CN104310356A - 一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及化工技术领域，尤其是一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，通过对湿法磷酸制备磷酸二氢钾的温度等系数进行改变，提高磷酸二氢钾产品的纯度，同时可以生产出含有N、P、K化合态的复混肥，并且将滤液调节为酸性，加入甲醛溶液制作一种控释复混肥。该方法不仅可以提高磷酸二氢钾的纯度，生产出的该大葱专用肥的吸收率好，同时生产出的该大葱专用肥能够满足大葱生长周期中各个时期的营养需要，大大地增加了大葱产量，是高效的复混肥。
Description
技术领域
本发明涉及化工技术领域，尤其涉及一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法。
背景技术
磷酸二氢钾，广泛适用于各类型经济作物、粮食、瓜果、蔬菜等几乎全部类型的作物，具有显著增产增收、改量优化品质、抗倒伏、抗病虫害、防治早衰等许多优良作用，并且具有克服作物生长后期根系老化吸收能力下降而导致的营养不足的作用，属新型高浓度磷钾二元素复合肥料，是农业上的高效磷钾复合肥。目前国内很多肥料厂家都在生产磷酸二氢钾复合肥，其生产方法主要有中和法、萃取法、离子交换法、复分解法、直接法、结晶法和电解法等，其中复分解法包括热法磷酸和湿法磷酸制取磷酸二氢钾，而热法磷酸成本较大，不宜作为广泛推广，因此，湿法磷酸生产磷酸二氢钾产品成为了主要的方法，湿法磷酸制磷酸的基本步骤如下：
反应式一：
CO(NH2)2+H3PO4＝CO(NH2)2.H3PO4
反应式二
CO(NH2)2.H3PO4+KOH＝KH2PO4+H2O+CO(NH2)2
在整个反应在40～80℃下反应，大量的碳酰胺在反应结束后未发生任何变化，同时由于碳酰胺溶解度很高，在20℃时，其溶解度为85g/100ml(详见《磷肥与复合肥》第20卷第6期——化学肥料溶解度与复混肥生产工艺)，同时碳酰胺的溶解度随温度的升高而增大，故此滤液中含有的碳酰胺在通过降温晶体析出后，滤液中还含有大量未析出的碳酰胺、K+、H2PO4 -、HPO4 2-、PO4 3-，如果直接做废水排出，既浪费资源，又会造成资源的浪费，同时，析出的磷酸氢二钾晶体的纯度不高。
大葱(学名：Allium fistulosum L.var.giganteum Makion)，是葱的一种，可分为普通大葱、分葱、胡葱和楼葱四个类型。大葱味辛，性微温，具有发表通阳，有解毒调味，发汗抑菌和舒张血管的作用。主要用于风寒感冒、恶寒发热、头痛鼻塞，阴寒腹痛，痢疾泄泻，虫积内阻，乳汁不通，二便不利等症状。大葱含有挥发油，油中主要成分为蒜素，又含有二烯内基硫醚、草酸钙。另外，还含有脂肪、糖类、胡萝卜素等、维生素B、C、烟酸、钙、镁、铁等成分。为多年生草本植物，叶子圆筒形，中间空，脆弱易折，呈青色。
种植大葱使用的肥料一般为氮磷钾混合肥，如专利号为CN201310321871.9的发明专利“大葱专用肥”，其成分主要是碳酰胺、硫铵、一铵和氯化钾。专利号为CN201210318223.3的发明专利“大葱专用肥”，其成分主要是氯化铵、碳酰胺、磷酸一铵、氯化钾、硫酸锌、硅酸盐。以上技术都是将原料通过常规方法混合而成的，其吸收率如下：
碳酰胺、碳铵的植物吸收利用率是：20％一46％；
磷肥(二铵、一铵、重钙)的植物吸收利用率是：10％一25％；
普通钾肥的植物吸收利用率是：45％一60％。
