CN107082685A

CN107082685A - 一种水热炭基缓释氮肥的制备方法

Info

Publication number: CN107082685A
Application number: CN201710260330.8A
Authority: CN
Inventors: 刘振刚; 盖超
Original assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Current assignee: Research Center for Eco Environmental Sciences of CAS
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2017-08-22

Abstract

本发明结合我国化学氮肥过度施用导致肥料利用率低及我国废弃生物质数量巨大的现状，确立了一种适用于以废弃生物质为原材料制备的水热炭基缓释氮肥的新工艺，包括以下步骤：1)废弃生物质水热处理转化为水热炭；2)水热炭中加入一定量的化学氮肥充分混合后干燥即得。本发明利用废弃生物质制备的水热炭基缓释氮肥可以有效延缓肥料中氮素在土壤中的溶出速率，提高了养分的利用效率；同时该缓释肥载体水热炭通过废弃生物质制备因此具有绿色、环保、价格低廉等特点。

Description

一种水热炭基缓释氮肥的制备方法

技术领域

本发明涉及废弃生物质处理处置，属于环境保护与资源综合利用领域的固体废弃物资源化利用新技术，尤其适合于数量巨大的秸秆、畜禽粪便、厨余垃圾等废弃生物质的高附加值资源化利用。

背景技术

我国用了28年时间将粮食总产从1978年的3048亿公斤增至2006年的4900多亿公斤，但与此同时全国化肥用量却增加了4倍多，单位面积化肥施用量是法国的151％、德国的159％、美国的329％，而单产水平仅是这些国家的7－9成。不难看出，现有的粮食作物种植方式不仅生产成本高、资源浪费，而且对环境产生巨大影响。发展养分精准管理和高效利用技术，提高养分和肥料利用率，已成为一个亟待解决的问题。发展新型肥料是提高肥料利用率的一项关键措施，但我国目前新型肥料的市场占有率仍然较低，而且拥有自主知识产权并适合我国实际的新型肥料还较少。另外，集约化养殖场大量畜禽粪便随意弃置，农作物秸秆大量焚烧。出现一方面地力较低，一方面大量的废弃生物质不能还田的不和谐问题。建立新的地力培育模式，研发有机废弃物资源化回田技术，已成为培肥土壤、提高地力的重要突破口。

本发明以可再生的废弃生物质为原料制备环境友好新型高效肥料水热炭基缓释氮肥，在提高地力、实现肥料精准高效利用的同时也为大量废弃生物质找到了一条行之有效的高附加值利用技术。

发明内容

本发明针对我国土壤肥力低下、养分亏缺、退化严重，肥料过度使用等现状，结合我国废弃生物质资源丰富的优势，确立了一种以废弃生物质为原料制备水热炭基缓释氮肥的新工艺。具体工艺包括：废弃生物质一定条件下转化为水热炭，水热炭与化学氮肥按照一定的比例混合后干燥。

一种水热炭基缓释氮肥的制备方法，其特征在于：将废弃生物质通过水热炭化转化为水热炭，然后将水热炭与化学氮肥按照一定比例混合，制备得到所述的水热炭基缓释氮肥。

所述的水热炭化步骤为，首先将废弃生物质与水混合，进行水热炭化处理，制备成水热炭，废弃生物质干基重量与水的重量比为1:1-1:10。

所述的水热炭化处理步骤中，水热温度为180-220℃,水热处理时间为30-90min。

所述的水热炭与化学氮肥以1:1-10:1充分混合。

所述的废弃生物质为秸秆和畜禽粪便等，所述的化学肥料为硝酸铵以及磷酸铵等。

上述制备方法制备得到的水热炭基缓释氮肥。

由此得到的缓释氮肥可以实现肥料的缓慢释放，提高了肥料的利用效率。该工艺的制备效果受水热炭制备温度、水热炭制备时间、肥料的加入量等因素的影响。

本发明的优点如下：

生物质水热处理转化为水热炭。废弃生物质水热处理过程中，生物质中部分有机质的水解溶出使得水热炭具有孔结构，这为生物炭和硝酸铵等化学氮肥发生物理的吸附创造了条件；另外水热处理同时会在水热炭表面引入丰富的极性官能团(如酚羟基、羧基、醛基、内酯基等)。一方面，这些极性官能团可以通过与铵根发生配位螯合反应而实现其限域限速释放(铵根跟水热炭表面的可发生氢键、羧基配位等)。另一方面，极性官能团能够增强水热炭与土壤的界面作用，利于水热炭与土壤之间发生物质和能量的交换。

水热过程中废弃生物质(干基)与水的混合比例优选在1:1-1:10之间。水加入量太低会因为水热反应体系自生压力太小而导致生物质炭化不彻底，而太高的水加入量会导致水热处理过程的能耗大大增加。

水热处理的温度优选介于180度到220度之间，处理时间为30-90分钟。太低的温度和太短的时间会因生物质炭化反应不完全导致水热炭孔结构不发达和表面官能团不丰富；而太高的反应温度和太长的反应时间会使得生物质因过度的炭化反应导致水热炭产率太低、孔结构坍塌以及表面官能团的脱落。另外，优选条件下制备的水热炭中的碳元素的无定型化程度非常高，所以，进入土壤后水热炭中的高活性的无定型碳会快速转化为土壤中的有机质，提高土壤肥力。

水热炭与化学氮肥的混合比例在1:1-10:1之间。过低的氮肥由于氮肥跟水热炭之间强的相互作用造成养分的释放速率太低，而过高的化学氮肥加入量则存在缓释效果不明显而导致肥料释放速率太高。

