CN107245011B

CN107245011B - 一种硅藻土基硅肥及其制备方法

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Publication number: CN107245011B
Application number: CN201710436174.6A
Authority: CN
Inventors: 刘冬; 袁鹏; 田倩; 邓亮亮; 杜培鑫; 宋雅然; 何宏平; 张嵚
Original assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS; Jiangxi Agricultural University
Current assignee: Guangzhou Institute of Geochemistry of CAS; Jiangxi Agricultural University
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2017-06-09
Publication date: 2020-06-16
Anticipated expiration: 2037-06-09
Also published as: CN107245011A

Abstract

本发明涉及肥料领域，提供了一种硅藻土基硅肥的制备方法，其包括：将硅藻土置于碱性溶液中形成悬浊液，对悬浊液加热保温后，冷却，进行固液分离，取分离液；向分离液中加入酸性溶液调节分离液的pH值至8～10，加热充分搅拌后冷却。该制备方法有效地将有害金属分离，达到降低硅藻土内重金属含量的目的，硅藻土基硅肥呈碱性，有利于改善土壤的酸度，进而改良土壤，该制备方法具有简单易行、成本低廉、易于推广等优点。此外，还提供了一种硅藻土基硅肥，其是由上述硅藻土基硅肥的制备方法制得。该硅藻土基硅肥的含硅量高，更易于作物吸收，仅少量施用即可大大增加作物产量，并且其施用方式多样化，可以进行根系施肥，也可以作为叶面肥施用。

Description

一种硅藻土基硅肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及肥料领域，具体而言，涉及一种硅藻土基硅肥及其制备方法。

背景技术

硅肥被认为是继氮肥、钾肥、磷肥之后的第四种重要作物肥料。它不仅能够促进农作物的根系发育，提高作物产量，增强作物抗倒伏、抗病虫害以及耐旱/寒能力；硅肥还被认为可以改良土壤(碱性硅肥可有效改善土壤酸度)、降低土壤重金属污染对作物的影响(将重金属有效沉积使其失去作物有效性，或使其难以进入作物果实中)和提高作物品质等优点，在农业可持续发展方面有重要作用。

固体硅肥存在溶解度低，难以随水施肥的问题，通常只能固态洒施于土壤中，进而通过根系被缓慢吸收，这导致作物对硅肥的吸收时间长、且效果并不显著。可溶性叶面肥更利于作物吸收，然而仅有极少量关于叶面硅肥的研究。现有技术提供的叶面肥通过金属螯合技术、渗析技术将偏硅酸(硅肥的主要成分)中重金属氧化物去除，制备成一种纳米二氧化硅溶胶，可直接施于叶面上。然而，该方法制备步骤繁杂，需使用金属螯合剂等价格较高的试剂，导致制备过程困难、产品成本较高、难以推广应用等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅藻土基硅肥，该硅藻土基硅肥的含硅量高，易于作物吸收利用，有害杂质含量极低，有效避免了其毒害和环境危害等，施用该硅藻土基硅肥可大大增加作物产量。

本发明的另一目的在于提供一种上述硅藻土基硅肥的制备方法，该制备方法简单易行、成本低廉、易于推广，制得的硅藻土基硅肥的含硅量高，易于作物吸收利用，施用该硅藻土基硅肥可大大增加作物产量。

本发明的实施例是这样实现的：

一种硅藻土基硅肥的制备方法，其包括：将硅藻土置于碱性溶液中形成悬浊液，对悬浊液加热保温后，冷却，进行固液分离，取分离液；向分离液中加入酸性溶液调节分离液的pH值至8～10，加热并充分搅拌后冷却。

