CN104355784A - 一种粉煤灰凝胶缓释肥料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于肥料领域，具体涉及一种粉煤灰凝胶缓释肥料及其制备方法。本发明一种粉煤灰凝胶缓释肥料，以燃料厂的固体废弃物-粉煤灰为原料，通过离子束照射将粉煤灰进行改性，采用活性激发剂激发使其形成一种具有三维网状结构的凝胶溶液，在形成凝胶的过程中，粉煤灰的表面能增加，吸附能力增强，与化肥溶液混合后可以吸附大量的化肥，使化肥被吸附后固定在凝胶网络结构中，从而有效减缓化肥释放和分解的速度，达到缓释的目的。本发明的缓释肥料能分散在水溶液中形成凝胶，可以和水一起灌溉施肥，有利于实现水肥一体化，且原料来源广泛、生产工艺简单，对促进农作物产量的提高具有积极意义。

Description

一种粉煤灰凝胶缓释肥料及其制备方法
技术领域
本发明属于缓释肥料领域，特别涉及一种粉煤灰凝胶缓释肥料及其制备方法。
背景技术
中国是农业大国，随着农业技术的不断发展，肥料在农业中的地位越来越重要，但是传统化肥在粮食增长的贡仅献率为46.3%，因为在农业生产过程中，传统肥料的大量淋失和挥发使土壤肥力下降，农作物质量降低，造成大量的经济损失，同时还会对土壤环境造成环境。此外，中国的水资源严重匮乏，用于农作耕种的水源更是尤为珍贵，农业发展的方向逐渐向资源节约型转化，将灌溉和施肥同时进行，即实行水肥一体化成为农业发展的必要趋势。因此，为了适合水肥一体化，提高肥料利用率，需要寻找新型肥料代替传统肥料。
目前适合水肥一体化的新型肥料主要是水溶肥。水溶肥是一种完全溶于水的多元复合肥料，能迅速的溶解在水中，容易被作物吸收，提高肥料利用率，适用于喷滴灌等农业设施，可以实现水肥一体化。但是水溶肥在实际使用过程中仍存在以下问题：一是在水肥一体化施肥过程中，水肥易集中在较小的区域，长期高浓度的施肥会对作物根系造成“厌肥症”；二是由于水溶肥的溶解速率快，作物在一定时期内对养分的吸收有限，肥料养分很容易随着水土流失，造成水溶肥的浪费。
中国专利公开号CN102924188A公开了一种磷酸钾铵复合水溶肥，直接将氮源、磷源、钾源和微量元素简单混合，溶解性好，但是在灌溉施肥中的磷肥容易被土壤固定，很难达到有效供给作物根部的目的，同时多余的氮、钾肥易随水分流失，造成肥料养分的浪费。
中国专利公开号CN103539508A公开了一种大量元素水溶肥料及其制备方法，该方法将尿素、磷酸一铵、硫酸钾或氯化钾等混合搅拌，再加入磷酸、腐殖酸和硼酸进行混合搅拌，解决硫酸钾或氯化钾的溶解问题，但是在实际使用过程中，由于各组分水含量较高，很容易结块，各种化合物直接混合容易发生反应产生一些水不溶物，在喷施过程中容易堵塞喷头。
缓释肥的养分释放速度和数量具有一定的可控性，可以根据作物生长需要释放养分，一次施用就可满足作物各个生产阶段的需求，提高肥料的利用率。但目前的缓释肥均为固体施肥方式，如中国专利号CN102826920A公开的一种以珍珠岩为载体的复混缓释肥料、中国专利公开号CN103333033A公开的低甲醛脲醛树脂-石膏-膨润土基缓释肥料的制备方法、中国专利公开号为CN102910977A公开的一种复合型缓释肥料及其制备方法和应用等，均采用的是不溶或难溶型化合物对肥料进行包裹或负载，不能溶解在水中，因此不能实现水肥一体化，造成人力资源及时间的浪费。
根据上述，为了提高肥料的使用效率，需要进一步研发既能适合水肥一体化，又能提高肥料利用率即保持缓释性能的新型肥料。
发明内容
本发明针对上述不足与缺陷，提出一种粉煤灰凝胶缓释肥料。该缓释肥利用燃料厂的主要固体废弃物-粉煤灰为原料，通过离子束照射改性，采用活性激发剂激发使其形成硅铝酸盐微凝胶，该微凝胶具有三维网络结构，比表面积增大，具有较强的吸附能力，可以吸附大量的化肥，使化肥固定在网络结构中，降低肥料分子的迁移率和挥发性，达到缓释的效果。该缓释肥能分散在水溶液中形成凝胶，可以和水一起灌溉，凝胶在水溶液中吸水溶胀，固定在凝胶网络结构中的肥料养分达到释放，可以实现水肥一体化。本发明进一步的目的是提供一种粉煤灰凝胶缓释肥料的制备方法。
一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征是一种由粉煤灰凝胶和化肥组成的缓释肥，其中粉煤灰凝胶是将粉煤灰通过离子束照射改性，采用活性激发剂反应生成的。。
