CN105367346A - 一种用于土壤改良的缓释肥料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种用于土壤改良的缓释肥料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于土壤改良的缓释肥料及其制备方法与应用。该方法操作简单，成本较低，原料易得，效果显著，无二次污染，无毒无害，更加环保；磷矿粉通过高温和酸液进行活化，增加可溶磷含量，满足植物生长，同时加入农作物废弃物并负载铁盐，高温下生成疏松多孔的生物炭改良土壤，同时生成的氧化铁可吸附固定重金属，集土壤改良和缓释肥料于一体；活化磷矿粉提升了磷矿粉的利用率，缓解了磷矿资源短缺的现状，利用农作物废弃物实现了废物的二次利用。本发明制备的用于土壤改良的缓释肥料磷素的缓释效果好，既满足植物生物活性，有可避免磷素的流失；具有土壤重金属的吸附固定、改善土壤板结、增加土壤容重等优点，增加粮食产量，保证粮食安全。

Description

一种用于土壤改良的缓释肥料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于农业环境科学领域，涉及一种用于土壤改良的缓释肥料及其制备方法与应用，特别涉及一种利用磷矿粉和农作物废弃物负载铁盐并在酸液的活化作用下得到的用于土壤改良的缓释肥料及其制备方法与应用。
背景技术
随着经济与社会的不断发展，土壤退化问题日益突出，主要表现为土壤板结、侵蚀、盐碱化、酸化、元素失衡、重金属污染、有机质流失和动植物区系的退化等，严重限制了土地生产力的发展。目前全世界拥有耕地大约7亿hm2，但每年平均大约有500万hm2的土地因退化而不能生产粮食。我国土地资源更不容乐观，各地每年受污染耕地面积接近700万hm2。由于诸多原因导致土壤肥力下降，中低产田面积也在不断扩大，大约占耕地面积的2/3。由于人们不合理的耕作、轮作及过度施用化肥、农药、杀虫剂等，导致黄淮海平原沙地大约200万hm2的土壤退化非常严重。土壤重金属污染，产生严重的食品安全问题，人类健康受到威胁。如何保持土壤质量、改善酸碱土壤、解除土壤毒性、减少土传病害传播，成为人们关注的焦点。
为了改善土壤现状，目前应用最多的是土壤改良剂，土壤改良产品种类繁多，如松土剂、固沙剂、增肥剂、消毒剂、降酸碱剂、土壤改良剂、土壤调节剂、土壤调理剂、保水剂、土壤改良调节剂等。
生物炭和木炭的生产过程几乎相同，即生物质材料在无氧或缺氧条件下经高温热解，除去挥发性的油和气，剩下的物质就是生物炭。用于生产生物炭的基质材料非常广泛，木材、农作物废弃物，甚至部分城市垃圾都可以作为生物炭的基质。向土壤中施入生物炭可以减小土壤的抗张力强度和土壤密度，从而改善土壤质量。抗张力强度减小会使种子易发芽，同时利于根系的伸长生长，促进土壤生物在土壤中的移动；土壤密度的降低，可使土壤具有更大的孔隙度，保持更多的水分、空气和养分，进而影响土壤的水含量、根分布和土壤动物群。生物炭本身具有微孔结构和较强的吸附作用，使其能够吸附更多的矿物质元素。生物炭还能激活部分稳定态元素，使其成为活化态，因而生物炭能增加土壤的阳离子交换量(CEC)。生物炭施入土壤后，生物炭初期的表面官能团氧化，但随着在土壤中存在时间的延长，表面钝化后的生物炭与土壤相互作用产生一种保护基质，增加土壤有机质的氧化稳定性，提高土壤有机碳的积累。由于生物炭表面结构的多样性，无论疏水性物质、亲水性的物质，还是酸性物质、碱性物质，都能被生物炭所吸附。生物炭因其多孔结构，成为藻类、细菌、真菌、土壤动物的栖息场所，增加了土壤生物多样性。我国的农作物废弃物包括稻草、谷壳、秸秆等的产量巨大，处理的方式主要是焚烧，产生的气体会产生严重的大气污染，且没有产生经济效益，是一种资源的严重浪费。把它做成生物炭，以肥料的形式还田，即避免了环境污染也产生了一定的经济效益。
从已有的研究和应用来看，土壤重金属污染主要有3种治理策略(净化、钝化和避害策略)和4类治理技术(物理、化学、生物和生态技术)。纳米氧化铁被证实具有很好的吸附性能，它能够吸附固定重金属元素，且其制备方法简单。把它应用于土壤中，可以吸附固定土壤中的Cr、Cd、Pb、Cu等重金属，使其免于流向粮食作物，保证粮食安全，降低人类健康风险。同时，铁元素在地球上含量丰富，铁是植物生长必需的营养元素之一，它参与植物叶绿素的合成、呼吸作用和氧化还原反应等生理过程，人们对铁肥的研究也开始慢慢深入。
磷是植物生长发育的必需元素之一，对保障作物生长及产量起着不可替代的作用。由于磷肥的低利用率和磷对水体的污染，再加上我国磷矿资源比较短缺，磷矿粉的利用率很低，提高磷肥的利用率研究具有极其重要的现实意义。肥料中磷的释放特性是很重要的，从农学观点看，土壤中既要保持足够浓度的水溶性磷酸根离子，又要使被土壤固定的磷达最小限度。所以，制备一种理想的缓释磷肥很重要，其养分在土壤中的溶解速率和浓度应使植物保持最大的生物活性。
