用的肥料，比速效肥有更长肥效的肥料。

缓释肥料种类繁多，根据不同的分类角度，分类有所差异。从养分控释途径将其划分为3种，包括物理阻碍型、化学合成微溶型和生化抑制型。物理阻碍型缓释肥料，主要指包膜肥料和胶粘型肥料，主要通过物理的阻碍来控释分释放。包膜肥料是近年来发展迅速的缓释肥料，占缓释肥料的95%以上。

包膜肥料（或包裹肥料）是以颗粒性肥料为核心，表层涂覆一层或多层低水溶性或微溶性的无机物质或有机聚合物等。包膜材料分为无机和有机材料两种。无机材料包括硫磺、钙镁磷肥、硅藻土\金属磷酸盐等。有机材料包括天然高分子、合成高分子以及半合成高分子材料。

美国是包膜控释肥料研制的发源地，以包硫尿素(SCU)为主。仅用硫包裹肥料，缓释效果不是很好。通过在其表面包覆一层烯烃聚合物得到的改进包硫尿素，产品名为Polys，这种产品售价比聚合物包膜肥料便宜，在美国市场上被广泛使用。1964年美国公司采用二聚环戊二烯和丙三醇共聚开发出高分子聚合物包膜控释肥料商品名为Osmocote，首先在世界上实现聚合物包膜肥料的工业化生产。此后，德国、加拿大、日本等国相继开始生产以不同聚合物包膜的肥料。

日本窒素-旭化成肥料公司（Chissoasahi Fertilizer Co.,Ltd.）在1976年首次发明出了一种热塑性树脂包膜缓释肥料，并在1982年开始批量生产，采用的包膜材料以聚烯烃为主体，简称POCF工艺。目前该公司用聚烯烃包膜的尿素、KCl和硫酸钾的商品名为Meister，聚烯烃包膜的NP、NK和NPK的商品名为Nutricote，是亚洲园艺市场的主导品牌。

以色列海法化学工业公司（Haifa Chemical,Ltd.）的Multicote产品是世界控释肥料市场的主要品牌，在美国、西欧和日本均有销售。它的生产工艺是将粒状肥料在转盘上加热，同时用脂肪酸和金属氢氧化物处理，两者反应生成脂肪酸金属盐的包膜，然后再外加石蜡涂层，最终形成包膜NPK肥。

沈阳农业大学韩晓日等人在缓释肥开发研究了以聚乙烯醇（PVA）和淀粉为主要成分的合成包膜剂，包膜剂与氮肥增效剂、缓释剂、保水剂及土壤改良剂等混合包膜工艺。山东农业大学研制成功了热塑性树脂、滑石粉和玉米粉为原料的包膜肥料。北京农林科学院植物营养与资源研究所研制成功两项具有独立知识产权的研究成果“沸石包衣尿素”及可控缓控释树脂包衣尿素生产设备，并研制出适合不同作物需要的系列缓释肥料。

中科院过程工程所肖传绪等提出一种用可降解的天然有机物包裹的缓释肥料。他们用木质素包膜制得包膜尿素，与非包膜尿素相比对养分释放速度有明显的降低，而且养分释放后木质素在土壤中可完全降解，可转化为腐殖质有利于增加有机物，改良土壤。（肖传绪，莫海涛，张小勇.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，专利号：200610079035.4。）

在肥料领域，硅肥是另外一个重点发展的肥料品种。硅是植物重要的营养元素，植物体内的重要组成部分。大部分植物体内含有硅。检测表明，生产1000公斤稻谷，水稻地上部分二氧化硅的吸收量达150公斤，超过水稻吸收氮磷钾的总和。在水稻、小麦、大麦、大豆等作物灰分中，硅氧化物占14.2%～61.4%。硅肥被国际土壤界列为继氮、磷、钾之后的第四大元素肥料。

