CN105753599A - 一种全海藻生物地膜及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种全海藻生物地膜及其制备方法，其特征是首先将褐藻用水浸泡，充分水洗干净，粉碎，加入1～200倍干褐藻重的水，再加入碱性钠盐，在室温～180℃反应0～100小时，冷却，加入保湿剂及营养成分，搅拌，铺膜，然后浸入到酸溶液中交联2～120分钟，沥水，再浸入到2价以上金属离子盐溶液交联2～60分钟，经冲洗干燥得到全海藻生物地膜。本发明是直接以褐藻为原料制备的一种全海藻生物地膜。该地膜不仅起到保墒、保水及除杂草作用，而且在6～12个月之间完全被土壤微生物降解，降解产物是一种良好的生物肥料，对土壤有积极修复作用，每亩使用成本约116.7元，所以更容易推广产业化大，便于规模化生产和推广使用。

Description

一种全海藻生物地膜及其制备方法

技术领域

本发明属于地膜制备技术领域，具体涉及一种海藻干地膜,即一种全海藻生物地膜及其制备方法。

背景技术

农用塑料地膜覆盖技术自1979年以来，在国内农业生产中得到了迅速推广，极大地提高了我国农作物产量如蔬菜、草莓、咖啡、烟草、瓜类、果树、棉花、花生、甜菜、水稻、小麦、玉米等。干旱缺水是制约中国农业生产和环境治理中的关键问题，地膜覆盖技术是解决干旱缺水的一项行之有效的重要技术措施。由于农用地膜具有保湿、保温、抗虫、防病、抑制杂草生长等作用，可保持土壤水分、提高水分利用率，缓解干旱半干旱地区土壤缺水问题，同时改善农作物生长环境，有利于作物生长发育，提高作物产量及农业效益，成为继化肥、农药后的第三大农资。目前，国内地膜覆盖面积在2600万hm²以上，果树1.49亿亩，土壤中地膜残留量一般在60-90kg/hm²，最高达165kg/hm²，使玉米减产11%-23%，小麦减产9%-16%，大豆减产5.5%-9%，蔬菜减产14.6%-59.2%。

我国农用地膜以每年10%的速度递增，用量现已超过230万吨，其覆盖面积和用量均列世界第一。但由于塑料薄膜是聚丙烯、聚氯乙烯成分，降解时间长达二三百年，且塑料地膜较薄，用后易破碎在农田中并夹杂了大量的沙土，很难回收利用，连年使用导致碎膜逐年累积于土壤耕层，造成土壤板结、通透性变差、根系生长受阻，后茬作物减产，“白色革命”的功臣已渐变为“白色污染”的祸首，且这一情况正在进一步恶化。日本、美国、意大利、法国和德国、加拿大等发达国家于上个世纪末相继着手研究可降解地膜，主要类型有：生物降解地膜、光降解地膜、光/生物降解地膜和利用植物纤维制成的可降解地膜等。生物降解地膜可分为化学合成高分子基地膜、天然高分子基地膜两大类，但只有所含的淀粉成分能降解，塑料成分不能降解。光降解地膜分为添加型光降解地膜和合成型光降解地膜两大类，光降解地膜降解速度快，很难控制，且这种地膜只有在光下才能降解，因此它的使用很受限制；光/生物双降解地膜能把地膜降解成小颗粒，短期内对作物生长不会有太明显的负面影响，但随着使用时间的延长，土壤中塑料颗粒逐渐增加，难以清除，可能带来比使用塑料地膜更严重的污染，不利于农业的可持续发展；美国日本等发达国家等也研究了以植物纤维基地膜，由于其易破损，不易机械化铺膜，同时价格较贵，难以大量推广应用。中国的研究机构和相关企业研究主要集中在PE中添加淀粉或改性淀粉，针对可生物降解地膜中除添加淀粉能够降解外，剩余大量PE或聚酯仍然残存而不能完全生物降解，还会对环境造成二次污染，严重影响土壤及粮食安全。

本发明研究团队为改变塑料地膜的缺陷，2013年成功研发了全生物降解的《一种海藻生物干地膜》技术，申请号为201310496202.5，并且已经获得授权，但是由于制备地膜的原料为海藻中提取的多糖-褐藻酸钠，价格高达6.5万元人民币/吨，制备的地膜成本为每平米约为1.0元人民币，合计每亩投入的地膜成本约为466.9元左右，成本较高，短期内实施推广的难度较大。

