CN106748577A - 一种纳米胶‑蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥及其制备方法 - Google Patents

一种纳米胶‑蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纳米胶‑蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥及其制备方法，其特征在于以蔗渣生物炭、羧甲基纤维素、皂土、氮肥为肥芯，在肥芯表面以蔗叶纤维素为内层包膜，以环境敏感纳米胶为外层包膜。本发明使用的蔗渣生物炭和蔗叶富含氮、磷、钾、及有机质等土壤养分，肥效良好。本发明的纳米胶外层包膜能够随外界环境温度、pH变化作出响应，通过纳米胶的收缩/溶胀过程形成了水肥一体化缓控释体系，不仅充分提高了氮肥的缓释效果，同时也改善了水分资源的利用效率。本发明的生产工艺简单、成本低廉、原料可再生，具有给肥智能化、肥效周期长、绿色环保等优点，对研发高效功能肥料并发展减肥增效的农业现代化产业技术兼具实用性与创新性。

Description

一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种缓释氮肥及其制备方法，具体涉及一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥及其制备方法，属肥料生产技术领域。
背景技术
氮肥对提高农作物产量和农业经济效益具有关键作用，但氮肥长期不合理施用造成我国农田土壤加速酸化和大量氮肥损失。我国的氮肥消费量占全球氮肥消费总量的近三分之一，而全国氮肥损失率却高达40-50%。超过作物吸收量的氮素残留在土壤中，通过淋移、径流、挥发、及农田氮生物循环过程，以NO3--N、N2O等活性氮的形式大量损失到环境中，导致我国氮肥污染问题日益严重。
与普通氮肥相比，缓释氮肥大大提高了氮肥的利用效率，在一定程度上缓解了氮肥损失引起的环境污染问题。目前缓释氮肥的制备通常采用包膜技术，其中包膜材料作为氮肥缓释载体对于增强肥料缓释、提高肥料利用效率以及指导农田施肥具有重要的作用。然而，传统的包膜材料往往缺乏区域环境适应性，其肥料缓控释性能得不到充分发挥，使得田间肥料实际利用效率严重偏低。与传统的包膜材料相比，环境敏感型高分子材料（如温度敏感性水凝胶、pH敏感性水凝胶）是一类理想的缓控释载体，其在养分肥料控释、水肥管理等方面具有应用潜力。
生物炭是一种新兴的低成本多功能材料，已被广泛用于农田土壤改良、温室气体减排以及环境污染修复等领域。生物炭具有网状多孔的表面结构，比表面积大、吸附能力强，因而作为目标物质吸附载体、土壤改良剂、肥料控释载体有广阔的应用空间。例如，生物炭在二氧化碳、氧化亚氮等温室气体减排方面引起广泛关注。由于农田土壤是温室气体排放的重要来源，生物炭作为一种潜在的减排措施近年来被用于各种不同农田生态系统中减排研究。据报道，生物炭通过增强酸性土壤中碳氮循环相关的微生物活性，明显减少了土壤中碳氮气体排放量。另外一方面，生物炭在农田土壤改良和农作物生产中也具有良好的应用前景。施用生物炭增加了土壤全碳含量、全氮含量及C/N比，促进碳氮的循环和固定，从而有利于提高农田土壤氮素生物有效性、增强土壤肥力，进而提高农作物产量。
甘蔗是我国最重要的糖料作物，其蔗糖产量占全国总食糖产量的90%以上。我国的甘蔗种植面积仅次于巴西和印度，主要分布于台湾、福建、广东、广西、海南等热带、亚热带区域。由于甘蔗是一种具有极高光合效率的C4植物，其生物学产量远超过同类的C4植物和传统的农作物。据统计，每年我国甘蔗叶的产量以及蔗糖生产过程所废弃的蔗渣总量达到了数亿吨，这些甘蔗叶和蔗渣大部分未得到充分利用而被直接燃烧掉，造成了严重的空气污染。事实上，甘蔗叶和蔗渣并非是真正的废弃物，其组成成分中含有大量的纤维素、半纤维素及木质素等有利用价值的有机物。因此，本发明选择甘蔗叶和蔗渣为原料，通过物理裂解和化学改性技术，制备出可再生环保型包膜材料。同时，结合采用环境敏感高分子纳米胶，研发出一种用于生产新型智能化缓释氮肥的制备方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥及其制备方法。本发明的纳米胶-蔗叶/蔗渣缓释氮肥具有原料可再生、成本低廉、生产工艺简单，且给肥智能化、肥效周期长、以及绿色环保等优点，本发明对于研发高效功能肥料并发展减肥增效的农业现代化产业技术兼具实用性与创新性。