此外，一种硅藻土基硅肥，其是由上述硅藻土基硅肥的制备方法制得。

本发明实施例的有益效果是：

本发明实施例提供的硅藻土基硅肥的制备方法，通过将硅藻土置于碱性溶液中，使得硅藻土中的二氧化硅与碱性溶液反应，而硅藻土中的有害金属几乎不与碱性溶液反应，使得二氧化硅溶解而有害金属沉积，进而将有害金属分离，从而达到降低硅藻土内重金属含量的目的。接着再调节分离液的pH值，使得硅藻土基硅肥呈碱性，有利于改善土壤的酸度，从而改良土壤。该制备方法具有简单易行、成本低廉、易于推广等优点。

通过上述硅藻土基硅肥的制备方法得到的硅藻土基硅肥的含硅量高(≥70％等效SiO₂)，铝、重金属离子等有害杂质含量极低，避免了其毒害和环境危害等，此外，由于硅藻土基硅肥更易于作物吸收，仅少量施用即可大大增加作物产量，并且其施用方式多样化，可以进行根系施肥，也可以作为叶面肥施用。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的硅藻土基硅肥及其制备方法进行具体说明。

一种硅藻土基硅肥的制备方法，其包括：

S100：备取原料。

本实施例中，以硅藻土为原料。所选用的硅藻土的硅藻壳体的质量百分数＞60％。

硅藻土是一种天然的多孔硅矿物集合体，主要由硅藻蛋白石(多孔二氧化硅)和极少量的粘土矿物、石英等矿物组成。含硅藻蛋白石量一般大于65％，有些矿样中甚至高于90％。另外，硅藻蛋白石为无定型结构，结晶度非常低，与其它含硅矿物或固体废弃物相比，溶解度更高，更易于为作物吸收。因此，硅藻土是一种天然可用的硅肥。

研究发现，直接施用硅藻土可增加水稻的产量。然而必需指出的是，尽管1公顷水稻田施用硅藻土的量达到150公斤以上，其产量仅略有提高，使用效果虽略高于硅酸钠，但远低于叶面硅肥。另外，硅藻土中所含的铝也易于进入土壤中，长时间施肥也将导致土壤酸度升高，不利于作物生长。可见，硅藻土为难溶性固态硅肥，植物难于直接吸收利用。因此，硅藻土的直接施用在作物增产中作用的不显著，需通过大量施用以弥补其有效性差的问题。

鉴于此，发明人经过长期的研究，将硅藻土作为原料，并对其进行一系列的处理，使得制得的硅藻土基硅肥更易于作物吸收利用。

需要说明的是，硅藻土可以作为主要原料复配其他现有技术中肥料领域常用的辅料共同作为原料，也可以以单一的硅藻土作为原料；还可以以多种不同产地或不同厂家的硅藻土的混合物作为原料。本实施例中的硅藻土的来源地包括但不限于广东雷州半岛、浙江嵊州和吉林长白。本实施例中，优选以单一的硅藻土作为原料制备硅藻土基硅肥。本实施例中的术语“硅藻土”包括了本领域常规技术人员理解的天然硅藻土，同时还包括经改性处理后的硅藻土，本文提及的改性处理包括但不限于煅烧、酸处理或其组合。

S200：碱处理。

将硅藻土置于碱性溶液中形成悬浊液，对悬浊液加热保温后，冷却，进行固液分离，取分离液。

对悬浊液进行加热保温悬浊液具体包括：将悬浊液搅拌后，常压下加热至沸腾并保持12～24h；或者将悬浊液置于100～200℃水热环境如水热釜中，保持6～12h。对悬浊液进行加热并保持一段时间，有利于加快硅藻土和碱性溶液的反应进程，使得硅藻土中的二氧化硅与碱性溶液快速且充分反应，有利于提升硅藻土中的二氧化硅的利用率。

此外，本实施例中，所选的碱性溶液为可与二氧化硅反应的碱性溶液，碱性溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L。碱性溶液的加入量以硅藻土的质量与碱性溶液的体积的比值计为：1g/20mL～1g/10mL。

硅藻土中的金属离子通常存在于粘土矿物或其氧化物中，而本专利硅肥的制备条件下，上述极少量的粘土矿物或金属氧化物难以与氢氧根离子反应，仍在体系中保持固态，因此，可通过固液分离的形式被去除，从而达到降低所制备硅肥中金属(重金属)离子含量的目的。