硅肥对植物的生长有非常重要的作用：1）硅肥有利于提高作物的光合作用和叶绿素含量，使茎叶挺直，促进有机物积累；2）硅肥能增加作物茎杆的机械强度，提高抗倒伏能力85%以上，并能提高作物对病虫害的抵抗力，可预防根系腐烂和早衰。3）硅肥能有效调节叶片气孔开闭和抑制水分蒸腾，增强作物的抗旱、抗干热风、抗寒及抗低温等抗逆能力；4）硅肥能减少磷肥在土壤中的固定，活化土壤中的磷和促进根系对磷的吸收，提高磷肥的利用率。被称为“植物调节性肥料”；5）硅肥能活化有益微生物，改良土壤，可明显改善农产品品质。

研究表明，随着施肥水平的提高，大量化肥的施入必须要有硅肥的配合，“氮磷钾加硅”科学平衡施肥，才能达到优质高产的效果。而我国缺硅土壤占总耕地面积的50～80%以上，以水稻为例，我国常年种植水稻的面积达3333多万公顷，缺硅土壤占50%以上。如果全部施用硅肥，按增产10%计，仅此一项每年应可增产100万吨稻谷，推广硅肥的生产与应用具有非常明显的社会和经济效益。2004年6月1日，农业部颁布了硅肥行业标准NY/T797-2004，推进了硅肥的生产和使用。

目前，硅肥的品种主要有枸溶性硅肥和水溶性硅肥两大类，枸溶性硅肥是指不溶于水而溶于酸后可以被植物吸收的硅肥，包括各种硅酸盐等硅化合物等。水溶性硅肥是指溶于水可以被植物直接吸收的硅肥。

天然的硅砂和沙子的主要成分都是SiO₂。硅砂的SiO₂的纯度甚至能达98以上。而沙子在沙漠地区则是非常丰富的硅资源的来源。

麦饭石是一种对生物无毒、无害并具有一定生物活性的复合矿物或药用岩石。麦饭石的主要化学成分是无机的硅铝酸盐，包括SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、K₂O、P₂O₅等，还含有K、Na、Ca、Mg、Cu、Mo等微量元素和稀土元素。

麦饭石不但有丰富的Si、K、P等植物必须的大量元素，还有许多活性高的微量元素，可加快农作物的生长，提高作物的质量，增加产量，降低和吸收残佘农药，确保农作物可发安全食用。同时麦饭石在改良土壤方面具有良好的应用。它能够稳定和提高、平衡土壤的物理机能，所以它比其它土壤改良剂更有优势。使用麦饭石可以减少化肥、土壤改良剂的使用，并可经济、有效地改善土质，保护环境。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术使用树脂包膜肥料时价格昂贵、包膜材料难降解、施用后造成二次污染的缺陷，同时也克服硫和木质素包膜肥料缓释性能不理想、抗机械能力差的弱点，从而提供一种使用天然硅化合物作为包裹材料，天然蜡作为封闭剂的成本低且环保的包裹缓释肥料，及其制备方法。

目前最常见的包裹型缓释肥料都是采用有机树脂作为包膜材料。虽然包裹性能好，缓释期长，但由于包膜材料成本高、工艺复杂、需回收有机溶剂等问题使树脂包膜肥料价格高居不下，限制了它的应用。而且它还有一个致命弱点就是树脂材料不可降解，大量使用后的残留物对土壤有一定的破坏作用，会对环境造成二次污染。

为克服上述缺点，发明人肖传绪等发明了以可降解的木质素作为包裹材料的缓释肥料。该缓释肥料使用极其廉价而且可降解的有机物木质素作为包裹材料，用植物油进行封闭，在肥料的养分在土壤中缓慢释放的同时木质素可降解为腐植酸，具有良好的环保性。但木质素缓释肥料的缓释性能不够理想，主要原因有两个，一方面木质素较轻，致密度不好，包裹层易被磨损，使核心颗粒不能被完全包裹住；另一个方面，植物油虽然能封闭木质素，但在温度较高时流动性好，不能完全封闭包裹层。这两个原因从而导致肥料的缓释期短。

因此研发缓释性能好，且对环境友好的缓释肥料势在必行。而本发明将从这两个方面进行改进，进一步提高缓释肥料的缓释性能和抗机械能力。

我们首先选择含硅的天然化合物作为包裹材料。目前我国肥料领域对硅肥需求非常大，如果用天然的硅化合物对核心肥料进行包裹，不但可以提高肥料的缓释性能，同时在养分释放后，还能通过酸解逐渐给土壤增加硅元素。而且天然硅化合物对环境不会造成任何污染。