发明内容
为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种用于土壤改良的缓释肥料的制备方法。该方法操作简单，成本较低，原料易得，效果显著；磷矿粉通过高温和酸液进行活化，增加可溶磷含量，满足植物生长，同时加入农作物废弃物并且负载铁盐，高温下生成疏松多孔的生物炭改良土壤，同时生成的氧化铁可以吸附固定重金属，集土壤改良和缓释肥料于一体。
本发明的另一目的在于提供通过上述制备方法制得的用于土壤改良的缓释肥料。
本发明的再一目的在于提供上述用于土壤改良的缓释肥料的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)磷矿粉加酸液活化，其间不断搅拌；酸液浓度保持在0.1～1mol/L，磷矿粉的质量为30～80％；
(2)活化后加入铁盐溶液和农作物废弃物共同混合，其间不断加热搅拌，至粘稠状，获得粘稠状物；铁盐浓度保持在0.1～1mol/L，农作物废弃物的质量为10～50％；
(3)将步骤(2)得到的粘稠状物进行碳化，冷却后粉碎成粉末；
(4)将步骤(3)得到的粉末用粘合剂交联，挤压成肥料颗粒，得到最终的用于土壤改良的缓释肥料。
步骤(1)中所述的酸液优选为盐酸、硫酸和磷酸等酸性溶液中的一种或者几种的混合溶液；
步骤(1)中所述的活化的条件优选为50～100℃活化0.5～5h；更优选为80℃活化3h；
步骤(2)中所述的铁盐为二价铁盐或者三价铁盐；优选为氯化铁、氯化亚铁和硫酸亚铁等含铁化合物中的至少一种。
步骤(2)中所述的农作物废弃物为粉碎的农作物废弃物；
步骤(2)中所述的农作物废弃物优选为玉米秸秆、甘蔗渣、稻壳和谷壳中至少一种；
步骤(2)中所述的混合的条件优选为50～100℃混合0.5～3h；更优选为80℃混合2h；
步骤(3)中所述的碳化的条件优选为100～800℃碳化1～20min。
步骤(4)中所述的粘合剂优选为糊精、环糊精和羧甲基纤维素等中的至少一种。
一种用于土壤改良的缓释肥料，通过上述制备方法制备得到；
所述的用于土壤改良的缓释肥料可应用于耕地土壤改良和提供磷素，满足农作物生长。
本发明的原理是：磷矿粉通过高温或者加酸进行活化，提高磷的释放，满足植物生长所需磷素。再添加秸秆、甘蔗渣、稻壳等物质(农作物废弃物)，增加含碳量，高温下生成疏松多孔的生物炭，改良土壤。负载铁盐后，利用化学动力学的电子转移原理和物理吸附原理，吸附固定土壤中的重金属，降低重金属污染。将以上优点结合在一起，就构成了一种集土壤改良与磷素缓释于一体的的新型肥料，成本较低，制备简单。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明的原料为磷矿粉和农作物废弃物，廉价易得，活化磷矿粉提升了磷矿粉的利用率，缓解了磷矿资源短缺的现状，利用农作物废弃物实现了废物的二次利用。
(2)本发明的制备方法简单，无二次污染，无毒无害，更加环保。
(3)本发明制备的用于土壤改良的缓释肥料具有土壤重金属的吸附固定、改善土壤板结、增加土壤容重等优点，增加粮食产量，保证粮食安全。
(4)本发明制备的用于土壤改良的缓释肥料磷素的缓释效果好，既满足植物生物活性，有可以避免磷素的流失。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
(1)磷矿粉加盐酸活化0.5h，其间不断100℃加热搅拌。盐酸浓度保持在1mol/L，磷矿粉的质量为30％；
(2)活化后加入硫酸亚铁溶液和粉碎的农作物废弃物(玉米秸秆)共同混合0.5h，其间在100℃下不断加热搅拌，至粘稠状，获得粘稠状物。硫酸亚铁浓度保持在0.1mol/L，农作物废弃物的质量为50％；
(3)将步骤(2)得到的粘稠状物在100℃下碳化1min，冷却后粉碎成粉末。
(4)将步骤(3)得到的粉末用糊精交联，挤压成肥料颗粒，就得到最终的用于土壤改良的缓释肥料。
实施例2
(1)磷矿粉加硫酸活化3h，其间不断80℃加热搅拌。硫酸浓度保持在0.5mol/L，磷矿粉的质量为50％；
(2)活化后加入氯化铁溶液和粉碎的农作物废弃物(玉米秸秆和稻壳混合物)共同混合2h，其间在80℃下不断加热搅拌，至粘稠状，获得粘稠状物。氯化铁浓度保持在0.5mol/L，农作物废弃物的质量为25％；
(3)将步骤(2)得到的粘稠状物在500℃下碳化10min，冷却后粉碎成粉末。
(4)将步骤(3)得到的粉末用羧甲基纤维素交联，挤压成肥料颗粒，就得到最终的用于土壤改良的缓释肥料。
实施例3
(1)磷矿粉加磷酸活化5h，其间不断50℃加热搅拌。磷酸浓度保持在1mol/L，磷矿粉的质量为80％；
