CN104193536A - 一种生物炭基稳定性复混肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及肥料领域，特别涉及一种生物炭基稳定性复混肥及其制备方法。生物炭基稳定性复混肥，其原料包括：生物炭、含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、氮素转化抑制材料、包膜物质以及造粒粘结剂；包膜物质为腐殖酸和脲甲醛树脂。本发明提供的生物炭基稳定性复混肥，各原料按一定的比例协同配合，很好的满足作物的需求；通过生物炭与腐殖酸混合实现两者酸碱平衡、养分吸附、粘性吸附，达到很好的复合效果，解决了当前生物炭表征利用模糊的问题；该生物炭基稳定性复混肥实现简化施肥，并且有效提高了肥料利用率，能改良酸化土壤、改善土壤结构性，实现农业生产中能节省施肥成本、增加产量、提高农产品品质等优势。制备方法简单易行。

Description

一种生物炭基稳定性复混肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及肥料领域，具体而言，涉及一种生物炭基稳定性复混肥及其制备方法。

背景技术

我国农业生产中化肥用量居高不下，除了土壤原有生产力得不到提高、中低产田比例升高、复种指数高等客观原因外，化肥利用率低是其主要原因之一。化肥的持续、大量投入一方面造成了资源的巨大浪费，增加了社会可持续发展的成本；另一方面造成了土壤板结、酸化的加剧，从而降低了土地生产力。而土地生产力的降低还表现在土壤微生物多样性降低、群落结构不合理、重金属离子活性增高等，这些都对食品安全和生态环境产生了一定的负面效应。因此，降低肥料用量是农业可持续发展的关键措施。除了开发高效施肥技术之外，提高肥料(尤其是氮肥)利用率是减少化肥投入的有效措施。随着科学技术进步，研发和推广稳定性肥料是提高肥料利用率的主流措施之一，而新型材料在稳定性肥料领域的应用也成为了当前研究的热点。

生物炭(biochar)是指生物质在绝氧条件下高温裂解形成的一种具有多孔结构、特定官能团的稳定性碳源。与普通生物质相比，生物炭具有吸附性能好、保水保肥能力强、在土壤中持续稳定等特点。因此，拓展生物炭在农学领域的利用有着广阔的前景。生物炭结合肥料学是近年来国内外关注的热点之一，也有相关专利和文章刊出。然而不同原材料及制备条件的生物炭在pH值、孔隙度、比表面积、特殊官能团结构等方面存在着很大的差异，其差异的不同也导致了作为吸附材料效果迥异，并且其差异性在作为不同形态氮素的吸附材料时更加明显。当前申请的技术产品一方面忽略了生物炭的具体表征与新型肥料特征的结合；另一方面只是生物炭与氮磷钾肥料的机械混合，没有从根本上发掘生物炭的特殊功能。

利用生物质裂解产生可以二次利用的生物油，其副产物生物炭还田是当前国际生态环保领域的主推技术之一。因此，研究不同裂解条件下生物炭的功能并结合肥料学既可以最大程度的利用生物质并缓解当前日益严重的温室效应，又可以将生物炭在农用方面实现经济效益和环境效益最大化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种生物炭基稳定性复混肥及其制备方法，以解决上述的问题。

本发明提供的一种生物炭基稳定性复混肥，其原料包括：生物炭、含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、氮素转化抑制材料、包膜物质以及造粒粘结剂；

所述包膜物质为腐殖酸和脲甲醛树脂；

所述生物炭、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述粘性矿物、所述氮素转化抑制材料、所述腐殖酸、所述脲甲醛树脂的质量比为0.5-1.5：25-45:13-22:27-35：9-27:0.035-0.045：0.08-0.15：0.8-1.5：3-5。