我们选用的天然的硅化合物，如麦饭石、天然沙子、硅砂等均有适宜的物化性质作为肥料的良好包裹材料。木质素的平均比重约在0.4～0.6g/cm³左右。硅砂的比重是2.3g/cm³，硬度为7；麦饭石的比重是2.60～2.66g/cm³，硬度为5～6；而天然沙子颗粒的比重是2.0g/cm³。它们的成分主要为二氧化硅，通常为石英的形式，其化学性质稳定和质地坚硬。天然的硅化合物来源广泛，成本低廉，且硅材料具有强度高，耐磨性能好，是良好的包裹骨架材料。

其次选择天然来源的植物蜡或动物蜡作为封闭层。蜡材料具有熔点高、在常温下呈固态、可降解等特点，比植物油具有更明显的封闭优势。以最常见的植物蜡——巴西棕榈蜡为例，其熔点为80～85℃。

本发明的目的是通过如下的技术方案实现的：

本发明提供一种环保型天然硅化合物包裹的缓释肥料，包括以复合肥料和单质颗粒肥料为核心，包裹在核心肥料外面的主要成分为天然硅化合物的膜层，和包裹在最外层的作为封闭剂的天然蜡层。

所述的核心肥料主要成分为复合肥料颗粒（三元复合肥料颗粒）和单质肥料颗粒（如尿素和硫酸钾）。

所述的主要成分为天然硅化合物包括麦饭石、天然沙子、硅砂等，其粒度为90目以下，天然硅化合物膜层的重量占缓释肥料的总重量的5～15wt％。

所述的蜡包括植物蜡（棕榈蜡和松蜡等）和动物蜡（虫蜡和蜂蜡等），蜡层的重量占缓释肥料的总重量的1～3wt％。

本发明提供的环保型天然硅化合物包裹缓释肥料的制备方法，包括如下的步骤：

1）将天然硅化合物采用球磨机或者雷蒙磨进行粉碎，用筛子筛分得到90目以下的粉末材料作为包裹材料。

2）造粒步骤可分为圆盘造粒和流化床造粒两种工艺。

在圆盘造粒机中加入核心肥料颗粒，转动圆盘使颗粒均匀滚动，边喷入雾状的粘结剂溶液，边撒入粉末包裹材料，将包裹材料均匀粘结到核心肥料颗粒的表面，完成造粒后采用热风机进行干燥，直至肥料的含水量为1～5wt％。

在流化床中加入核心肥料并使颗粒在床层中处于稳定流化状态，边喷入雾状的粘结剂溶液，边加入粉末包裹材料，将包裹材料粘结到核心肥料颗粒的表面。流化气流为热空气，粘结剂和硅化合物包裹在颗粒表面并很快干燥。如此喷涂、包裹造粒和干燥在一个流化床中全部完成。

所述的粘结剂为质量浓度为0.1～0.5wt％的聚丙烯酸水溶液。

3）将蜡在高温下进行融化后，采用高压喷枪在3～4kg/cm³的压力下，以雾状喷涂到在造粒机或流化床中滚动的肥料颗粒表面，直至颗粒表面完全被蜡层封闭。冷却后即得到天然硅化合物包裹缓释肥料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的天然硅化合物包裹的缓释肥料，主要包膜材料是硅化合物和动植物蜡，均为天然产物。肥料在施用后，养分逐渐释放后，天然蜡可完全降解，而硅化合物也可缓慢释放养分硅，供植物之需，克服了通用的树脂包膜肥料在使用中由包膜材料引起的二次污染问题。

2、该缓释肥料的主要包膜材料为天然硅化合物，密度高，强度好，包裹在肥料颗粒表面后形成良好的致密包膜层，肥料的硬度高，耐磨性好，有效加强了包膜肥料的缓释性能。

3、该缓释肥料采用高熔点的并具有强疏水的固体蜡作为肥料颗粒的封闭层。制备过程中，蜡先融化后呈液态将颗粒完全封闭，再冷却后呈固体，具有较好的耐磨性能，在较高的环境温度也保持良好的外形，大大增强了肥料的缓释性能。