现有技术中的市售硅肥多为固体硅肥，其常通过含硅材料，如含硅工业固体废弃物和含硅矿物等制备获得。其中，工业废弃物价格低廉，且其应用可以有效降低固体污染物排放，减少环境危害。然而，固体废弃物(如粉煤灰、高炉渣、煤矸石等)中通常含有较高数量氧化铝，这些氧化铝在硅肥制备过程中逐渐转为可溶态，进而随施肥进入土壤，降低土壤pH值，使土壤严重酸化，易于板结、难以保肥保水。另外，铝离子本身也对作物具有较大的生物危害性，将直接降低作物产量。

而本实施例中硅藻土中含有的铝氧化物难以与强碱如氢氧化钠反应，即使存在极少量的反应，也将生成偏铝酸盐。而偏铝酸盐可作为土壤固化剂，偏铝酸钠中的铝以“AlO₂ ^-”基团的形式存在，而非以Al³⁺的形式存在。“AlO₂ ^-”基团呈碱性，因此能够改善土壤的酸化，同时有效降低了Al³⁺对作物的生物危害性，因此有效的降低了铝对作物和土壤的危害。

本实施例中选用的碱性溶液包括但不限于氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、碳酸钠和碳酸钾中的一种或多种。换而言之，本实施例中选用的碱性溶液可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、碳酸钠和碳酸钾中的任意一种，也可以是氢氧化钠、氢氧化钾、氨水、碳酸钠和碳酸钾中的两种或者多种的混合溶液，混合的比例可依照实际情况进行确定，这里不再一一阐述。

S300：活性炭处理。

向S200中获得的分离液中加入活性炭，活性炭的加入量以活性炭的质量与分离液的体积的比值计为：1g/1000mL～1g/100mL。活性炭的加入有利于提高产品的均匀度，同时能吸附分离液中的重金属，进一步降低重金属的含量。

活性炭的来源有多种，活性炭的主要原料几乎可以是所有富含碳的有机材料。可来源于生物质，如木材、秸秆、果壳、椰壳、核桃壳、杏壳、枣壳等的热处理产物；也可来源于煤等的热解产物。活性炭的形态可以为固体颗粒，也可以为粉末，本实施例中，优选加入的活性碳为粉末状。

值得注意的是，本实施例提供的步骤S300为可选步骤，在本发明的其他实施例中，也可以不含该步骤，在固液分离获得分离液后，可直接向分离液中加入酸性溶液调节pH。

S400：调节pH

向分离液中加入酸性溶液调节分离液的pH值至8～10，加热至50～60℃并充分搅拌，接着冷却至常温，即可获得溶胶状的硅藻土基硅肥。

其中，酸性溶液可以为无机酸溶液，也可以为有机酸溶液。当酸性溶液为无机酸溶液时，无机酸溶液选自硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或多种；当酸性溶液为有机酸溶液时，有机酸溶液选自甲酸、乙酸或草酸中的一种或多种。

本实施例中，利用酸性溶液将分离液的pH值调至8～10，使得料液呈碱性，有利于改善土壤的酸度，从而改良土壤。

S500：再处理

将步骤S200中固液分离获得的固体颗粒经水充分洗涤后，作为硅藻土原料重复步骤S200，重复多次直至残余固体颗粒不再溶解，然后进行固液分离获得的料液重复步骤S300和S400，即可获得硅藻土基硅肥。通过对步骤S200中固液分离获得的固体颗粒进行再出来，能够提升硅藻土的利用率，从而提升最终产品硅藻土基硅肥的收率。

此外，本发明实施例还提供了一种由上述硅藻土基硅肥的制备方法制备的硅藻土基硅肥，制得的硅藻土基硅肥呈溶胶状，经透射电镜和粒度分析仪评估，单颗粒粒径分布为8～25nm。