本发明中废弃生物质可以为秸秆、畜禽粪便等，并且根据缓释的原理可以看出，本缓释氮肥的缓释效果不针对某一特定化学氮肥，即具有广谱高效的特点。另外，水热炭的加入不仅仅可以实现肥料的缓释效果，还可以直接通过增加土壤的透气性，有机质等提高土壤肥力。

下面结合说明书附图及实施方案进一步阐述本发明的内容。

附图说明

图1水热炭基缓释氮肥的生产工艺流程示意图。

具体实施方式

本发明利用农业秸秆、畜禽粪便和厨余垃圾等制备水热炭基缓释氮肥。农业秸秆包括玉米秸秆、稻草、棉花秆、麦秆等。畜禽粪便包括猪粪、鸡粪、牛粪等。

实施例1

1.材料准备

将猪粪干燥后粉碎至小于5mm,备用。土壤取值中国科学院生态环境研究中心花园(有机质15.36g/kg；CEC 7.9cmol/kg；TN 0.80g/kg；TK 20.32g/kg；TP 0.99g/kg；)

2.缓释氮肥的制备

1)将猪粪(干基)与水以1：5的比例混合后放入水热反应釜中。

2)将反应器加热至200℃并保持60分钟；然后通过电扇和内部循环冷却水冷却后进行固液离心分离得到水热炭；

3)硝酸铵固体与水热炭混合(水热炭与硝酸铵按照4:1的比例混合)；

4)机械搅拌2小时后，在60℃的鼓风干燥器中干燥即得所述水热炭基缓释氮肥。

3.7天静置水溶出率

根据改进的GB/T 23348-2009(2009)方法进行。

1)干燥后水热炭基氮肥过1mm筛，并准确称取2.0克放入直径100目尼龙纱网的小袋中，封口。

2)将小袋缓慢放入加有200mL蒸馏水的烧杯中，用保鲜膜密封后置于25℃条件下置于生化恒温培养箱中。

3)每隔24h取样一次，每次取样10mL，取样后再补进相等量的蒸馏水，如此反复7次。

4)水样采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法(HJ 636-2012)测定全氮含量。

5)试验重复3次，并设置对照。

分析结果如表1所示。

4.土柱淋洗

1)土壤风干后与水热炭基氮肥(氮肥/土壤＝0.08％)或硝酸铵(硝酸铵/土壤＝0.08％)充分混合；

2)在淋洗柱(底部带2mm孔的PP塑料圆柱筒，高40cm，内径6.8cm)中装入混合土壤，土壤高度为20cm,土壤紧实度为1.21g/cm。

3)在土柱表层覆盖2张滤纸；

4)通过蠕动泵控制加水量使流入土柱的量与淋出量大致相同(第1天加蒸馏水约300mL，之后每天加水约100mL)；

5)每隔48h取样一次，连续取样14天，测定水样中的总氮含量；

6)重复3次，并设置对照。

水样中总氮的含量通过碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度计比色法(HJ 636-2012)测定。

分析结果如表2所示。

实施例2

除了用玉米秸秆代替猪粪。

水热炭基缓释氮肥制备步骤中2)中220℃处理80分钟外，其余与实施例1相同。

分析结果如表1和表2。

实施例3

除了用稻杆代替猪粪。

水热炭基缓释氮肥制备步骤中1)中稻杆(干基)与水以1：5的比例混合；2)中220℃处理60分钟外，其余与实施例1相同。

分析结果如表1和表2。

表1.水热炭基缓释氮肥水溶液累积溶出率。

表2.水热炭基缓释氮肥土柱淋洗氮的累积淋出率。

时间	硝酸铵	实施例1	实施例2	实施例3
					第2天累积溶出率(％)	82.7	16.2	15.2	16.8
第4天累积溶出率(％)	83.6	41.5	51.8	38.4
					第6天累积溶出率(％)	84.5	59.6	62.2	55.5
第8天累积溶出率(％)	87.9	60.8	69.1	59.6
					第10天累积溶出率(％)	89.9	61.5	72.9	61.2
第12天累积溶出率(％)	92.2	63.7	73.2	63.5
					第14天累积溶出率(％)	95.3	65.9	75.8	64.8

从表1可以看出3种水热炭基缓释氮肥的氮素累积水溶出趋势均呈现S形，其累积溶出率分别为14.2％，13.9％，11.1％，均低于欧洲标准委员会对缓释肥料所规定的15％的标准，且3种缓释氮肥的7天累积释放率均低于80％。从表2可以看出硝酸铵的对照土柱在淋洗第二天即高达82.7％，而3种缓释肥14天的累积氮素淋出率最高仅为75.8％。

综合表1和表2可以看出，本发明制备的水热炭基缓释氮肥通过化学氮肥和水热炭之间的强的化学作用有效延缓了氮肥在土壤中的释放。

Claims

1.一种水热炭基缓释氮肥的制备方法，其特征在于：将废弃生物质通过水热炭化转化为水热炭，然后将水热炭与化学氮肥按照一定比例混合，制备得到所述的水热炭基缓释氮肥。

2.根据权利要求1所述的水热炭基缓释氮肥的制备方法，其特征是：所述的水热炭化步骤为，首先将废弃生物质与水混合进行水热炭化处理，将废弃生物质转化为成水热炭，废弃生物质干基重量与水的重量比为1:1-1:10。

3.根据权利要求1或2所述的水热炭基缓释氮肥的制备方法，其特征是：所述的水热炭化处理步骤中，水热温度为180-220℃,水热处理时间为30-90min。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的水热炭基缓释氮肥的制备方法，其特征是：水热炭与化学氮肥以1:1-10:1充分混合。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的水热炭基缓释氮肥的制备方法，其特征是：所述的废弃生物质为秸秆、畜禽粪便等；化学氮肥为硝酸铵和磷酸铵等。

6.根据权利要求1-5任意一项制备方法制备得到的水热炭基缓释氮肥。