CN108911856A

CN108911856A - 一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料及其制备方法

Info

Publication number: CN108911856A
Application number: CN201810891873.4A
Authority: CN
Inventors: 孙中亮; 孙利芹; 殷军港
Original assignee: Yantai University
Current assignee: Hunan gengtianxia Biotechnology Co., Ltd
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2018-11-30
Anticipated expiration: 2038-08-07
Also published as: CN108911856B

Abstract

本发明公开了一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料及其制备方法。所述微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料，以复合肥料颗粒或单质颗粒化肥为内核，外层包裹微藻藻体细胞或藻渣的缓释肥料，其中，所述微藻藻体或藻渣的含水量为5~10%；并且，微藻藻体或藻渣包裹层占所述缓释肥料的总重量的5~15%。藻体细胞或藻渣在粘结剂的作用下，均匀包裹在颗粒肥的表面，形成一种物理阻碍，延缓了养分的释放速率，起到提高吸收利用率的效果。

Description

一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料及其制备方法

技术领域

本发明属于生物材料领域，具体涉及一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料及其制备方法。

背景技术

肥料是农业生产的要素之一，具有举足轻重的地位，我国的肥料生产和消耗位居世界第一。但是肥料的利用率低，污染很严重。缓释肥料是一类能够保证农作物养分供给的同时，提高营养素利用率的新型肥料，也是肥料行业的发展趋势，其中包裹型缓释肥近年来发展迅速，占缓释肥料总量的95%以上。包裹型缓释肥是以颗粒性化肥为核心，表层涂覆一层或多层低水溶性或微溶性的无机物质或有机聚合物。常见的包裹材料有硫磺、钙镁磷肥、金属磷酸盐以及热塑性树脂或聚烯烃等。这些包裹材料价格昂贵、且在土壤中难以降解，施用后容易造成二次污染。

沈阳农业大学韩晓日等人研究了以聚乙烯醇（PVA）和淀粉为主要成分的包膜剂，并结合氮肥增效剂、缓释剂、保水剂及土壤改良剂等研发出混合包膜工艺（韩晓日，王忠强，宋正国等，一种包膜控释复合肥料的制备方法，专利号：ZL200410021079.2；牟林, 唐树戈,韩晓日,等. 淀粉-聚乙烯醇包膜复合肥的评价方法研究[J]. 土壤通报, 2014, 45(6):1349-1357.）。但是，该工艺中包裹材料成本高、包裹工艺复杂。中科院过程所肖传绪等提出用低成本的木质素包膜制得包膜尿素，与非包膜尿素相比对养分释放速度有明显的降低（肖传绪，莫海涛，张小勇，一种可降解天然有机物包裹缓释肥料及其制备方法和用途，专利号：200610079035.4）。但是，木质素包膜肥料抗机械能力差，制作成肥时表面还需植物油脂作为封闭剂，且遇水容易破裂。

发明内容

本发明的目的在于克服使用无机或有机高分子聚合物作为包裹材料生产缓释肥料带来的高成本、难降解、二次污染的缺陷，从而提供一种使用微藻藻体或提取有效成分之后的藻渣作为包裹材料的低成本且环保的缓释肥料及其制备方法，具体为一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案一为：

本发明提供一种采用微藻藻体或经提取有效成分之后的微藻藻渣包裹的缓释肥料，以复合肥料颗粒或单质颗粒化肥为内核，外层包裹微藻藻体细胞或藻渣的缓释肥料，其中，所述微藻藻体或藻渣的含水量为5~10%；并且，微藻藻体或藻渣包裹层占所述缓释肥料的总重量的5~15%。

优选，所述的核心肥料为单质肥料颗粒，如尿素、硫酸钾、磷酸钙等；或复合肥料颗粒，如三元复合肥料颗粒。

优选，所述的微藻藻体是通过人工或机械打捞、直接过滤、絮凝、混凝沉淀从自然水体或人工养殖水体中得到的微藻，藻渣是藻细胞经提取蛋白质或多糖或油脂之后的固体副产物。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案二为：

