CN103804697B - 一种聚谷氨酸水凝胶的制备方法及其在复合肥中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于农业肥料的高吸水树脂，具体涉及一种含聚谷氨酸水凝胶的高吸水树脂的制备方法及其在肥料中的应用，该发明是将聚谷氨酸与环氧琥珀酸氢钠、聚乙二醇缩水甘油醚等交联剂在一定条件下反应后，经脱水干燥制得高吸水性凝胶树脂，以此水凝胶作为高吸水树脂与各种肥料复合可制备各种新型复合肥。该复合肥具有良好的缓释功能，同时通过肥料与吸水树脂的结合使之具有吸水保水，土壤调节等功能。

Description

一种聚谷氨酸水凝胶的制备方法及其在复合肥中的应用

技术领域

本发明涉及一种用于农业肥料的高吸水树脂，具体涉及一种含聚谷氨酸水凝胶的高吸水树脂的制备方法及其在肥料中的应用。

背景技术

高吸水树脂能够改良土壤结构，吸水保水，增加透水性，透气性，改善土壤的保湿性能，增长农药和肥料的效果。由于任何肥料肥效的发挥取决于土壤水分有效性，水、肥之间存在交互作用，而常规肥料和绝大多数缓控释肥料不具有吸水保水功能。1997年我国化肥使用量与1987年相比，化肥投入量增长了99.1%，而粮食产量仅增长了22.1%。资源利用率不高，不仅造成浪费，使种田成本增高，而且污染环境。导致肥料利用率低的一个重要原因是肥料的淋溶损失，尤其是氮肥和钾肥。肥料的大量淋失不但造成了直接的经济损失，而且对环境和可持续性发展带来了越来越大的影响，直接威胁着人类的健康，引起了世界各国的高度重视。因此，将保水剂的保水功能、缓控释功能与肥料在材料和功能上复合一体化，研究开发保水缓控释肥料具有重要的实际意义。

高吸水树脂可增加农作物对营养的吸收，节肥增效，增产提质。高吸水树脂作为肥料增效剂使用，其生物可降解型吸收促进剂的特性得以充分的发挥和利用。既可以进一步增加作物的产量，还可以对肥料起到很好的缓释作用，使肥料在土壤中的释放时间较传统肥料延长了4倍左右。在促进作物的吸收的同时还起到了抑制肥料成分快速分解和流失的作用，高吸水树脂掺拌化肥使用时，氮肥利用率平均可提高60.3%，磷肥利用率平均可提高5.3%，钾肥利用率平均可提高16.7%，综合直接减少肥料的用量的20％以上。降低过量或施用化肥不当等造成的环境污染，具有显著的增产节肥效果。

聚谷氨酸水凝胶作为高吸水树脂，是一种可生物降解的新型的功能高分子材料，结构为经适度交联的三维网络，能吸收自身重数百倍乃至千倍的水。在农林，园艺，医药卫生，食品等领域有着广泛的应用前景。

肥料、农药可通过包埋或机械混合方法与超强吸水剂聚谷氨酸水凝混匀，形成高吸水复合型肥料。土壤中加入高吸水树脂后能吸收和保持水分，增加肥料的吸附作用，特别是明显提高对氨态氮的吸附作用，可在一定程度上减少可淋溶性养分的损失，提高肥料的利用率。

聚谷氨酸吸水树脂还可用作土壤改良，对化肥、农药、杀虫剂及植物生长助剂的缓释作用，提高了化肥和药物的效能。实验证明，根据作物种类、土壤类型以正确方式和用量使用高吸水树脂，可明显提高种子的发芽率，促进作物的生长发育，提高作物产量，并且对作物品质误不良影响。

发明内容

本发明的内容是提供一种高吸水树脂聚谷氨酸水凝胶的制备方法及其在复合肥中的应用，制备方法简单可行，制备得到的聚谷氨酸水凝胶吸水性强，以此作为高吸水树脂添加到肥料中制备得到的复合肥，应用于农作物上，可有效提高肥料肥效，延长肥料作用时间，节约肥料用量，极大提高农作物产量。

本发明中提供一种聚谷氨酸水凝胶的制备方法，其具体制备步骤如下：纯化水中按照5%~15%的重量浓度加入聚谷氨酸干粉，搅拌彻底溶解后，按重量比加入0.01%~0.1%的环氧琥珀酸氢钠，搅拌调节4.0~7.0之间，加热升温30~70℃，反应2~8h后，按重量比加入0.1%~1.5%的聚乙二醇缩水甘油醚，搅拌控制温度在40~65℃，调节pH值在5.0~6.5，每间隔30min，缓慢搅拌5min，保温继续反应8h~20h，得到凝胶状产物；产物经有机溶剂脱水12~24h后，真空干燥，干燥温度为40~80℃，得到干品经粉碎，即为聚谷氨酸水凝胶高吸水树脂。

本发明中制备水凝胶的聚谷氨酸为枯草芽孢杆菌发酵产生的高粘发酵液经有机溶剂如乙醇，异丙醇，丙酮等溶剂沉淀后燥制备得到的产品，其分子量为1，000,000道尔顿以上。

本发明中的聚谷氨酸水凝胶作为高吸水树脂可广泛应用添加到肥料中，如氮磷钾肥，复合肥，微量元素肥中的一种或多种，制备各种新型复合肥，其添加量一般为肥料总重量的0.01%~1%。