本技术全海藻生物地膜能够解决上述所有技术的不足，不仅起到保墒、保水及除杂草作用，而且能够被土壤微生物完全降解，降解产物为有机质，还是一种良好的生物肥料，对保护土壤环境保证粮食安全具有重要意义。本技术产品的另一个特点就是成本低，每平米约0.25元人民币，大田作物每亩按70%覆盖面积，投入的地膜成本约116.7元人民币，是用褐藻酸钠制备的海藻地膜成本的1/4，接近现有塑料地膜成本70～80元/亩，所以更容易推广产业化。我国大田覆盖作物2600万公顷，地膜产值达到650亿元人民币，果树1.49亿亩，地膜产值达到248亿元人民币，市场前景广阔。

本技术产品不仅具有地膜的特点和作用，并且还具备海洋生物功能性特点，如产品中的含微量元素、有机质等，对改良土壤、提高土壤肥力、增加作物产量、改良作物品质、增强作物抗逆、抗辐射、抗菌等功能，具有广阔的应用前景。技术产品符合国家资源合理配置和有效利用的要求，符合国家产业政策，符合环保和经济、社会可持续发展的要求，符合国家“十三五”规划产业政策。经查阅目前国内外尚无直接用褐藻制备海藻干地膜的相关报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种全海藻生物地膜，不仅可缓解干旱半干旱地区土壤缺水问题，改善农作物及果树生长环境，提高作物及果类产量，而且可解决世界大农业“白色污染”问题，大幅改善土壤环境，降低农业生产成本，有效改善作物品质、提高餐桌安全性。

本发明的全海藻生物地膜，是用如下方法制备的，首先将褐藻用水浸泡，充分水洗干净，粉碎，加入1～200倍干褐藻重的水，再加入碱性钠盐，在室温～180℃反应0～100小时，冷却，加入保湿剂及营养成分，搅拌，铺膜，然后浸入到酸溶液中交联2～120分钟，沥水，再浸入到2价以上金属离子盐溶液交联2～60分钟，经冲洗干燥得到全海藻生物地膜。

上述的褐藻包括日本海带、极北海藻、掌状海带、马尾藻、裙带菜、巨藻、泡叶藻、鹅掌藻、萱藻等大型褐藻。

上述的碱性钠盐在水溶液中质量百分数为0.01～40%，优选草酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、磷酸钠或柠檬酸钠。

上述的保湿剂在水溶液中的百分数为0.01～80%，优选壳聚糖、结冷胶、魔芋胶、琼胶、卡拉胶、果胶、刺槐豆胶、梧桐胶、黄原胶、瓜尔豆胶、明胶、丙三醇、可可油、凡士林、胆固醇、三酸甘油脂、棕榈酸、肉豆蔻酸和硬脂酸或动物性油脂。

上述的营养成分在水溶液的质量百分数为0.01～50%，优选氮磷钾、氨基酸微量元素、葡萄糖、植物生长素。

上述的酸溶液是指盐酸、硼酸、硫酸、草酸、磷酸、柠檬酸、乳酸，其在水溶液中的质量百分数为0.001～60%。

上述的2价以上金属离子盐在溶液中的质量百分数为0.01～30%，优选氯化钙、柠檬酸钙、葡萄糖酸钙、乳酸钙、硫酸锌、氯化锌、乳酸锌、葡萄糖酸锌、醋酸锌、氯化铝、硫酸铝、明矾。

本发明直接以褐藻为原料制备出一种全海藻生物地膜，保存了褐藻中所有的营养成分，吸水膨胀率小于120%，生物降解率大于99.0%，透光率小于50%。不仅起到保墒、保水及除杂草作用，而且能够被土壤微生物完全降解，降解产物为有机质，还是一种良好的生物肥料，褐藻中的含微量元素、蛋白质、脂肪酸、海藻酶、酚类及帖类物质等活性成分对改良土壤、提高土壤肥力、增加作物产量、改善良作物品质、增强作物抗逆、抗辐射、抗菌等有积极作用，具有广阔的应用前景。本技术产品属于环境友好型，在土壤中6～12个月之间达到完全降解，对土壤有积极修复作用，制备成本是褐藻酸钠制备海藻地膜成本的1/4，便于规模化生产和推广使用，以解决目前的“白色污染”，造福子孙后代。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的一种全海藻生物地膜进行详细描述。