(2)活化后加入氯化亚铁溶液和粉碎的农作物废弃物(玉米秸秆、甘蔗渣、稻壳和谷壳混合物)共同混合3h，其间在50℃下不断加热搅拌，至粘稠状，获得粘稠状物。氯化亚铁浓度保持在1mol/L，农作物废弃物的质量为10％；
(3)将步骤(2)得到的粘稠状物在800℃下碳化20min，冷却后粉碎成粉末。
(4)将步骤(3)得到的粉末用环糊精交联，挤压成肥料颗粒，就得到最终的用于土壤改良的缓释肥料。
实施例4
(1)磷矿粉加盐酸、硫酸和磷酸的混合酸液(摩尔比1：1：1)活化3h，其间不断50℃加热搅拌。酸液浓度保持在0.1mol/L，磷矿粉的质量为70％；
(2)活化后加入氯化铁、氯化亚铁和硫酸亚铁混合溶液(摩尔比1：1：1)和粉碎的农作物废弃物(甘蔗渣)共同混合2h，其间在50℃下不断加热搅拌，至粘稠状，获得粘稠状物。铁盐溶液浓度保持在1mol/L，农作物废弃物的质量为20％；
(3)将步骤(2)得到的粘稠状物在800℃下碳化5min，冷却后粉碎成粉末。
(4)将步骤(3)得到的粉末用糊精、环糊精和羧甲基纤维素混合体系(质量比1：1：1)交联，挤压成肥料颗粒，就得到最终的用于土壤改良的缓释肥料。
实施例5
下面通过相关实验数据进一步说明本发明的有益效果。
本发明具体实施例制备的用于土壤改良的缓释肥料在纯水中模拟磷素的缓释效果，通过测量溶液的吸光度计算磷素缓释量。下面是以实施例3制备的用于土壤改良的缓释肥料为例得到的实验数据。实施例1、2、4所制备的土壤改良缓释肥料的磷素释放量与磷矿粉的用量有关，都可满足农作物的生长需要。
取1g实施例3制备得到的用于土壤改良的缓释肥料放入1L纯水溶液，25℃等温条件下，每隔一段时间取2mL溶液，过滤后，取1mL测紫外吸光度，计算磷素含量。从表1的实验数据可以看出，两天的释放率达到33.9％，随着时间的增加，磷素的释放量不断增加，60天时释放率达到72.8％。
表1制备的样品在不同时间磷素的释放量
表2制备的样品对重金属的吸附量
重金属种类 Cr Cd Pb Cu
吸附量mg/g 6.489 0.42 1.16 0.455
分别取1g实施例3制备得到的用于土壤改良的缓释肥料放入1L20mg/L重金属Cr、Cd、Pb、Cu的溶液，25℃等温条件下，2h后测原子吸收，结果见表2，得到对Cr、Cd、Pb、Cu的吸附量分别为6.489mg/g、0.42mg/g、1.16mg/g和0.455mg/g，对Cr的吸附量最大，对其他重金属也有一定的吸附固定作用，可以改善土壤重金属污染情况。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)磷矿粉加酸液活化，其间不断搅拌；酸液浓度保持在0.1～1mol/L，磷矿粉的质量为30～80％；
(2)活化后加入铁盐溶液和农作物废弃物共同混合，其间不断加热搅拌，至粘稠状，获得粘稠状物；铁盐浓度保持在0.1～1mol/L，农作物废弃物的质量为10～50％；
(3)将步骤(2)得到的粘稠状物进行碳化，冷却后粉碎成粉末；
(4)将步骤(3)得到的粉末用粘合剂交联，挤压成肥料颗粒，得到最终的用于土壤改良的缓释肥料。
2.根据权利要求1所述的用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的酸液为盐酸、硫酸和磷酸中的一种或者几种的混合溶液。
3.根据权利要求1所述的用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的活化的条件为50～100℃活化0.5～5h。
4.根据权利要求1所述的用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的铁盐为二价铁盐或者三价铁盐；
步骤(2)中所述的农作物废弃物为粉碎的农作物废弃物。
5.根据权利要求1所述的用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的铁盐为氯化铁、氯化亚铁和硫酸亚铁中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的混合的条件为50～100℃混合0.5～3h。
7.根据权利要求1所述的用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的碳化的条件为100～800℃碳化1～20min。
8.根据权利要求1所述的用于土壤改良的缓释肥料的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的粘合剂为糊精、环糊精和羧甲基纤维素中的至少一种。
9.一种用于土壤改良的缓释肥料，其特征在于：通过权利要求1～8任一项所述的制备方法制备得到。
10.权利要求9所述的用于土壤改良的缓释肥料在耕地土壤改良中的应用。
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