优选地，所述腐殖酸的pH为3.8-4.0。

优选地，所述生物炭由柑桔枝、香蕉杆、皇竹草、玉米秸秆中的两种以上原料制成。

优选地，所述生物炭的比表面积不小于25m²/g，pH值为9.5-10，碳含量为930-950g/kg。

优选地，所述生物炭由以下方法制备：

将生物炭的原料切割成直径不大于2.5cm，于绝氧下500-550℃裂解2.5-3小时而制成。

优选地，所述粘性矿物为凹凸棒石粉、沸石粉、石灰石粉中的任1种或多种。

优选地，所述粘性矿物的粒度大于200目。

优选地，所述含氮物质为尿素；所述含磷物质为磷酸一铵或磷酸二铵；所述含钾物质为硫酸钾或氯化钾。

优选地，所述氮素转化抑制材料为双氰胺、N-丁基硫代磷酰三胺、苯基磷酰二胺、氢醌中的任2种或3种。

优选地，所述造粒粘结剂为硅酸钠。

本发明还提供了上述生物炭基稳定性复混肥的制备方法，包括以下步骤：

(a)、将所述生物炭与所述腐殖酸混合，制得含水量为35-45％的第一混合物，室温放置70-75小时后，烘干至含水量为18-22％；

(b)、将烘干后的所述第一混合物与所述氮素转化抑制材料混合均匀，得到第二混合物；

(c)、将所述含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、造粒粘结剂与所述第二混合物混匀，造粒，成粒后喷洒脲甲醛树脂进行包膜，然后烘干即得所述生物炭基稳定性复混肥。

优选地，在步骤(c)中，所述烘干为烘干至含水量为10％以下。

本发明实施例提供的生物炭基稳定性复混肥，将生物炭、含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、氮素转化抑制材料、包膜物质以及造粒粘结剂按一定的比例制成，在原料使用方面发挥了优势互补消除劣势的效果，各原料物质协同配合，很好的满足作物的需求。其中，改变了直接利用或者利用酸洗、水洗等措施后再利用生物炭的固有模式，引入适量腐殖酸，通过生物炭与腐殖酸混合实现两者酸碱平衡、养分吸附、粘性吸附，达到1+1＞2的复合效果，很好的解决了当前利用生物炭制造复混肥料中存在的生物炭表征利用模糊以及生物炭与包膜材料有效结合技术欠缺的核心问题。本发明提供的生物炭基稳定性复混肥对短生育期作物可实现一次性施肥，对生长发育期作物可实现简化施肥，大幅度减少了施肥工作量；该复混肥有效提高了肥料利用率，降低了肥料用量；能改良酸化土壤、改善土壤结构性，并具有促进作物根系早生快发、冠/根比例合理、增强根系对养分的吸收等生物学功效，在农业生产中能节省施肥成本、增加产量、提高农产品品质等优势。本发明还提供了该生物炭基稳定性复混肥的制备方法，制备方法简单易行，制得的生物炭基稳定性复混肥施用后效果好。

具体实施方式

下面通过具体的实施例子对本发明做进一步的详细描述。

本发明实施例提供的一种生物炭基稳定性复混肥，其原料包括：生物炭、含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、氮素转化抑制材料、包膜物质以及造粒粘结剂；

所述包膜物质为腐殖酸和脲甲醛树脂；

所述生物炭、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述粘性矿物、所述氮素转化抑制材料、所述腐殖酸、所述脲甲醛树脂的质量比为0.5-1.5：25-45:13-22:27-35：9-27:0.035-0.045：0.08-0.15：0.8-1.5：3-5。