本发明的直接用褐藻制备的全海藻生物地膜，是将将褐藻用水浸泡，充分水洗干净，粉碎，加入1～200倍干褐藻重的水，再加入碱性钠盐，在室温～180℃反应0～100小时，冷却，加入保湿剂及营养成分，搅拌，铺膜，然后浸入到酸溶液中交联2～120分钟，沥水，再浸入到2价以上金属离子盐溶液交联2～60分钟，经冲洗干燥得到全海藻生物地膜。

所述的褐藻可为干褐藻也可为鲜褐藻，干褐藻必须浸泡，便于将褐藻表面的沙子洗净，也便于粉碎成泥浆状，鲜褐藻无需浸泡。因为褐藻中的褐藻胶与酸或者2价以上金属盐交联形成凝胶膜，所以采用褐藻；所述的水洗是将褐藻表面的沙子洗掉，避免制备地膜时出现沙眼；所述的粉碎是采用粉碎机将湿褐藻打成成泥浆状，也可采用球磨机将湿褐藻磨成泥浆状，使非水溶性褐藻纤维块粒度变得更细小，避免制备的海藻干地膜表面出现破洞；所述的加入碱性钠盐是为了将褐藻中非水溶性的褐藻酸2价以上金属盐，转变为水溶性的褐藻酸钠，形成粘稠性液体，以便铺膜；所述的保湿剂是为了增加海藻干地膜的保水性和柔软性，便于田间操作；所述的营养成分是在地膜中加入氮磷钾、氨基酸微量元素、葡萄糖、植物生长素等营养成分，使海藻干地膜被土壤微生物降解后增加土地的肥力；所述的酸溶液包括无机酸和有机酸，使褐藻酸钠转变为褐藻酸弱凝胶，以增加海藻干地膜的韧性，同时中和加入的碱性钠盐；所述的2价以上金属离子盐包括无机结合的和和有机结合的，使褐藻酸钠转变为褐藻酸2价以上金属盐的强凝胶，增加海藻干地膜的强度。也可以将酸性溶液和2价以上金属离子盐混合，使形成的褐藻酸钠同时形成褐藻酸弱凝胶和褐藻酸盐强凝胶，以增加海藻干地膜的韧度和强度。所述的铺膜指将褐藻粘稠液均匀刮板至0.01～1.0mm厚度。

本技术得到的全海藻生物地膜有机物大于90%，水分小于18%，吸水膨胀率小于120%，透光率小于50%，拉伸强度大于100Mpa,土壤微生物降解周期为6～12个月。干膜拉伸强度为100MPa~150MPa，干膜伸长率为2.0%~5.0%，水溶性为0.05%5~0.1%，含水率为15%~20%。

实施例1

称取干海带5公斤加入50公斤自来水浸泡24小时，充分水洗干净，得到约40公斤湿海带，将湿海带用粉碎机粉碎成泥浆状，加入65公斤自来水和0.075Kg碳酸钠，在70℃条件下反应3小时，得到比较粘稠的泥浆状液体，冷却至30℃～40℃，再加入0.01公斤结冷胶、0.05公斤卡拉胶、0.5公斤丙三醇、0.025公斤壳聚糖搅拌，然后在不锈钢板（或有机玻璃板）上铺膜，然后将膜浸入盐酸质量百分数为2.0%的溶液中，交联10分钟，沥水，再将膜浸入到氯化钙质量百分数为2%的溶液中交联15分钟，再经自来水冲洗，80℃干燥1.5小时，得到全海藻生物地膜4.76公斤。

实施例2

称取干马尾藻5公斤加入50公斤自来水浸泡24小时，充分水洗干净，得到约40公斤湿马尾藻，将湿马尾藻用粉碎机粉碎成泥浆状，加入65公斤自来水和0.1Kg草酸钠，在90℃条件下反应2.5小时，得到比较粘稠的泥浆状液体，冷却至30℃～40℃，再加入0.01公斤壳聚糖、0.5公斤丙三醇、0.005公斤魔芋胶，搅拌，然后在不锈钢板（或有机玻璃板）上铺膜，然后将膜浸入硫酸酸质量百分数为1.0%、氯化锌质量百分数为2%的混合溶液中交联15～20分钟，再经自来水冲洗，120℃干燥30分钟，得到全降解生物全降解海藻干地膜4.63公斤。