其中，所述的化肥为尿素、过磷酸钙、重过磷酸钙、磷酸二氢钾、硝酸钾、氯化钾、硫酸钾中的一种或多种；所述的粉煤灰为火力发电厂用于燃烧发电后排放的灰渣，其中SiO2的含量为30～50%，Al2O3的含量为20～35%；所述的活性激发剂为碳酸钠、醋酸钠、磷酸钠、三聚磷酸钠中的任意一种。
其中，所述的离子束照射为氮离子束照射，能量范围5-20keV，剂量800×2.0×1013ions/cm2～1000×2.0×1013 ions/cm2。
本发明所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征在于具体制备方法包括以下步骤：
（1）将10-30重量份的粉煤灰投入到球磨机中研磨5-15min，粒径为300-800目；
（2）将研磨后的粉煤灰投入到离子束照射装置中，设置能量范围5-20keV，剂量800×2.0×1013ions/cm2～1000×2.0×1013 ions/cm2，选用氮离子束对活动中的粉煤灰照射10-15min，得到改性粉煤灰；
（3）将改性后的粉煤灰投入到微波反应器中，与2mol/L的活性激发剂溶液按2.5-2.8的固液比配制成混合液，设置微波参数：温度60-80℃、转速200-500 r/min，反应20-40 min，得到粉煤灰凝胶液；
（4）将60-80重量份的化肥溶解在水中配成饱和溶液，将化肥饱和溶液加入到步骤（2）中的凝胶液中，控制温度40-60℃，以500-800 r/min速度搅拌10-20 min，得到粉煤灰凝胶和化肥的混合物；
(5) 将步骤（4）中的混合物在100-120℃下干燥20-40 min，得到粉煤灰凝胶缓释肥料。
上述步骤（1）中将粉煤灰投入球磨机中研磨至300目以上。因为粉煤灰粒径越小，其表面积越大，粉煤灰反应活性就越好，化学反应速度就会明显加快。因此通过圆锥球磨机，采用干法球磨方式，粉煤灰通过中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓，该仓内有阶梯或波纹衬板，筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下，对粉煤灰产生重击和研磨作用。粉煤灰在第一仓达到粗磨后，经单层隔仓板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，将粉煤灰进一步研磨，保证其粒径为300-800目。
上述步骤（2）中所使用的离子束照射装置包括两台离子束供给装置，在用于向基板进行离子束照射的处理室中分别向所述基板的上半部分和下半部分照射所述离子束。
上述步骤（3）中所使用的微波反应器中置有磁力搅拌器，搅拌速度连续可调并实时显示，温度控制范围：0-250℃，微波法不但起到晶种的作用，而且利用其快速加热的特点可以缩短化学反应的时间，有利于粉煤灰凝胶的形成。
上述步骤（5）中所使用的干燥机为滚筒干燥机，干燥物料热源为热空气，温度范围为50-150℃。
本发明以燃料固体废弃物粉煤灰为原料，粉煤灰中含量植物生长所需要的常规元素和微量元素，如可溶性硅、钾、磷、铁、铜、锌、锰等，还可以改善土壤透气性，透水性，调节土壤酸碱度，为植物生长提供所需的水肥气等条件，同时粉煤灰还具有固化重金属元素活性的功能，改善土壤环境。通过活性剂激发，粉煤灰能够生成一种凝胶材料，该凝胶材料可以分散在水溶液中，具有一定的流动性。本发明中用氮离子束照射来改性粉煤灰，通过离子束照射，破坏粉煤灰的玻璃体结构，使玻璃体表面坚固的保护膜破裂，使内部的SiO2、Al2O3断键加剧，活化组分增加，提高粉煤灰的化学活性；将改性后的粉煤灰溶解在活性激发剂溶液，活性激发剂的水溶液呈碱性，在碱性溶液中，粉煤灰中的颗粒表面的Si-O和Al-O键断裂，使硅铝相溶解分离，形成硅铝酸铝盐，当铝酸铝盐处于饱和状态时体系出现凝胶化反应，使其结构发生变化，随着凝聚作用形成一种三维网络结构，不仅使其比表面积显著增加，增加了其吸附能力，能够吸附大量的肥料养分；而且使其层间距增加，使硅酸铝凝胶之间的聚合及硅酸铝与肥料养分的聚合更容易发生，起到固定肥料养分的作用，从而有效减缓肥料养分释放和分解的速度，达到缓释的效果。
本发明的突出特点和有益效果在于：