本发明提供的一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料制备方法，包括如下的步骤：

（1）将微藻藻体或藻渣烘干至含水量达5~10%，然后粉碎成粉末，过60~150目筛后得粉末状的包裹材料；

（2）在圆盘造粒机中加入颗粒状的复合肥料颗粒或单质肥料颗粒，转动圆盘使肥料颗粒均匀翻滚，然后，喷入雾状的粘接剂溶液的同时撒入粉末状的所述包裹材料，将所述包裹材料均匀粘结在肥料颗粒的表面，得微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料；完成包裹后，用热风机进行干燥，直至所述缓释肥料的含水量在5%以下。

优选，所述步骤（2）中在流化床中加入颗粒状的复合肥料颗粒或单质肥料颗粒，并使肥料颗粒在流化床中处于不断翻滚的状态，然后，喷入雾状的粘接剂溶液的同时撒入粉末状的所述包裹材料，将所述包裹材料均匀地粘结到肥料颗粒的表面，得微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料；然后，以热空气为流化气流将所述缓释肥料干燥至含水量5%以下。

优选，所述的粘结剂为质量浓度为1~10%（优选5%）的聚乙烯醇（PVA）水溶液，或0.05~0.2%（优选0.1%）的聚丙烯酰氨（PAM）水溶液，或1~10%（优选3%）的聚乙二醇（PEG）4000水溶液。

本发明的原理是：藻体细胞或藻渣在粘结剂的作用下，均匀包裹在颗粒肥的表面，形成一种物理阻碍，延缓了养分的释放速率，起到提高吸收利用率的效果。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）本发明的缓释肥料，其包裹材料成本低，来源广泛，加工操作简单易行、能耗低。

（2）本发明的采用微藻藻体或藻渣作为包裹材料，它们既起到缓释养分的作用，同时本身也是生物质，在土壤中降解之后提供腐殖质。可避免其他无机或有机高分子包裹材料带来的土壤污染问题。

（3）本发明的缓释肥料在有墒的土地中，可作为土壤膨胀剂，在缺水的土地中，又可作为保水剂，与其他缓释肥的包裹材料相比，具有独特的优势。

（4）本发明的采用微藻藻体或藻渣作为包裹材料，与现有技术的作用机理不同，而且相比现有技术（专利200610079035.4）不需要油脂类物质做封闭剂，吸水溶胀性好，制作成肥后不容易破裂，抗机械能力强。

（5）从富营养化水体中收集的微藻，是一类可降解的生物质，不含对农作物及人体有害的重金属，使用后不会造成土壤污染，将其开发成缓释肥的包裹材料能够有效提升其资源化利用的经济性，同时可以减少普通化肥的使用，并可经济、有效地改善土质，保护环境。

附图说明

图1为微藻包裹缓释肥料成品图。

图2为实施例1-3的微藻包裹缓释肥料与普通化肥的静水溶解效果图。图中第1-5列排列，分别为实施例1、实施例3、实施例2、普通（即未包裹的尿素）；图中从第1-5行排列，分别为静水溶解1天、5天、10天、15天、22天的溶解效果图。

具体实施方式

实施例1

将收集到的微藻藻体（来源是太湖水华藻，主要组成为微囊藻Microcystis aeruginosa）自然风干至含水量5~10%，研磨粉碎成粉末，过60目筛。配置质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液。在圆盘造粒机中加入10公斤尿素颗粒，开始转动圆盘，通过高压喷嘴将聚乙烯醇水溶液以雾状的形式均匀喷涂到颗粒肥表面。同时向圆盘中撒入藻体粉末，不断喷粘结剂将粉末包裹在尿素外层，直到0.8公斤藻体粉末包裹在颗粒上。然后用热风机对包裹后的缓释肥料进行干燥，直到含水量低于5%，测得藻体包裹层占所述缓释肥料的总重量的7.4%，包裹缓释肥颗粒成品如图1所示。

通过过硫酸钾氧化法测总氮的方法，评价该微藻包裹缓释肥料在纯水中的养分释放情况。在25℃条件下浸提24h后，这种包裹尿素在水中释放氮元素的量占总氮元素含量的4.12%，5天之后溶出率为40.84%，10天之后为52.19%，15天之后为59.27%，22天之后为68.27%，包裹缓释肥颗粒溶解情况如图2所示。

同样条件下，只是未采用微藻包裹的普通尿素，其24h、5天、10天、15天、22天的养分溶出率为68.19%、81.71%、86.06%、90.4%、94.29%；市售树脂包衣尿素肥料（山东鑫百禾化工科技有限公司生产）在相同时间节点养分溶出率分别为：23.22%、59.43%、75.25%、86.24%、90.17%，见表1。