未吸收的混合肥，容易造成土壤板结，同时混合肥的的释放和损失过快，前期会造成大葱的疯长，后期由于大葱疯长以及因雨水浸泡或肥料自身分解，造成土壤中的营养无法供给大葱的需要，造成大葱的长势减缓或者停歇。
针对湿法磷酸生产磷酸二氢钾过程中，磷酸二氢钾的纯度不高，滤液中还含有大量未析出的碳酰胺、K+、H2PO4 -、HPO4 2-、PO4 3-等物质，本发明的研究者从大量的现有技术文献以及多年的探索与研究，并对传统大葱专用肥的成分含量以及大葱的吸收情况进行研究，有效地探讨出从湿法磷酸生产磷酸二氢钾的滤液中制取大葱专用肥，解决湿法磷酸生产磷酸二氢钾的纯度不高，滤液中有效成分无法利用等问题，同时该专用肥的吸收率好和可控释的效果，在国内肥料生产中，未见报道。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供了一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，通过独特的工艺生产设计，提高磷酸二氢钾的纯度，同时充分利用湿法磷酸制磷酸二氢钾的有效成分，制取出适合大葱生长的大葱专用肥。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提供的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，主要包括以下步骤：
1)采用磷酸与碳酰胺混合，并以升温速度为3～8℃/min从80℃升温至160℃，搅拌反应4-5h，分离得到中间体；再采用该中间体与碱性钾盐按照摩尔比为1：(1.1-1.4)混合，调节pH值为8.5-9.0，反应结束后，进行冷却结晶过滤处理，使滤液在冷却结晶器中循环结晶处理，获得的滤饼为磷酸二氢钾产品，检测滤液中的成分含量；
2)向滤液中加入甲醛溶液，用氢氧化钾溶液、磷酸溶液和硫酸溶液调节溶液的pH值和氮、磷、钾成分的含量，当检测到溶液中的pH值在3.5～4.0，当氮成分的含量为20-25％、磷成分含量为3-6％、钾成分含量为10-14％时，将温度升至55～75℃，搅拌0.5～1h；
3)将步骤2)中得到的溶液降温至15～20℃，进行结晶处理，得到化合态复合肥初成品，所述的化合态复合肥初成品含有根的磷酸钾复合肥。
4)将化合态复合肥初成品进行造粒，然后进行烘干制成大葱专用肥。
磷酸与碳酰胺混合的按照摩尔比为(1.2-1.5)：1
所述的加入的甲醛溶液与溶液中的碳酰胺的摩尔比为(0.3～0.5)：1，
所述的氢氧化钾溶液的浓度为10～15％。
所述的磷酸溶液的浓度为10～15％。
所述的硫酸溶液调节溶液25～30％。
所述的结晶处理为：当化合态复合肥初成品中的氮成分的含量为18-23％、磷成分含量为2-5％、钾成分含量为8-13％时，停止结晶。
所述的化合态复合肥初成品富含和的可控释肥。
本发明中，将碳酰胺与磷酸在80℃下，并以5℃/min的速度升温至160℃的环境下反应，生成磷酸脲，并随着温度的逐步升高，进而使得磷酸脲之间的配位键断离而形成两种离子状物质，即就是和当离子处于磷酸环境中，将会与磷酸接近，进而在磷酸脲配位键断离时的温度环境下进行离子聚合反应，使得离子与磷酸生成中间离子，同时使得溶液中含有大量的磷酸二氢根，当加入钾离子化合物时，磷酸二氢根与钾离子反应生成磷酸二氢钾，并相继达到饱和；当钾离子含量过量时，将会与中间离子中的铵根离子反应，进一步的使中间离子螯合成的中间离子，并且带有正电荷，进而当溶液中参与其他带负电离子或者化合物时，将会与该离子形成复盐化合物，进一步的丰富产品中的营养成分。