1、本发明利用粉煤灰为原料，通过离子束照射改性，采用活性激发剂激发使其形成硅铝酸盐微凝胶，形成一种三维网络结构，具有较强的吸附能力，可以吸附大量的肥料养分，通过聚合使化肥固定在网络结构中，降低肥料分子的迁移率和挥发性，达到缓释的效果；同时该缓释肥能分散在水溶液中，形成水凝胶，凝胶吸水溶胀释放部分肥料养分，与水一起施入土壤，供植物吸收。
2、本发明以燃料固体废弃物粉煤灰为原料制备缓释肥，一方面粉煤灰自身能为植物生长提供所需的营养成分，并改善土壤环境；一方面利用粉煤灰凝胶化与化肥结合制备缓释肥，不仅提供固体废弃物资源的利用途径，而且可以大量消解废弃物，提高资源利用化。
3、本发明中的营养成分可以根据作物所需，选择合适的酸碱性无机肥料进行复配，改善土壤环境的酸碱性，促进作物生长；同时该凝胶缓释肥具有环境友好性，在水溶液具有一定的流动性，可以在灌溉过程中施用，有利于实现水肥一体化，提高肥料利用率。
附图说明
附图1是本发明一种粉煤灰凝胶缓释肥制备的工艺流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施方式对本发明进行详细的阐述，并不限制于本发明。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
实施例1
（1）将30重量份的粉煤灰投入到球磨机中研磨5min，粒径为300目；
（2）将研磨后的粉煤灰投入到离子束照射装置中，选用能量5keV，剂量1000×2.0×1013 ions/cm2，选用氮离子束对活动中的粉煤灰照射10min，得到改性粉煤灰；
（3）将改性后的粉煤灰投入到微波反应器中，与2mol/L的碳酸钠溶液按2.5的固液比配制成混合液，设置微波参数：温度60℃、转速200 r/min，反应40 min，得到粉煤灰凝胶液；
（4）将40重量份的过磷酸钙和40重量份的氯化钾溶解在水中配成饱和溶液，将化肥饱和溶液加入到步骤（2）中的凝胶液中，控制温度40℃，以800 r/min速度搅拌20 min，得到粉煤灰凝胶和化肥的混合物；
(5) 将步骤（4）中的混合物在100℃下干燥40 min，得到粉煤灰凝胶缓释肥料。
实施例2
（1）将20重量份的粉煤灰投入到球磨机中研磨10min，粒径为500目；
（2）将研磨后的粉煤灰投入到离子束照射装置中，设置能量范围10keV，剂量900×2.0×1013ions/cm2，选用氮离子束对活动中的粉煤灰照射12min，得到改性粉煤灰；
（3）将改性后的粉煤灰投入到微波反应器中，与2mol/L的醋酸钠溶液按2.6的固液比配制成混合液，设置微波参数：温度70℃、转速300 r/min，反应30 min，得到粉煤灰凝胶液；
（4）将40重量份的尿素、20重量份的过磷酸钙和10重量份的硝酸钾溶解在水中配成饱和溶液，将化肥饱和溶液加入到步骤（2）中的凝胶液中，控制温度50℃，以700 r/min速度搅拌15 min，得到粉煤灰凝胶和化肥的混合物；
(5) 将步骤（4）中的混合物在110℃下干燥30 min，得到粉煤灰凝胶缓释肥料。
实施例3
（1）将10重量份的粉煤灰投入到球磨机中研磨15min，粒径为800目；
（2）将研磨后的粉煤灰投入到离子束照射装置中，设置能量范围15keV，剂量800×2.0×1013ions/cm2，选用氮离子束对活动中的粉煤灰照射15min，得到改性粉煤灰；
（3）将改性后的粉煤灰投入到微波反应器中，与2mol/L的磷酸钠溶液按2.7的固液比配制成混合液，设置微波参数：温度80℃、转速400 r/min，反应25 min，得到粉煤灰凝胶液；
（4）将40重量份的磷酸二氢钾和20重量份的硫酸钾溶解在水中配成饱和溶液，将化肥饱和溶液加入到步骤（2）中的凝胶液中，控制温度60℃，以600 r/min速度搅拌10 min，得到粉煤灰凝胶和化肥的混合物；
(5) 将步骤（4）中的混合物在120℃下干燥20min，得到粉煤灰凝胶缓释肥料。
实施例4
（1）将30重量份的粉煤灰投入到球磨机中研磨10min，粒径为800目；
（2）将研磨后的粉煤灰投入到离子束照射装置中，设置能量范围20keV，剂量800×2.0×1013ions/cm2，选用氮离子束对活动中的粉煤灰照射10min，得到改性粉煤灰；
（3）将改性后的粉煤灰投入到微波反应器中，与2mol/L的三聚磷酸钠溶液按2.8的固液比配制成混合液，设置微波参数：温度60℃、转速500 r/min，反应20 min，得到粉煤灰凝胶液；