该硅藻土基硅肥的含硅量高，有害杂质如铝等含量低，能有效避免有害金属的对土壤的毒害，同时可采用多种施肥方式，即可根系施肥，也可作为叶面肥施用。易于作为吸收利用，仅少量施用即可大大增加作物产量。

接下来结合具体实施例对本发明提供的硅藻土基硅肥及其制备方法进行具体说明。

实施例1

将100kg硅藻土(广东卜昌硅藻土，硅藻蛋白石含量约75％)置于0.1mol/L氢氧化钠溶液2000L中形成悬浊液，充分搅拌后，常压下加热至沸腾，保持12小时，冷却后进行固液分离，取分离液。向分离液中加入2kg活性炭粉末，经充分搅拌后，使用0.1mol/L盐酸溶液调节pH值至8，加热至50℃并充分搅拌，接着冷却至常温，即可获得溶胶状的硅藻土基硅肥。所获硅藻土基硅肥经透射电镜和粒度分析仪评估，单颗粒粒径分布为10～25nm。

通过实际水稻培养对照发现，20公斤溶胶状硅藻土基硅肥(有效SiO₂含量约14.6公斤)，通过叶面施肥可使1000m²的水稻增产15.8％，而100公斤上述天然硅藻土直接施用仅可使其增产3.6％左右。

实施例2

将100kg硅藻土(广东卜昌硅藻土，硅藻蛋白石含量约75％)置于1mol/L氢氧化钠溶液1000L中形成悬浊液，充分搅拌后，常压下加热至沸腾，保持24小时，冷却后进行固液分离，取分离液。向分离液中加入1kg活性炭粉末，经充分搅拌后，使用0.1mol/L硫酸溶液调节pH值至10，加热至60℃并充分搅拌，接着冷却至常温，即可获得溶胶状的硅藻土基硅肥。所获硅藻土基硅肥经透射电镜和粒度分析仪评估，单颗粒粒径分布为8～22nm。

通过实际水稻培养对照发现，20公斤高效可溶性硅肥(有效SiO₂含量约15.5公斤)，通过叶面施肥可使1000m²的水稻增产18.2％(而100公斤上述天然硅藻土直接施用仅可使其增产3.6％左右)。

实施例3

将100kg硅藻土(广东卜昌硅藻土，硅藻蛋白石含量约75％)置于0.5mol/L氢氧化钾溶液1500L中形成悬浊液，充分搅拌后，常压下加热至沸腾，保持18小时，冷却后进行固液分离，取分离液。向分离液中加入5kg活性炭粉末，经充分搅拌后，使用0.1mol/L硫酸溶液调节pH值至9，加热至55℃并充分搅拌，接着冷却至常温，即可获得溶胶状的硅藻土基硅肥。所获硅藻土基硅肥经透射电镜和粒度分析仪评估，单颗粒粒径分布为10～23nm。

通过实际水稻培养对照发现，20公斤高效可溶性硅肥(有效SiO₂含量约15.1公斤)，通过叶面施肥可使1000m²的水稻增产17.5％(而100公斤上述天然硅藻土直接施用仅可使其增产3.6％左右)。

实施例4

将100kg硅藻土(广东卜昌硅藻土，硅藻蛋白石含量约75％)置于0.1mol/L氨水溶液2000L中形成悬浊液，充分搅拌后将上述悬浊液置于水热装置中，加热至100℃，保持12小时，冷却后进行固液分离，取分离液。向分离液中加入20kg活性炭粉末，经充分搅拌后，使用0.1mol/L甲酸溶液调节pH值至8，加热至60℃并充分搅拌，接着冷却至常温，即可获得溶胶状的硅藻土基硅肥。所获硅藻土基硅肥经透射电镜和粒度分析仪评估，单颗粒粒径分布为12～26nm。

通过实际水稻培养对照发现，20公斤高效可溶性硅肥(有效SiO₂含量约14公斤)，通过叶面施肥可使1000m²的水稻增产16.6％(而100公斤上述天然硅藻土直接施用仅可使其增产3.6％左右)。