实施例3本发明制备的海藻干地膜降解效果

以聚乙烯塑料地膜为对照，全海藻生物地膜为实验组。将全海藻生物地膜裁剪成8cm乘以8cm的正方形，在地膜的上下面铺一层纱布，埋于地下10cm处，定期取出进行测定。

随着降解时间的增加，全海藻生物地膜失重率逐渐增大，而对照组聚乙烯地膜则从开始到实验结束都未发生降解，失重率一直维持在0%，可见塑料地膜在土壤中难以降解。在降解的过程中，全海藻生物地膜在前90天降解比较缓慢，降解到70天时，膜的失重率只有16.43%。随着降解时间的继续增加，全海藻地膜迅速降解，从90天到180天，全海藻生物地膜的失重率由16.43%增加到76.26%，此时的海藻干地膜已经几乎全部降解。（图1是海藻地膜降解30天，图2是海藻地膜降解60天，图3是海藻地膜降解90天，图4是海藻地膜降解120天，图5是海藻地膜降解150天，图6是海藻地膜降解180天）。跟踪土壤中本发明全海藻生物地膜和塑料地膜的降解情况，发现本发明地膜前期缓慢被土壤微生物降解，到180天左右达到完全降解，其降解的成分为褐藻胶低聚糖，是一种良好的植物肥料，可保护土壤环境。而且，本发明产品是以褐藻酸钠制备的海藻地膜成本的1/4，因为省去了从褐藻制备褐藻酸钠的所有程序,所以制造成本大幅降低。大田作物每亩按70%覆盖面积，投入的地膜成本约116.7元人民币，接近现有塑料地膜成本70～80元/亩，所以更容易容推广及产业化。

具体情况见说明书附图，图1为30天，图2为60天，图3为90天，图4为120天，图5为150天，图6为180天。

Claims (8)

1.一种全海藻生物地膜及其制备方法，其特征是将褐藻用水浸泡，充分水洗干净，粉碎，加入1～200倍干褐藻重的水，再加入碱性钠盐，在室温～180℃反应0～100小时，冷却，加入保湿剂及营养成分，搅拌，铺膜，然后浸入到酸溶液中交联2～120分钟，沥水，再浸入2价以上金属离子盐溶液交联2～60分钟，经冲洗干燥得到本发明的全海藻生物地膜。

2.如权利要求1所述的褐藻为日本海带、极北海藻、掌状海带、马尾藻、裙带菜、巨藻、泡叶藻、鹅掌藻、萱藻等大型褐藻。

3.如权利要求1所述的碱性钠盐优选草酸钠、碳酸钠、碳酸氢钠、氢氧化钠、磷酸钠或柠檬酸钠，其在水溶液中质量百分数为0.01～40%。

4.如权利要求1所述的保湿剂优选壳聚糖、结冷胶、魔芋胶、琼胶、卡拉胶、果胶、刺槐豆胶、梧桐胶、黄原胶、瓜尔豆胶、明胶、丙三醇、可可油、凡士林、胆固醇、三酸甘油脂、棕榈酸、肉豆蔻酸和硬脂酸或动物性油脂，其在水溶液中的百分数为0.01～80%。

5.如权利要求1所述的营养成分优选氮磷钾、氨基酸微量元素、葡萄糖、植物生长素，其在水溶液的质量百分数为0.01～50%。

6.如权利要求1所述的酸优选盐酸、硼酸、硫酸、草酸、磷酸、柠檬酸、乳酸，其在水溶液中的质量百分数为0.001～60%。

7.如权利要求1所述的2价以上金属离子盐优选氯化钙、柠檬酸钙、葡萄糖酸钙、乳酸钙、硫酸锌、氯化锌、乳酸锌、葡萄糖酸锌、醋酸锌、氯化铝、硫酸铝、明矾，其在溶液中的质量百分数为0.01～30%。

8.权利要求1所述的全海藻生物地膜及其制备方法，其制备特征是将褐藻用水浸泡，水洗，粉碎，加碱性钠盐反应，冷却，加入保湿剂及营养成分，搅拌，铺膜，然后在酸溶液和2价以上金属离子盐溶液交联，再经冲洗干燥得到本发明的全海藻生物地膜。