本发明实施例提供的生物炭基稳定性复混肥，将生物炭、含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、氮素转化抑制材料、包膜物质以及造粒粘结剂按一定的比例制成，在原料使用方面发挥了优势互补消除劣势的效果，各原料物质协同配合，很好的满足作物的需求。其中，改变了直接利用或者利用酸洗、水洗等措施后再利用生物炭的固有模式，引入适量腐殖酸，通过生物炭与腐殖酸混合实现两者酸碱平衡、养分吸附、粘性吸附，达到1+1＞2的复合效果。本发明提供的生物炭基稳定性复混肥对短生育期作物可实现一次性施肥，对生长发育期作物可实现简化施肥，大幅度减少了施肥工作量；该复混肥有效提高了肥料利用率，降低了肥料用量；能改良酸化土壤、改善土壤结构性，并具有促进作物根系早生快发、冠/根比例合理、增强根系对养分的吸收等生物学功效，在农业生产中能节省施肥成本、增加产量、提高农产品品质等优势。

优选地，所述腐殖酸的pH为3.8-4.0。以使腐殖酸与生物炭混合更好的实现酸碱平衡、养分吸附、粘性吸附的作用。

优选地，所述生物炭由柑桔枝、香蕉杆、皇竹草、玉米秸秆中的两种以上原料制成。选定特定的原料制备生物炭，制备的生物炭在pH值、孔隙度、比表面积、特殊官能团结构等方面很好的满足了作为复混肥的生物炭表征，该生物炭具有优良的转化抑制材料和吸附材料的特性，纠正了以往对生物炭的原材料性质要求不严格，仅仅满足制备条件即可的错误观念，这是生物炭在肥料领域利用的一个重要突破。

为了制得的生物炭在pH值、孔隙度、比表面积、特殊官能团结构等方面更好的满足作为复混肥的生物炭表征，生物炭的比表面积越大越好，优选地，所述生物炭的比表面积不小于25m²/g，pH值为9.5-10，碳含量为930-950g/kg。具体地，所述生物炭由以下方法制备：将生物炭的原料切割成直径不大于2.5cm，于绝氧下500-550℃裂解2.5-3小时而制成。经多次验证，各原料按该方法制备后按一定的比例混合得到的生物炭，其各参数的范围符合上述要求，其中，该方法制得的生物炭达到的比表面积在25-35m²/g之间。

最终得到的生物炭打破了目前已有的生物炭相关专利中其制备与应用的技术模糊性，从pH、结构特征、吸附特征等指标明确了适宜作为该类肥料添加剂的生物炭，这是生物炭在肥料领域利用的一个重要突破。本发明明确了制作稳定性肥料所需的生物炭的基本表征，并阐述了生物炭作为转化抑制材料和吸附材料的使用方式，为其在肥料领域的利用奠定了良好的基础。

为了生物炭更好的与其他原料成分混合均匀，且达到很好的转化抑制材料和吸附材料的特性，优选地，所述生物炭制成后，粉碎过200目以上筛而得成品。

凹凸棒石粉、石灰石粉和沸石粉具有很好的吸附作用，以实现得到的复混肥具有更好的吸附作用，达到更好的缓释效果。优选地，所述粘性矿物为凹凸棒石粉、沸石粉、石灰石粉中的任1种或多种。进一步地，所述粘性矿物的粒度大于200目。

尿素是一种中性肥料，适用于各种土壤和植物；它易保存，使用方便，对土壤的破坏作用小；磷酸一铵或磷酸二铵很好的补充磷元素，以满足作物生长的需求；硫酸钾或氯化钾为常见的钾肥的主要成分，能很好的补充钾元素。优选地，所述含氮物质为尿素；所述含磷物质为磷酸一铵或磷酸二铵；所述含钾物质为硫酸钾或氯化钾。

优选地，所述氮素转化抑制材料为双氰胺、N-丁基硫代磷酰三胺、苯基磷酰二胺、氢醌中的任2种或3种。该种类的转化抑制材料与其他原料混合发挥了该转化抑制材料的优势，与当前传统的直接混合造粒工艺相比，转化抑制材料分布更加均匀。此外，辅以生物炭和腐殖酸对氨态氮的吸附作用，使得氮元素肥效更长久，从而提高了肥料利用率。