同时，碳酰胺在pH在3.5～4.0的酸性情况下，碳酰胺会与甲醛溶液反应，生成脲醛系列产品和甚至更长的化学链，和等脲醛系列产品在施肥以后，经过微生物的作用下，会释放出容易被植物吸收的N、C元素，其脲醛的链长越长，链需要断裂的时间越长，产生肥效的时间会在一定时间后释放出来，可以达到缓释的作用一般情况下，的释放肥效时间为0～40天，的释放肥效时间为40～80天。
本发明的有益效果在于：
与现有技术相比，本发明存在以下特点：
①在常规湿法磷酸制磷酸二氢钾的滤液中富含碳酰胺溶液，碳酰胺的在相同温度下的溶解度相对较大，分离出的碳酰胺晶体富含KH2PO4等其他晶体，同时进过降温析出碳酰胺晶体后的滤液中还含有大量的碳酰胺、K+、H2PO4 -、HPO4 2-、PO4 3-等未有效地利用，本发明将湿法磷酸制磷酸二氢钾的温度调节至80～160℃，并以5℃/min的速度升温从80℃至160℃的环境下反应，不仅使析出的磷酸二氢钾产品纯度达到98％以上，滤液中还生成的阳离子，在对滤液结晶析出生成的化合态复混肥出成品时，保证了化合态复混肥出成品中中间离子和磷酸二氢根，并在C与O之间形成配位键，这种中间离子能够与对中元素化合物螯合形成多元素中间离子，进而能够继续与其他带负电荷的化合物或者离子形成螯合物，提高复盐中元素含量，进而能够调整该离子存在的复盐中的养分含量，同时，该螯合物又能够进行水解而被作物，进而能够有效的长期为作物提供肥效，同时，结合对该离子存在的溶液中元素含量的测定，进而调整复盐形成时的各元素含量，烘干获得化合态复盐复合肥，其吸收率极好，降低了大葱种植成本和提高了大葱质量；
②在滤液中含有部分的碳酰胺成分，加入甲醛溶液，在碱性条件和一定压强和温度下，生成和等脲醛系列复合肥，可以使该大葱专用肥达到可控释的作用；
③该大葱专用肥具有吸收率好、可控释式性好的特点，通过使用该大葱专用肥种植的大葱，大葱长势良好，产量大等优点。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明的具体技术方案进行详细说明。
原理说明：
本发明通过对磷酸与碳酰胺反应的机理进行研究与探讨，并结合现有技术文献了解到，磷酸与碳酰胺反应生成磷酸脲，其分子式为：CO(NH2)2.H3PO4，在较高温度的环境下，磷酸中的H和O之间的化学键会断离，氢离子与碳酰胺结合形成含有正电荷的离子态，使得磷酸脲形成一种正负电荷相吸引的离子复盐，其机理结构反应如下表达式：CO(NH2)2.H3PO4→(H2PO4)-.(H2NCONH3)+
进一步的，磷酸脲离子复盐在磷酸存在的环境下，其中的(H2NCONH3)+正离子与磷酸接近，形成C→O配位键的中间离子，即为(CO5PN2H8)+，进而使得磷酸脲中间体中含有大量的(H2PO4)-和(CO5PN2H8)+离子，在加入过量并且适量的钾离子时，磷酸二氢根与钾离子形成磷酸二氢钾晶体被析出来，多余钾离子与(CO5PN2H8)+离子反应，并置换出部分NH4 +，使得溶液中含有(CO5PNH4K)+的复盐离子，并通过检测分析并控制溶液中N、P、K元素的含量，在加热干燥即可制得含有N、P、K元素的化合态复合肥。
其具体的反应原理将通过以下反应结构式以及反应机理来进一步的说明：
反应式一：
CO(NH2)2+H3PO4→CO(NH2)2.H3PO4
反应式二：
反应式三：
其中，碳原子与氧原子之间的虚线表示C原子与O原子之间存在配位键。
反应式四：
其中，碳原子与氧原子之间的虚线表示C原子与O原子之间存在配位键。
本发明中碳酰胺和甲醛在在pH值为3.5～4.0碱性情况下，温度为55～75℃会产生一下反应：
反应式五
反应式六