实施例5

将100kg硅藻土(广东卜昌硅藻土，硅藻蛋白石含量约75％)置于1mol/L碳酸钠溶液1000L中形成悬浊液，充分搅拌后将上述悬浊液置于水热装置中，加热至200℃，保持6小时，冷却后进行固液分离，取分离液。向分离液中加入10kg活性炭粉末，经充分搅拌后，使用0.1mol/L硫酸溶液调节pH值至10，加热至60℃并充分搅拌，接着冷却至常温，即可获得溶胶状的硅藻土基硅肥。所获硅藻土基硅肥经透射电镜和粒度分析仪评估，单颗粒粒径分布为10～23nm。

通过实际水稻培养对照发现，20公斤高效可溶性硅肥(有效SiO₂含量约16公斤)，通过叶面施肥可使1000m²的水稻增产18.5％(而100公斤上述天然硅藻土直接施用仅可使其增产3.6％左右)。

实施例6

将100kg硅藻土(广东卜昌硅藻土，硅藻蛋白石含量约75％)置于0.5mol/L氢氧化钠和氢氧化钾的混合溶液1500L中形成悬浊液，充分搅拌后将上述悬浊液置于水热装置中，加热至150℃，保持10小时，冷却后进行固液分离。使用0.1mol/L硝酸和磷酸的混合溶液调节分离液的pH值至9，加热至55℃并充分搅拌，接着冷却至常温，即可获得溶胶状的硅藻土基硅肥。所获硅藻土基硅肥经透射电镜和粒度分析仪评估，单颗粒粒径分布为8～23nm。

通过实际水稻培养对照发现，20公斤高效可溶性硅肥(有效SiO₂含量约15.8公斤)，通过叶面施肥可使1000m²的水稻增产17.7％(而100公斤上述天然硅藻土直接施用仅可使其增产3.6％左右)。

对比例

一、本发明实施例与市售产品的杂质离子含量对比

通过将本发明实施例1～6提供的硅藻土基硅肥混合后，检测混合物中的铅、镉、铬、汞、砷、铝等有毒金属离子的含量，并与市售的硅溶胶以及市售叶面肥进行对比。统计结果请参阅表1。

表1.实施例与市售产品的杂质离子含量对比结果统计

二、硅藻土基硅肥的粒径分布

对本发明实施例1～6提供的溶胶状的硅藻土基硅肥混合搅拌均匀后，测定硅藻土基硅肥的粒径分布。测定结果请参阅表2。

表2.实施例提供的硅藻土基硅肥的粒径分布

粒径/nm	5～10	10～15	15～20	20～25	25～30	30～35
							数目	120	670	325	315	58	12
比例/％	8	44.67	21.67	21	3.87	0.8

从上表可以看出，本发明实施例提供的硅藻土基硅肥的粒径分布于5～30之间，集中在10～15、15～20以及20～25之间，平均粒径大约在18～22之间。

接着，本发明实施例将上述溶胶状的硅藻土基硅肥混合物取一部分进行晒干后，置于水中溶解，再对硅藻土基硅肥的粒径分布进行测定。测定结果请参阅表3。

表3.实施例提供的硅藻土基硅肥经干燥后溶于水的粒径分布

粒径/um	0～5	5～10	10～15	15～20	20～25	25～30	30～35
								数目	8	70	46	22	13	5	3
比例/％	4.79	41.92	27.54	13.17	7.78	2.99	1.80

可以看出，经晒干后的硅藻土基硅肥混合物溶解度差，几乎不溶，经检测其粒径比溶胶状的硅藻土基硅肥的粒径大了1000倍，证明本发明实施例提供的硅藻土基硅肥适宜以溶胶状的形式进行保存，其溶解度大，粒径小，易于植物吸收。