经过田间实验证明，添加聚谷氨酸水凝胶吸水树脂后，土壤吸附氮、磷、钾肥料的能力得以改善，即提高了土壤的保肥能力。其主要原因是高吸水树脂是由亲水性高分子部分交联形成的聚合物，这种聚合物因轻度交联而形成网络结构，它的网络可以吸收肥料离子、分子及微粒。另外可能是由于高吸水树脂通过与土壤形成的水稳性团粒结构，加强了土壤对肥料元素的保持作用，抑制肥料元素的流失，提高肥料的利用率。

添加聚谷氨酸吸水树脂也可后有效防止土壤水分的蒸发，提高土壤的含水率。另外，添加聚谷氨酸吸水树脂后还能改善土壤的理化性质，可提高土壤形成水稳定性团聚体的能力，改善土壤孔隙特征，防止土壤板结，调节土壤紧实度。

具体实施方式

实施例1

由枯草芽孢杆菌发酵制备得到发酵液经有机溶剂沉淀后干燥所得到聚谷氨酸干粉300g，在5L的烧杯中，加水定容至3kg，搅拌彻底溶解后，加入5.5g环氧琥珀酸氢钠，搅拌均匀后用氢氧化钠或盐酸调整pH至7.0，搅拌加热升温至60℃，反应2h，再加入30g聚乙二醇缩水甘油醚，搅拌均匀，调整pH至5.0，升温至65℃，保温反应，每隔30分钟，搅拌5分钟，反应20h，得到凝胶状产物；把所得到的产物加入无水酒精浸泡12h.使其充分脱水。将脱水后的产物放入55℃真空干燥箱中干燥，取出粉碎即得聚谷氨酸水凝胶高吸水树脂。

实施例2

以下为含有按照实施例2制备的聚谷氨酸吸水树脂的复合肥在番茄种植上的应用试验。其中对照组所用肥料为市售复合肥(N-P₂O₅-K₂O25-15-8)，试验组为同品牌肥料加入聚谷氨酸高吸水树脂制成复合肥。

试验一组施用的复合肥是添加1%聚谷氨酸吸水树脂，试验二组施用的复合肥为聚谷氨酸吸水树脂添加量为0.5%，试验三组施用的复合肥为聚谷氨酸吸水树脂添加量为0.1%。实验四组施用的复合肥聚谷氨酸吸水树脂添加量为0.05%。

	对照组	试验一组	试验二组	试验三组	试验四组
						番茄产量(Kg/亩)	3510	4266	4158	3977	3786
增产(%)		21.51%	18.64%	13.33%	7.86%

由田间试验可得出，与普通复合肥相比，含有0.1%~1%的聚谷氨酸吸水树脂可大幅提高番茄产量，增产效果明显，经济效益显著。

实施例3

以下试验为聚谷氨酸吸水树脂在蔬菜节肥增产方面的应用。其中对照组所用肥料为市售复合肥(N-P₂O₅-K₂O25-15-8)，实验组为同品牌肥料加入聚谷氨酸高吸水树脂制成。以下数据位重复三次以上所得结果的平均值。

由上表可以看出在减少肥料施用量的情况下作物产量仍有上升，说明聚谷氨酸吸水树脂提高了肥料的利用率，可显著减少肥料用量，节约成本。

Claims (6)

1.一种聚谷氨酸水凝胶的制备方法，其特征在于制备步骤如下：

(1)纯化水中按照5％～15％的重量浓度加入聚谷氨酸干粉，搅拌彻底溶解后；

(2)按重量比加入0.01％～0.1％的环氧琥珀酸氢钠，搅拌调节4.0～7.0之间；

(3)搅拌加热升温30～60℃，反应2～8h；

(4)按重量比加入0.1％～1.5％的聚乙二醇缩水甘油醚，搅拌控制温度在40～65℃；

(5)调节pH值在5.0～6.5，每间隔30min，缓慢搅拌5min，保温继续反应8h～20h，得到凝胶状产物；

(6)产物经有机溶剂脱水12～24h后，真空干燥，干燥温度为40～80℃，得到干品经粉碎，即为聚谷氨酸水凝胶高吸水树脂。

2.根据权利要求1所述的一种聚谷氨酸水凝胶的制备方法，其特征在于：所述聚谷氨酸干粉为为枯草芽孢杆菌发酵产生的高粘发酵液经有机溶剂沉淀后干燥制备得到的产品。

3.根据权利要求1所述的一种聚谷氨酸水凝胶的制备方法，其特征在于：所述制备水凝胶的聚谷氨酸分子量为1，000,000道尔顿以上。

4.根据权利要求1所述的一种聚谷氨酸水凝胶的制备方法，其特征在于：步骤(4)中搅拌控制温度在50～60℃。

5.一种以聚谷氨酸水凝胶作为高吸水树脂的复合肥，其特征在于：所述复合肥按权利要求1，2，3，4任一制备的聚谷氨酸水凝胶以所用肥料总重量的0.01％～1％添加到所需肥料中粉碎混合制得。

6.根据权利要求5所述的一种以聚谷氨酸水凝胶作为高吸水树脂的复合肥，其特征在于：所用肥料为氮磷钾肥，复合肥，微量元素肥中的一种或多种，所用的比例依据作物种类及土壤条件的不同来确定。