4、硅化合物包裹型缓释肥料使用的硅化合物均为天然材料，例如天然沙子，具有来源广泛，成本低廉的特点，尤其在一些沙资源丰富的地区，可以变废为宝。

5、本发明的制备方法有两种，可根据实际情况选择工艺流程，可有效降低生产成本。圆盘造粒法设备简单，操作简便，但是间歇式操作。而流化床法可在一个设备内实现多个工序，效率高，但运行能耗较高。

由于制备硅化合物包裹的缓释肥料的包裹材料均采用天然来源的材料如硅材料和蜡等，克服树脂材料造成的二次污染的环境问题。因此该缓释肥料具有缓释性能好，硬度高，耐磨性好，成本低且环保的诸多优点，可广泛应用于农作物、蔬菜瓜果、花卉、草坪等各种植物，满足其生长。

具体实施方式

实施例1

首先将麦饭石用球磨机进行粉碎，筛分后得到粒度为100目以下的麦饭石，并配制质量浓度为0.2wt％的聚丙烯酸水溶液。在圆盘造粒机中加入200公斤的45%的复合肥料颗粒，开始转动圆盘，通过高压喷嘴将聚丙烯酸溶液以雾状的形式均匀喷涂到复合肥颗粒表面。同时撒入粉末麦饭石粘附到颗粒外层。这样不断喷涂粘结剂麦饭石一层层包裹在颗粒外层，直到16公斤麦饭石（核心肥料的8wt％）全部包裹在颗粒上。然后用热风机对包裹后的颗粒进行干燥，直至肥料的含水量为3.5wt％。

最后将棕榈蜡加热至85℃完全融化后，通过高压喷枪在3.5kg/cm³的压力下，以雾状喷涂到肥料颗粒表面，直至颗粒表面完全被蜡层封闭。棕榈蜡的包裹量为3公斤（核心肥料的1.5wt％）。冷却后即得到麦饭石包裹缓释肥料。该缓释肥料的缓释期达4个月，可应用于玉米的生长。在玉米播种后一次性施入缓释肥料即可满足整个生育期的营养需求。

实施例2

将天然沙子加入雷蒙磨中进行粉碎，用120目的筛子进行筛分得到精细沙。启动风机，并打开空气的电加热装置，在流化床中加入100公斤的大颗粒尿素，使尿素在床层中稳定流化。在流化床侧壁的四周装有喷嘴，通过高压喷嘴将配制的0.5wt％聚丙烯酸溶液以雾状的形式均匀喷涂到流化中的尿素颗粒表面。同时从流化床底部加入精细沙，细沙随气流流化起来，在床中与尿素碰撞并粘附到颗粒外层。同时热气流对尿素进行干燥，继续边喷粘结剂边将15公斤（核心肥料的15wt％）的细沙全部包裹在尿素上，并将颗粒完全干燥。

然后利用一个加热罐将松蜡加热完全融化后，通过喷枪在高压下以雾状喷涂到肥料颗粒表面，直至颗粒表面完全被蜡层封闭。松蜡的包裹量为3公斤（核心肥料的3wt％）。关闭流化空气的电加热，肥料经空气冷却后即得到沙包尿素。该肥料的缓释期可达3个月。

实施例3

首先将硅砂用球磨机进行粉碎，筛分后得到粒度为90目以下的硅砂粉末。启动流化床，加入120公斤的硫酸钾颗粒，颗粒在向上热空气中开始在床中处于良好流化状态。将0.3wt％聚丙烯酸溶液通过侧壁的高压枪均匀喷涂到流化的核心颗粒表面，同时用气流将硅砂粉末输入流化床，并在床中和颗粒碰撞粘附在颗粒表面。直至将12公斤的硅砂（核心肥料的10wt％）全部包裹在颗粒上。