本发明目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
（1）蔗渣生物炭制备：将甘蔗渣粉碎后，置于炭化炉中，以10～20℃/min的升温速率加热到250～650℃，炭化1～4h，研磨过80-100目筛，制得蔗渣生物炭；
（2）肥芯制备：按质量份，取氮肥50~70份、蔗渣生物炭15~30份、皂土12~15份、羧甲基纤维素2~6份，混合，喷水搅拌直到混匀为止，然后通过挤压造粒为肥芯颗粒；所述氮肥为尿素、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵中的任意一种；
（3）蔗叶纤维素匀浆制备：将干燥蔗叶粉碎过80-100目筛，得蔗叶粉；取蔗叶粉5-20份，以1:4~10的投料比加入到质量终浓度为6~9%的 NaOH和10-12%的尿素混合溶液中，在-20℃下预冷4-6h，然后搅拌均匀，静置，去沉淀得匀浆，将所得匀浆与交联剂环氧氯丙烷以质量比20: 1混合，室温下搅拌均匀后，在60℃下烘4～6h，得蔗叶纤维素匀浆；
（4）内层包膜肥颗粒制备：将步骤（3）所得的蔗叶纤维素匀浆喷洒在步骤（2）所得的肥芯颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，即为内层包膜肥颗粒；
（5）外层包膜肥颗粒制备：取5~15份N-异丙基丙烯酰胺、0~4.2份丙烯酸、0.1~0.6份N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、160~200份水；450～600转/min磁力搅拌混匀，加入0.1~0.4份曲拉通X-100；65～75℃搅拌预热20～30min，将0.05~0.2份过硫酸钠溶液分2～4次加入其中，每次加入的间隔时间为30～40min，继续搅拌，聚合反应2～4h，所得产物为环境敏感纳米胶乳液；将所得的环境敏感纳米胶乳液喷洒在步骤（4）所得的内层包膜肥颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，60～80℃的条件下烘干，得外层包膜肥颗粒，即纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥。
本发明的优点及有益效果是：本发明所提供的蔗渣生物炭和蔗叶含有丰富的氮、磷、钾、及有机质等养分资源，可产生良好的肥料效应；本发明提供的纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥能够随外界环境温度、pH变化作出响应，通过纳米胶的收缩/溶胀过程形成了水肥一体化缓控释体系，不仅充分提高了氮肥的缓释效果，同时也改善了水分资源的利用效率。本发明所制备的纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥具有原料可再生、成本低廉、生产工艺简单，且给肥智能化、肥效周期长、以及绿色环保等优点，对于研发高效功能肥料并发展减肥增效的农业现代化产业技术兼具实用性与创新性。
具体实施方式
以下将结合具体实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
若未特别指明，实施例中所采用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所采用的试剂和产品也均为可商业获得的。所用试剂的来源、商品名以及有必要列出其组成成分者，均在首次出现时标明。
实施例1、一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，包括以下步骤：
（1）蔗渣生物炭制备：将甘蔗渣粉碎后，置于炭化炉中，以15℃/min的升温速率加热到250～650℃，炭化3h，研磨过90目筛，制得蔗渣生物炭；
（2）肥芯制备：按质量份，取尿素55份、蔗渣生物炭20份、皂土12份、羧甲基纤维素4份，混合，喷水搅拌直到混匀为止，然后通过挤压造粒为肥芯颗粒；
（3）蔗叶纤维素匀浆制备：将干燥蔗叶粉碎过90目筛，得蔗叶粉；取蔗叶粉10份，以1:4~10的投料比加入到质量终浓度为8%的NaOH和10%的尿素混合溶液中，在-20℃下预冷5h，然后搅拌均匀，静置，去沉淀得匀浆，将所得匀浆与交联剂环氧氯丙烷以质量比20: 1混合，室温下搅拌均匀后，在60℃下烘5h，得蔗叶纤维素匀浆；