生成脲醛系列产品和甚至更长的化学链，和等脲醛系列产品在施肥以后，经过微生物的作用下，会释放出容易被植物吸收的N、C元素，其脲醛的链长越长，链需要断裂的时间越长，产生肥效的时间会在一定时间后释放出来，可以达到缓释的作用一般情况下，的释放肥效时间为0～40天，的释放肥效时间为40～80天。其脲醛的链长越长，链需要断裂的时间越长，产生肥效的时间会在一定时间后释放出来，可以达到缓释的作用。
名词说明：
磷酸脲(Ureaphosphate，UP)，CAS号为4861-19-2，分子式为CH7N2O5P，可表示为CO(NH2)2·H3PO4：
是一种广泛应用于畜牧业、工业、农业等领域的精细化工产品，其固体为白色结晶或结晶性粉末，易溶于水和醇，不溶于醚类、甲苯及四氯化碳，水溶液呈酸性，熔融时开始分解放出二氧化碳和氨气。
实施例一
本实施例提供的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，主要包括以下步骤：
1)采用磷酸与碳酰胺按照摩尔比为1.5：1混合，并以升温速度为6℃/min从80℃升温至160℃，搅拌反应4-5h，分离得到中间体；再采用该中间体与碱性钾盐按照摩尔比为1：1.1混合，调节pH值为8.5-9.0，反应结束后，获得含氮、磷、钾的料浆，并将含氮、磷、钾的料浆置于冷却结晶器中降温到35～40℃，进行结晶过滤处理，使滤液在冷却结晶器中循环结晶处理，获得的滤饼为磷酸二氢钾产品，检测滤液中的成分含量；其中所述的碱性钾盐可以为氢氧化钾固体、氧化钾固体，或氢氧化钾溶液。
2)向滤液中加入甲醛溶液，按照与碳酰胺的摩尔比为0.5：1混合，用氢氧化钾溶液、磷酸溶液和硫酸溶液调节溶液的pH值和氮、磷、钾成分的含量，其中所述的氢氧化钾溶液的浓度为10％，所述的磷酸溶液的浓度为15％，所述的硫酸溶液调节溶液25％，当检测到溶液中的pH值在3.5～4.0，当氮成分的含量为20-25％、磷成分含量为3-6％、钾成分含量为10-14％时，将温度升至55～75℃，搅拌0.5～1h；
3)将步骤2)中得到的溶液降温至15～20℃，进行结晶处理，得到化合态复合肥初成品，当化合态复合肥初成品中的氮成分的含量为18％、磷成分含量为5％、钾成分含量为8％时，停止结晶，该化合态复合肥初成品中含有根的磷酸钾复合肥和和的可控释肥。
4)将化合态复合肥初成品进行造粒，然后进行烘干制成大葱专用肥，烘干温度为45～50℃。
实施例二
本实施例提供的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，主要包括以下步骤：
1)采用磷酸与碳酰胺按照摩尔比为1.2：1混合，并以升温速度为6℃/min从80℃升温至160℃，搅拌反应4-5h，分离得到中间体；再采用该中间体与碱性钾盐按照摩尔比为1：1.4混合，调节pH值为8.5-9.0，反应结束后，获得含氮、磷、钾的料浆，并将含氮、磷、钾的料浆置于冷却结晶器中降温到35～40℃，进行结晶过滤处理，使滤液在冷却结晶器中循环结晶处理，获得的滤饼为磷酸二氢钾产品，检测滤液中的成分含量；其中所述的碱性钾盐可以为氢氧化钾固体、氧化钾固体，或氢氧化钾溶液。
2)向滤液中加入甲醛溶液，按照与碳酰胺的摩尔比为0.3：1混合，用氢氧化钾溶液、磷酸溶液和硫酸溶液调节溶液的pH值和氮、磷、钾成分的含量，其中所述的氢氧化钾溶液的浓度为15％，所述的磷酸溶液的浓度为10％，所述的硫酸溶液调节溶液30％，当检测到溶液中的pH值在3.5～4.0，当氮成分的含量为20-25％、磷成分含量为3-6％、钾成分含量为10-14％时，将温度升至55～75℃，搅拌0.5～1h；