（4）将60重量份的氯化钾溶解在水中配成饱和溶液，将化肥饱和溶液加入到步骤（2）中的凝胶液中，控制温度60℃，以800 r/min速度搅拌10 min，得到粉煤灰凝胶和化肥的混合物；
(5) 将步骤（4）中的混合物在120℃下干燥20 min，得到粉煤灰凝胶缓释肥料。

Claims (10)

1.一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征是一种由粉煤灰凝胶和化肥组成的缓释肥，其中粉煤灰凝胶是将粉煤灰通过离子束照射改性，采用活性激发剂反应生成的。
2.根据权利要求1所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征在于所述的化肥为尿素、过磷酸钙、重过磷酸钙、磷酸二氢钾、硝酸钾、氯化钾、硫酸钾中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征在于所述的粉煤灰为火力发电厂用于燃烧发电后排放的灰渣，其中SiO2的含量为30～50%，Al2O3的含量为20～35%。
4.根据权利要求1所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征在于所述的离子束照射为氮离子束照射，能量范围5-20keV，剂量800×2.0×1013ions/cm2～1000×2.0×1013 ions/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征在于所述的活性激发剂为碳酸钠、醋酸钠、磷酸钠、三聚磷酸钠中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料，其特征在于具体制备方法包括以下步骤：
（1）将10-30重量份的粉煤灰投入到球磨机中研磨5-15min，粒径为300-800目；
（2）将研磨后的粉煤灰投入到离子束照射装置中，设置能量范围5-20keV，剂量800×2.0×1013ions/cm2～1000×2.0×1013ions/cm2，选用氮离子束对活动中的粉煤灰照射10-15min，得到改性粉煤灰；
（3）将改性后的粉煤灰投入到微波反应器中，与2mol/L的活性激发剂溶液按2.5-2.8的固液比配制成混合液，设置微波参数：温度60-80℃、转速200-500 r/min，反应20-40 min，得到粉煤灰凝胶液；
（4）将60-80重量份的化肥溶解在水中配成饱和溶液，将化肥饱和溶液加入到步骤（2）中的凝胶液中，控制温度40-60℃，以500-800 r/min速度搅拌10-20 min，得到粉煤灰凝胶和化肥的混合物；
(5) 将步骤（4）中的混合物在100-120℃下干燥20-40 min，得到粉煤灰凝胶缓释肥料。
7.根据权利要求6所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料的制备方法，其特征在于步骤（1）中所使用的球磨机为圆锥球磨机，采用干法球磨方式，物料通过中空轴螺旋均匀地进入磨机第一仓，该仓内有阶梯或波纹衬板，筒体转动产生离心力将钢球带到一定高度后落下，对物料产生重击和研磨作用，物料在第一仓达到粗磨后，经单层隔仓板进入第二仓，该仓内镶有平衬板，将物料进一步研磨。
8.根据权利要求6所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料的制备方法，其特征在于步骤（2）中所使用的离子束照射装置包括两台离子束供给装置，在用于向基板进行离子束照射的处理室中分别向所述基板的上半部分和下半部分照射所述离子束。
9.根据权利要求6所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料的制备方法，其特征在于步骤（3）中所使用的微波反应器中置有磁力搅拌器，搅拌速度连续可调并实时显示，温度控制范围：0-250℃。
10.根据权利要求6所述的一种粉煤灰凝胶缓释肥料的制备方法，其特征在于步骤（5）中所使用的干燥机为滚筒干燥机，干燥物料热源为热空气，温度范围为50-150℃。
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