（4）内层包膜肥颗粒制备：将步骤（3）所得的蔗叶纤维素匀浆喷洒在步骤（2）所得的肥芯颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，即为内层包膜肥颗粒；
（5）外层包膜肥颗粒制备：取10份N-异丙基丙烯酰胺、3份丙烯酸、0.3份N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、180份水；450～600转/min磁力搅拌混匀，加入0.3份曲拉通X-100；70℃搅拌预热25min，将0.1份过硫酸钠溶液分3次加入其中，每次加入的间隔时间为35min，继续搅拌，聚合反应3h，所得产物为环境敏感纳米胶液；将所得的环境敏感纳米胶液喷洒在步骤（4）所得的内层包膜肥颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，70℃的条件下烘干，得外层包膜肥颗粒，即纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥。
实施例2、一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，包括以下步骤：
（1）蔗渣生物炭制备：将甘蔗渣粉碎后，置于炭化炉中，以10～20℃/min的升温速率加热到250～650℃，炭化1～4h，研磨过100目筛，制得蔗渣生物炭；
（2）肥芯制备：按质量份，取硝酸铵60份、蔗渣生物炭15份、皂土12份、羧甲基纤维素2份，混合，喷水搅拌直到混匀为止，然后通过挤压造粒为肥芯颗粒；
（3）蔗叶纤维素匀浆制备：将干燥蔗叶粉碎过80目筛，得蔗叶粉；取蔗叶粉15份，以1:4~10的投料比加入到质量终浓度为9%的NaOH和11%的尿素混合溶液中，在-20℃下预冷4h，然后搅拌均匀，静置，去沉淀得匀浆，将所得匀浆与交联剂环氧氯丙烷以质量比20: 1混合，室温下搅拌均匀后，在60℃下烘6h，得蔗叶纤维素匀浆；
（4）内层包膜肥颗粒制备：将步骤（3）所得的蔗叶纤维素匀浆喷洒在步骤（2）所得的肥芯颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，即为内层包膜肥颗粒；
（5）外层包膜肥颗粒制备：按质量份数，取15份N-异丙基丙烯酰胺、4份丙烯酸、0.6份N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、200份水；450～600转/min磁力搅拌混匀，加入0.4份曲拉通X-100；75℃搅拌预热30min，将0.2份过硫酸钠溶液分4次加入其中，每次加入的间隔时间为40min，继续搅拌，聚合反应4h，所得产物为环境敏感纳米胶液；将所得的环境敏感纳米胶液喷洒在步骤（4）所得的内层包膜肥颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后， 80℃的条件下烘干，得外层包膜肥颗粒，即纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥。
实施例3、一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，包括以下步骤：
（1）蔗渣生物炭制备：将甘蔗渣粉碎后，置于炭化炉中，以10℃/min的升温速率加热到450℃，炭化2h，研磨过80目筛，制得蔗渣生物炭；
（2）肥芯制备：按质量份，取硫酸铵70份、蔗渣生物炭10份、皂土12份、羧甲基纤维素6份，混合，喷水搅拌直到混匀为止，然后通过挤压造粒为肥芯颗粒；
（3）蔗叶纤维素匀浆制备：将干燥蔗叶粉碎过80目筛，得蔗叶粉；取蔗叶粉15份，以1:4~10的投料比加入到质量终浓度为9%的 NaOH和11%的尿素混合溶液中，在-20℃下预冷4h，然后搅拌均匀，静置，去沉淀得匀浆，将所得匀浆与交联剂环氧氯丙烷以质量比20: 1混合，室温下搅拌均匀后，在60℃下烘6h，得蔗叶纤维素匀浆；
（4）内层包膜肥颗粒制备：将步骤（3）所得的蔗叶纤维素匀浆喷洒在步骤（2）所得的肥芯颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，即为内层包膜肥颗粒；