3)将步骤2)中得到的溶液降温至15～20℃，进行结晶处理，得到化合态复合肥初成品，当化合态复合肥初成品中的氮成分的含量为23％、磷成分含量为2％、钾成分含量为13％时，停止结晶，化合态复合肥初成品中含有根的磷酸钾复合肥和和的可控释肥。
4)将化合态复合肥初成品进行造粒，然后进行烘干制成大葱专用肥，烘干温度为45～50℃。
实施例三
本实施例提供的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，主要包括以下步骤：
1)采用磷酸与碳酰胺按照摩尔比为1.4：1混合，并以升温速度为6℃/min从80℃升温至160℃，搅拌反应4-5h，分离得到中间体；再采用该中间体与碱性钾盐按照摩尔比为1：1.3混合，调节pH值为8.5-9.0，反应结束后，获得含氮、磷、钾的料浆，并将含氮、磷、钾的料浆置于冷却结晶器中降温到35～40℃，进行结晶过滤处理，使滤液在冷却结晶器中循环结晶处理，获得的滤饼为磷酸二氢钾产品，检测滤液中的成分含量；其中所述的碱性钾盐可以为氢氧化钾固体、氧化钾固体，或氢氧化钾溶液。
2)向滤液中加入甲醛溶液，按照与碳酰胺的摩尔比为0.4：1混合，用氢氧化钾溶液、磷酸溶液和硫酸溶液调节溶液的pH值和氮、磷、钾成分的含量，其中所述的氢氧化钾溶液的浓度为13％，所述的磷酸溶液的浓度为12％，所述的硫酸溶液调节溶液27％，当检测到溶液中的pH值在3.5～4.0，当氮成分的含量为20-25％、磷成分含量为3-6％、钾成分含量为10-14％时，将温度升至55～75℃，搅拌0.5～1h；
3)将步骤2)中得到的溶液降温至15～20℃，进行结晶处理，得到化合态复合肥初成品，当化合态复合肥初成品中的氮成分的含量为20％、磷成分含量为4％、钾成分含量为11％时，停止结晶，化合态复合肥初成品中含有根的磷酸钾复合肥和和的可控释肥。
4)将化合态复合肥初成品进行造粒，然后进行烘干制成大葱专用肥，烘干温度为45～50℃。
为了更好地证明本发明达到的有益效果，本实施例还提供以下实验例，具体如下：
实验例一
以普通的N、P、K混合肥做为肥料，其中氮成分的含量为20％、磷成分含量为4％、钾成分含量为11％，制成培养液，对大葱进行无土栽培，培养30天后，检测培养液中N、P、K成分的含量，同时观察其长势，命名为A1。
实验例二到实验例四
以实施例一到实施例三方法制作成功的大葱专用肥做为肥料，制成培养液，对大葱进行无土栽培，培养15天、30天、50天后，分别检测培养液中N、P、K成分的含量，同时观察其长势，分别命名为A2、A3、A4。
以上实验例中的培养液的浓度适宜，为现有技术，本实验例不多详细阐述，以上实验例以20株大葱为检测结果如表1、表2和表3：
表1：培养15天后N、P、K成分的含量
表2：培养30天后N、P、K成分的含量
表3：培养50天后N、P、K成分的含量
从表1～3可以看出，用普通的复合肥与本发明生产的大葱专用肥相比，培养第15天检测时，其N、P、K的吸收情况差别不大，但是到第30天检测时，本发明生产的大葱专用肥溶液中的N、P、K的含量明显低于普通专用肥的，到第50天检测时，普通的复合肥培养液中的N、P、K成分残留有60～80％未吸收，而本发明生产的大葱专用肥的培养液中的N、P、K成分只残留有30～40％未被吸收，说明本发明生产的大葱专用肥具有吸收率好的特点。
同时还提供一下实验例：
实验例五
以普通的N、P、K混合肥做为肥料，其中氮成分的含量为18％、磷成分含量为5％、钾成分含量为8％，种植大葱，栽培3个月后，观察大葱产量和葱头产量，命名为A2。
实验例六
以普通的N、P、K混合肥做为肥料，其中氮成分的含量为23％、磷成分含量为2％、钾成分含量为13％，种植大葱，栽培3个月后，观察大葱产量，命名为B2。