三、施用本发明实施例与市售产品的水稻增产效果对比

水稻增产效果比较，其中，本发明实施例提供的水稻增产量是按照6个实施例的水稻增产量的平均数计，对比结果请参阅表4。

表4.施用本发明实施例与市售产品的水稻增产效果对比结果

肥料	实施例	硅酸钠	粉煤灰所获硅肥	天然硅藻土
					施肥方式	根系或叶面	根系	根系	根系
施用量	20kg	100kg	100kg	100kg
					水稻增产量	17.4％	2.8％	2.2％	3.6％

由上表可以看出，本发明实施例提供的硅藻土基硅肥仅少量施用即可大大增加作物产量，并且其施用方式多样化，可以进行根系施肥，也可以作为叶面肥施用，并且该硅藻土基硅肥的含硅量高(≥70％等效SiO₂)，铝等有害杂质含量极低，避免了其毒害和环境危害等。因此，本发明实施例提供的制备方法具有简单易行、成本低廉、易于推广等优点。

综上所述，本发明实施例提供的硅藻土基硅肥的制备方法，通过将硅藻土置于碱性溶液中，使得硅藻土中的二氧化硅与碱性溶液反应，而硅藻土中的有害金属几乎不与碱性溶液反应，使得二氧化硅溶解而有害金属沉积，进而将有害金属分离，从而达到降低硅藻土内重金属含量的目的。接着再调节分离液的pH值，使得硅藻土基硅肥呈碱性，有利于改善土壤的酸度，从而改良土壤。该制备方法具有简单易行、成本低廉、易于推广等优点。

通过上述硅藻土基硅肥的制备方法得到的硅藻土基硅肥的含硅量高(≥70％等效SiO₂)，铝等有害杂质含量极低，避免了其毒害和环境危害等，此外，由于硅藻土基硅肥更易于作物吸收，仅少量施用即可大大增加作物产量，并且其施用方式多样化，可以进行根系施肥，也可以作为叶面肥施用。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种硅藻土基硅肥的制备方法，其特征在于，其包括：将硅藻土置于碱性溶液中形成悬浊液，对所述悬浊液加热保温后，冷却，进行固液分离，取分离液；向所述分离液中加入酸性溶液调节所述分离液的pH值至8～10，加热并充分搅拌后冷却；

所述碱性溶液的加入量以所述硅藻土的质量与所述碱性溶液的体积的比值计为：1g/20mL～1g/10mL；

在调节所述分离液的pH值之前，还包括向所述分离液中加入活性炭；

所述硅藻土的硅藻壳体的质量百分数＞60％；

所述碱性溶液为可与二氧化硅反应的碱性溶液，所述碱性溶液的浓度为0.1mol/L～1mol/L；

加热保温所述悬浊液包括：将所述悬浊液搅拌后，常压下加热至沸腾并保持12～24h；或者将所述悬浊液置于100～200℃水热环境下，保持6～12h。

2.根据权利要求1所述的硅藻土基硅肥的制备方法，其特征在于，所述活性炭的加入量以所述活性炭的质量与所述碱性溶液的加入量的体积的比值计为：1g/1000mL～1g/100mL。

3.根据权利要求1所述的硅藻土基硅肥的制备方法，其特征在于，所述碱性溶液选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠和碳酸钾中的一种或多种。

4.根据权利要求1所述的硅藻土基硅肥的制备方法，其特征在于，所述酸性溶液为无机酸溶液，所述无机酸溶液包括硫酸、盐酸、硝酸和磷酸中的一种或多种；或者所述酸性溶液为有机酸溶液，所述有机酸溶液包括甲酸、乙酸或草酸中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的硅藻土基硅肥的制备方法，其特征在于，在将所述硅藻土置于所述碱性溶液中形成所述悬浊液之前，还包括对所述硅藻土进行改性处理，所述改性处理包括：对所述硅藻土进行煅烧或酸处理。

6.一种硅藻土基硅肥，其特征在于，其是由如权利要求1～5任一项所述的硅藻土基硅肥的制备方法制得。