接着将虫蜡加热至融化后，经过3.5kg/cm³的高压喷枪，蜡以雾状的形式喷涂到肥料颗粒表面，直至2.4公斤虫蜡（核心肥料的2wt％）完全将肥料颗粒表面进行封闭。最后将肥料冷却后即得到硅砂包裹缓释钾肥。该缓释钾肥的缓释期达3.2个月，可作为果树生长的追肥之用。

实施例4

首先将天然沙子用球磨机进行粉碎，通过140目筛分后得到细沙。在圆盘造粒机中加入200公斤的48%的复合肥料颗粒，转动圆盘使肥料滚动。这时一边用高压枪将0.1wt％聚丙烯酸溶液以雾状均匀喷涂到复合肥颗粒表面，一边撒入细沙粉末粘附到颗粒外层。如此不断喷涂粘结剂直到10公斤细沙（核心肥料的5wt％）全部包裹在颗粒上，并进一步用热风机对颗粒进行干燥。最后将蜂蜡加热至完全融化后，用喷枪在高压下均匀喷涂到肥料颗粒表面，直至颗粒表面被2公斤蜂蜡（核心肥料的1wt％）完全封闭。冷却后即得到沙包裹缓释复合肥料。该缓释肥料的缓释期为2至2.5个月，可满足花卉的营养需求。

Claims (9)

1.一种天然硅化合物包裹的缓释肥料，包括以复合肥料和单质肥料颗粒为核心，包裹在核心肥料外面的主要成分为天然硅化合物的膜层，和包裹在肥料最外层的作为封闭剂的天然蜡层；

所述的核心肥料包括复合肥料颗粒、尿素和硫酸钾颗粒；

所述的天然硅化合物包括麦饭石、天然沙子和硅砂，其粒度为90目以下；

所述的天然蜡包括棕榈蜡、松蜡、蜂蜡和虫蜡。

2.根据权利要求1所述的天然硅化合物包裹的缓释肥料，其特征在于：所述的主要成分为天然硅化合物膜层的重量占缓释肥料的总重量的5～15wt％。

3.根据权利要求1所述的天然硅化合物包裹缓释肥料，其特征在于：所述的天然蜡层的重量占缓释肥料的总重量的1～3wt％。

4.一种权利要求1所述的天然硅化合物包裹的缓释肥料的制备方法，包括如下的步骤：

1）将天然硅化合物进行粉碎和筛分后的粉末材料作为包裹材料；

2）在圆盘造粒机或流化床中用粘结剂溶液将包裹材料粘结到核心肥料颗粒的表面，然后将造粒后的肥料干燥到物料含水量为1～5wt％；

3）最后在颗粒外表面喷涂融化的蜡作为封闭剂，冷却后即得到天然硅化合物包裹缓释肥料。

5.根据权利要求4所述的天然硅化合物包裹的缓释肥料的制备方法，其特征在于：将天然硅化合物采用球磨机或者雷蒙磨进行粉碎，用筛子筛分得到90目以下的粉末材料作为包裹材料。

6.根据权利要求4所述的天然硅化合物包裹的缓释肥料的制备方法，其特征在于：在圆盘造粒机中加入核心肥料颗粒，转动圆盘使颗粒均匀滚动，边喷入雾状的粘结剂溶液，边撒入粉末包裹材料，将包裹材料均匀粘结到核心肥料颗粒的表面，完成造粒后采用热风机进行干燥。

7.根据权利要求4所述的天然硅化合物包裹的缓释肥料的制备方法，其特征在于：在流化床中加入核心肥料并使颗粒稳定在床层处于流化状态，边喷入雾状的粘结剂溶液，边加入粉末包裹材料，将包裹材料粘结到核心肥料颗粒的表面，流化气流为热空气，粘结剂和硅化合物包裹在颗粒表面并很快干燥。

8.根据权利要求4所述的天然硅化合物包裹的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0.1～0.5wt％的聚丙烯酸水溶液。

9.根据权利要求4所述的天然硅化合物包裹的缓释肥料的制备方法，其特征在于：将蜡在高温下进行融化后，采用高压喷枪在3～4k_g/cm³的压力下，以雾状喷涂到在造粒机或流化床中滚动的肥料颗粒表面，直至颗粒表面完全被蜡层封闭。