为了造粒效果更好，优选地，所述造粒粘结剂为硅酸钠。硅酸钠的用量为总肥料重量的0.2-0.3％。

本发明还提供了上述生物炭基稳定性复混肥的制备方法，包括以下步骤：

(a)、将所述生物炭与所述腐殖酸混合，制得含水量为35-45％的第一混合物，室温放置70-75小时后，烘干至含水量为18-22％；

(b)、将烘干后的所述第一混合物与所述氮素转化抑制材料混合均匀，得到第二混合物；

(c)、将所述含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、造粒粘结剂与所述第二混合物混匀，造粒，成粒后喷洒脲甲醛树脂进行包膜，然后烘干即得所述生物炭基稳定性复混肥。

本发明实施例提供的生物炭基稳定性复混肥的制备方法，先将生物炭与腐殖酸进行混合，改变了直接利用或者利用酸洗、水洗等措施后再利用生物炭的固有模式，通过生物炭与腐殖酸混合，很好的实现了两者酸碱平衡、养分吸附和粘性吸附，很好的解决了当前利用生物炭制造复混肥料中存在的生物炭表征利用模糊以及生物炭与包膜材料有效结合技术欠缺的核心问题；再将第一混合物与氮素转化抑制材料混合，使氮素转化抑制材料分布更为均匀，再与含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物混合后造粒，氮素转化抑制材料、生物炭和腐殖酸三者协同作用，使得复混肥中的氮元素肥效更长久，从而提高了肥料利用率；得到的生物炭基稳定性复混肥缓释效果非常好，大幅度减少了施肥工作量；各原料成分协同作用，改善土壤结构性，并具有促进作物根系早生快发、冠/根比例合理、增强根系对养分的吸收等生物学功效，在农业生产中能节省施肥成本、增加产量、提高农产品品质等优势。

优选地，在步骤(c)中，所述烘干为烘干至含水量为10％以下。该含水量的复混肥易于保存，施肥方便。

实施例1

将柑桔枝、香蕉秆、皇竹草分别粉碎至直径≤2.5cm，在500℃下绝氧裂解3小时，粉碎后分别过200目筛，将柑桔枝、香蕉秆、皇竹草制得的生物炭按照重量比为1:1:2.5混合均匀；

取0.5份生物炭混合物与pH为3.8、过200目筛的0.08份腐殖酸混合，调节水分至45％，放置70小时后烘干；

然后与0.02份双氰胺、0.025份氢醌混合均匀，得到第二混合物；

将第二混合物与45份尿素(粉状)、15份磷酸一铵(粉状)、30份氯化钾(粉状)、1份过200目筛的凹凸棒粉、8份过200目筛的石灰石粉、0.2份硅酸钠(水溶后喷雾)混合进行圆盘造粒，成粒后喷洒4份脲甲醛树脂进行不完全包膜，烘干即得生物炭基稳定性复合肥。

该生物炭基稳定性复合肥中氮磷钾养分比例为：22：7：18，可实现水稻、玉米等生产一次性施肥，作为桑树、甘蔗基肥可减少2次追肥，达到省工增产的效果。

将该生物炭基稳定性复合肥试验，以水稻(品种为合丰占)为目标作物，同时以等量复合肥作为对照，复合肥中的氮磷钾用量按照165kg·hm^-2、52.5kg·hm^-2、135kg·hm^-2。本产品作为底肥一次性使用，对照组复合肥作为底肥和追肥按照6:1:3比例分别于插秧前、返青期、分蘖盛期使用；本产品和对照施用的肥料用量均为750kg·hm^-2。连续两季试验，结果如表1所示。

表1水稻试验结果

从表1可以看出：与对照组相比，本发明制得的生物炭基稳定性复混肥对土壤总氮、pH、CEC等理化指标有较好的效果；并且在提高产量、有效穗数、千粒重方面也有很好的表现。

实施例2

将柑桔枝、玉米秆、皇竹草分别粉碎至直径≤2.5cm，在500℃下绝氧裂解2.5小时，粉碎后分别过250目筛，将柑桔枝、玉米秆、皇竹草制得的生物炭按照重量比为1:1:2混合均匀；