实验例七
以普通的N、P、K混合肥做为肥料，其中氮成分的含量为20％、磷成分含量为4％、钾成分含量为11％，种植大葱，栽培3个月后，观察大葱产量，命名为C2。
实验例八到实验例十
以实施例一到实施例三方法制作成功的大葱专用肥做为肥料，种植大葱，栽培3个月后，观察大葱产量和葱头产量，分别命名为D2、E2、F2。
统计结果如下：
表四：大葱产量
| 编号 | 产量(kg/亩) |
| A2 | 1850 |
| B2 | 1910 |
| C2 | 1810 |
| D2 | 2340 |
| E2 | 2410 |
| F2 | 2380 |
通过上表可以看出，使用该大葱专用肥种植的大葱，其产量比普通混合肥的产量高300～400kg/亩，其具有高效的特点。
Claims (8)
1.一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，主要包括以下步骤：
1)采用磷酸与碳酰胺混合，并以升温速度为3～8℃/min从80℃升温至160℃，搅拌反应4-5h，分离得到中间体；再采用该中间体与碱性钾盐按照摩尔比为1：(1.1-1.4)混合，调节pH值为8.5-9.0，反应结束后，进行冷却结晶过滤处理，使滤液在冷却结晶器中循环结晶处理，获得的滤饼为磷酸二氢钾产品，检测滤液中的成分含量；
2)向滤液中加入甲醛溶液，用氢氧化钾溶液、磷酸溶液和硫酸溶液调节溶液的pH值和氮、磷、钾成分的含量，当检测到溶液中的pH值在3.5～4.0，当氮成分的含量为20-25％、磷成分含量为3-6％、钾成分含量为10-14％时，将温度升至55～75℃，搅拌0.5～1h；
3)将步骤2)中得到的溶液降温至15～20℃，进行结晶处理，得到化合态复合肥初成品，所述的化合态复合肥初成品含有根的磷酸钾复合肥。
4)将化合态复合肥初成品进行造粒，然后进行烘干制成大葱专用肥。
2.如权利要求1所述的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，其特征在于：磷酸与碳酰胺混合的按照摩尔比为(1.2-1.5)：1。
3.如权利要求1所述的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，其特征在于：所述的加入的甲醛溶液与溶液中的碳酰胺的摩尔比为(0.3～0.5)：1。
4.如权利要求1所述的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，其特征在于：所述的氢氧化钾溶液的浓度为10～15％。
5.如权利要求1所述的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，其特征在于：所述的磷酸溶液的浓度为10～15％。
6.如权利要求1所述的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，其特征在于：所述的硫酸溶液调节溶液25～30％。
7.如权利要求1所述的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，其特征在于：所述的结晶处理为：当化合态复合肥初成品中的氮成分的含量为18-23％、磷成分含量为2-5％、钾成分含量为8-13％时，停止结晶。
8.如权利要求7所述的一种制备磷酸二氢钾副产大葱专用肥的生产方法，其特征在于：所述的化合态复合肥初成品富含和的可控释肥。
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