（5）外层包膜肥颗粒制备：按质量份数，取7份N-异丙基丙烯酰胺、2份丙烯酸、0.6份N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、200份水；450～600转/min磁力搅拌混匀，加入0.4份曲拉通X-100；75℃搅拌预热30min，将0.2份过硫酸钠溶液分4次加入其中，每次加入的间隔时间为40min，继续搅拌，聚合反应4h，所得产物为环境敏感纳米胶液；将所得的环境敏感纳米胶液喷洒在步骤（4）所得的内层包膜肥颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后， 80℃的条件下烘干，得外层包膜肥颗粒，即纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
（1）蔗渣生物炭制备：将甘蔗渣粉碎后，置于炭化炉中，以10～20℃/min的升温速率加热到250～650℃，炭化1～4h，研磨过80-100目筛，制得蔗渣生物炭；
（2）肥芯制备：按质量份，取氮肥50~70份、蔗渣生物炭15~30份、皂土12~15份、羧甲基纤维素2~6份，混合，喷水搅拌直到混匀为止，然后通过挤压造粒为肥芯颗粒；所述氮肥为尿素、硝酸铵、硫酸铵、氯化铵、碳酸氢铵中的任意一种；
（3）蔗叶纤维素匀浆制备：将干燥蔗叶粉碎过80-100目筛，得蔗叶粉；取蔗叶粉5-20份，以1:4~10的投料比加入到质量终浓度为6~9%的NaOH和10-12%的尿素混合溶液中，在-20℃下预冷4-6h，然后搅拌均匀，静置，去沉淀得匀浆，将所得匀浆与交联剂环氧氯丙烷以质量比20: 1混合，室温下搅拌均匀后，在60℃下烘4～6h，得蔗叶纤维素匀浆；
（4）内层包膜肥颗粒制备：将步骤（3）所得的蔗叶纤维素匀浆喷洒在步骤（2）所得的肥芯颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，即为内层包膜肥颗粒；
（5）外层包膜肥颗粒制备：取5~15份N-异丙基丙烯酰胺、0~4.2份丙烯酸、0.1~0.6份N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、160~200份水；450～600转/min磁力搅拌混匀，加入0.1~0.4份曲拉通X-100；65～75℃搅拌预热20～30min，将0.05~0.2份过硫酸钠溶液分2～4次加入其中，每次加入的间隔时间为30～40min，继续搅拌，聚合反应2～4h，所得产物为环境敏感纳米胶乳液；将所得的环境敏感纳米胶乳液喷洒在步骤（4）所得的内层包膜肥颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，60～80℃的条件下烘干，得外层包膜肥颗粒，即纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥。
2.根据权利要求1所述的一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，其特征在于所述肥芯制备：取尿素55份、蔗渣生物炭20份、皂土12份、羧甲基纤维素4份，混合，喷水搅拌直到混匀为止，然后通过挤压造粒为肥芯颗粒。
3. 根据权利要求1所述的一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，其特征在于所述蔗叶纤维素匀浆制备：将干燥蔗叶粉碎过90目筛，得蔗叶粉；取蔗叶粉10份，以1:4~10的投料比加入到质量终浓度为8%的 NaOH和10%的尿素混合溶液中，在-20℃下预冷5h，然后搅拌均匀，静置，去沉淀得匀浆，将所得匀浆与交联剂环氧氯丙烷以质量比20: 1混合，室温下搅拌均匀后，在60℃下烘5h，得蔗叶纤维素匀浆。
4.根据权利要求1所述的一种纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥的制备方法，其特征在于所述外层包膜肥颗粒制备：取10份N-异丙基丙烯酰胺、3份丙烯酸、0.3份N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、180份水；450～600转/min磁力搅拌混匀，加入0.3份曲拉通X-100；70℃搅拌预热25min，将0.1份过硫酸钠溶液分3次加入其中，每次加入的间隔时间为35min，继续搅拌，聚合反应3h，所得产物为环境敏感纳米胶液；将所得的环境敏感纳米胶液喷洒在步骤（4）所得的内层包膜肥颗粒表面，润湿后常温下吸干，喷洒2-3次后，70℃的条件下烘干。
5.由权利要求1-4所述的任一方法制备的纳米胶-蔗叶/蔗渣复合包膜缓释氮肥。
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