取0.9份生物炭混合物与pH为4.0，过200目筛的0.1份腐殖酸混合，调节水分至35％，放置70小时后烘干；

然后与0.02份双氰胺、0.021份N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)混合均匀，得到第二混合物；

将第二混合物与41份尿素(粉状)、13份磷酸一铵(粉状)、34份硫酸钾(粉状)、2份过200目筛的凹凸棒粉、7份过200目筛的石灰石粉、2份沸石粉、0.2份硅酸钠(水溶后喷雾)混合进行转鼓造粒机造粒，成粒后喷洒5份脲甲醛树脂进行不完全包膜，烘干即得生物炭基稳定性复合肥。

该生物炭基稳定性复合肥中氮磷钾养分比例为：20：6：17，氮磷钾总养分含量43％，适用于烟草、花生、马铃薯、番薯等生产一次性施肥，每亩施用60kg左右，对土壤总氮、pH、CEC等理化指标有较好的效果；并且在提高产量也具有很好的效果，达到省工增产的效果。

实施例3

将柑桔枝、香蕉秆、玉米秆分别粉碎至直径≤2.5cm，在500℃下绝氧裂解3小时，粉碎后分别过300目筛，将柑桔枝、香蕉秆、玉米秆制得的生物炭按照重量比为1:0.8:2混合均匀；

取0.9份生物炭混合物与pH为3.8、过200目筛的0.1份腐殖酸混合，调节水分至40％，放置72小时后烘干；

然后与0.02份双氰胺、0.011份N-丁基硫代磷酰三胺(NBPT)和0.010份氢醌混合均匀，得到第二混合物；

将第二混合物与38份尿素(粉状)、23份磷酸二铵(粉状)、28份氯化钾(粉状)、2份过200目筛的凹凸棒粉、9份过200目筛的沸石粉、0.2份硅酸钠(水溶后喷雾)混合进行挤压造粒，须再经旋转工艺造粒，后喷洒3份脲甲醛树脂进行不完全包膜，烘干即得生物炭基稳定性复合肥。

该生物炭基稳定性复合肥中氮磷钾养分比例为：21：10：17，适用于水稻、玉米生产一次性施肥，作为桑树、甘蔗基肥可减少2次追肥，达到省工增产的效果。

该产品试验以甜玉米(品种为正甜68)为目标作物，同时以等量复合肥作为对照，复合肥中的氮磷钾用量按照210kg·hm^-2、100kg·hm^-2、170kg·hm^-2。本产品作为底肥一次性使用，对照复合肥作为底肥和追肥按照6:2:2比例分别于移栽前、拔节期、大喇叭口期使用；本产品和对照施用的肥料用量均为1000kg·hm^-2。连续两季试验，结果如表2所示。

表2甜玉米试验结果

从表2可以看出：与对照相比，本发明提供的物炭基稳定性复混肥对土壤总氮、pH、CEC等理化指标有较好的效果；并且在提高单苞重、产量、可溶性糖等品质方面也有较好的表现。

实施例4

将皇竹草、香蕉秆、玉米秆分别粉碎至直径≤2.5cm，在550℃下绝氧裂解2.5小时，粉碎后分别过350目筛，将皇竹草、香蕉秆、玉米秆制得的生物炭按照重量比为1:1:2混合均匀；

取1.5份生物炭混合物与pH为3.8、过200目筛的0.15份腐殖酸混合，调节水分至45％，放置75小时后烘干；

然后与0.015份双氰胺、0.02份苯基磷酰二胺(PPD)混合均匀，得到第二混合物；

将第二混合物与25份尿素(粉状)、15份磷酸一铵(粉状)、32份硫酸钾(粉状)、4份过200目筛的凹凸棒粉、23份过200目筛的石粉、0.2份硅酸钠(水溶后喷雾)混合进行挤压造粒，须再经旋转工艺造粒，成粒后喷洒4份脲甲醛树脂进行不完全包膜，烘干即得生物炭基稳定性复合肥。

该生物炭基稳定性复合肥中氮磷钾养分比例为：13：7：16，可实现烟草、花生、马铃薯、番薯等生产一次性施肥，对土壤总氮、pH、CEC等理化指标有较好的效果；并且在提高产量也具有很好的效果，达到省工增产的效果。

实施例5

将皇竹草、玉米秆分别粉碎至直径≤2.5cm，在500℃下绝氧裂解2.5小时，粉碎后分别过400目筛，将皇竹草、玉米秆制得的生物炭按照重量比为1:1.5混合均匀；

取1份生物炭混合物与pH为4.0、过200目筛的0.12份腐殖酸混合，调节水分至40％，放置75小时后烘干；

然后与0.015份双氰胺、0.02份苯基磷酰二胺(PPD)混合均匀，得到第二混合物；

将第二混合物与30份尿素(粉状)、15份磷酸二铵(粉状)、35份硫酸钾(粉状)、15份过200目筛的凹凸棒粉、0.2份硅酸钠(水溶后喷雾)混合进行挤压造粒，须再经旋转工艺造粒，成粒后喷洒4份脲甲醛树脂进行不完全包膜，烘干即得生物炭基稳定性复合肥。

该生物炭基稳定性复合肥中氮磷钾养分比例为：16：7：17，适用于烟草、玉米、花生、棉花等生产一次性施肥，对土壤总氮、pH、CEC等理化指标有较好的效果；并且在提高产量也具有很好的效果，达到省工增产的效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，其原料包括：生物炭、含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、氮素转化抑制材料、包膜物质以及造粒粘结剂；

所述包膜物质为腐殖酸和脲甲醛树脂；

所述生物炭、所述含氮物质、所述含磷物质、所述含钾物质、所述粘性矿物、所述氮素转化抑制材料、所述腐殖酸、所述脲甲醛树脂的质量比为0.5-1.5：25-45:13-22:27-35：9-27:0.035-0.045：0.08-0.15：0.8-1.5：3-5。

2.根据权利要求1所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述生物炭由柑桔枝、香蕉杆、皇竹草、玉米秸秆中的两种以上原料制成。

3.根据权利要求2所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述生物炭的比表面积不小于25m²/g，pH值为9.5-10，碳含量为930-950g/kg。

4.根据权利要求3所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述生物炭由以下方法制备：

将生物炭的原料切割成直径不大于2.5cm，于绝氧下500-550℃裂解2.5-3小时而制成。

5.根据权利要求1所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述粘性矿物为凹凸棒石粉、沸石粉、石灰石粉中的任1种或多种。

6.根据权利要求5所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述粘性矿物的粒度大于200目。

7.根据权利要求1所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述含氮物质为尿素；所述含磷物质为磷酸一铵或磷酸二铵；所述含钾物质为硫酸钾或氯化钾。

8.根据权利要求1所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述氮素转化抑制材料为双氰胺、N-丁基硫代磷酰三胺、苯基磷酰二胺、氢醌中的任2种或3种。

9.根据权利要求1所述的生物炭基稳定性复混肥，其特征在于，所述造粒粘结剂为硅酸钠。

10.权利要求1-9任一项所述的生物炭基稳定性复混肥的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)、将所述生物炭与所述腐殖酸混合，制得含水量为35-45％的第一混合物，室温放置70-75小时后，烘干；

(b)、将烘干后的所述第一混合物与所述氮素转化抑制材料混合均匀，得到第二混合物；

(c)、将所述含氮物质、含磷物质、含钾物质、粘性矿物、造粒粘结剂与所述第二混合物混匀，造粒，成粒后喷洒脲甲醛树脂进行包膜，然后烘干即得所述生物炭基稳定性复混肥。