实施例2

将微藻藻体（来源是废水养殖的小球藻，Chlorella vulgaris）提过油脂后藻渣在50℃下烘干至含水量低于5%，在球磨机中粉碎成粉末，过100目筛。配置质量分数为0.1%的聚丙烯酰氨水溶液作为粘结剂。启动流化床，向其中加入10公斤尿素颗粒，使尿素在床层中稳定流化。向流化床侧壁的喷嘴中高压喷入粘结剂，同时从流化床底部加入藻渣粉末至终质量为0.8公斤，在粘结剂的作用下，藻渣均匀粘附在颗粒外层，同时热气流对包裹缓释肥料进行干燥，当含水量低于5%时，视为包裹完成，测得藻渣包裹层占所述缓释肥料的总重量的7.2%。该缓释肥料的成品如图1所示。

通过过硫酸钾氧化法测总氮的方法，评价该微藻包裹缓释肥料在纯水中的养分释放情况。在25℃条件下浸提24h后，这种包裹尿素在水中释放氮元素的量占总氮元素含量的4.27 %，5天之后溶出率为44.57%，10天之后为56.66%，15天之后为61.05%，22天之后为70.29%，包裹缓释肥颗粒溶解情况如图2所示。同样条件下，专利200610079035.4中使用秸秆木质素作为包裹材料（占比15%），同时以地沟油作为封闭剂（占比5%）制备的缓释尿素，在24h的氮元素释放率为56%，见表1。

实施例3

将微藻藻体（来源是人工养殖的螺旋藻，Spirulina maxima）提过蛋白质后的藻渣在50℃下烘干至含水量低于5%，在雷蒙磨中粉碎成粉末，过150目筛。配置质量分数为3%的PEG4000水溶液作为粘结剂。在圆盘造粒机中加入10公斤尿素颗粒，开始转动圆盘，通过高压喷嘴将粘结剂以雾状的形式均匀喷涂到颗粒肥表面。同时向圆盘中撒入藻渣粉末，不断喷粘结剂将粉末包裹在尿素外层，直到0.8公斤藻渣粉末包裹在颗粒上。然后用热风机对包裹后的缓释肥料进行干燥，直到含水量低于5%，测得藻渣包裹层占所述缓释肥料的总重量的7.7%，包裹缓释肥颗粒成品如图1所示。

通过过硫酸钾氧化法测总氮的方法，评价该微藻包裹缓释肥料在纯水中的养分释放情况。在25℃条件下浸提24h后，这种包裹尿素在水中释放氮元素的量占总氮元素含量的7.21 %，5天之后溶出率为34.22%，10天之后为46.37%，15天之后为60.00%，22天之后为65.49%，包裹缓释肥颗粒溶解情况如图2所示。

不同缓释肥料的氮元素的释放率如表1所示。

表1

专利性分析：实施例1-3显示藻体细胞或藻渣包裹的肥料颗粒具有意想不到的肥料缓释效果，第1天的释放率只有4~8%，22天后的释放率为60~70%之间，相比现有技术的第1天最低的释放率23.22%、第22天的释放率90%左右（即基本释放完全）的缓释效果要好得多。

按照所属领域的技术人员的惯常思维考虑，藻体细胞或藻渣与现有技术的植物废渣、秸秆或木材粉渣等皆为纤维材料，具有类似结构特征，均是通过纤维包裹缓释肥料的，应该具有同样类似的缓释效果，但是通过实施例1-3的过硫酸钾氧化法测总氮的静水缓释试验显示本发明的藻体细胞或藻渣包裹的肥料颗粒具有意想不到的肥料缓释效果（22天后肥料的释放率也只在60~70%），相比现有技术具有更长的缓释时间。

申请人开始时认为藻体细胞或藻渣包裹的肥料颗粒与现有技术木质素的包裹材料（专利200610079035.4）应该是属于同样的作用机理（多空结构、大表面积以及纤维性）起到对肥料的缓释作用，但是实施例1-3的缓释试验与木质素的包裹材料（专利200610079035.4）不同的缓释效果证明，藻体细胞或藻渣包裹的肥料颗粒的缓释机理并非如此。随后，申请人对微藻藻体和藻渣的缓释效果进行了更深入的机理研究，分析藻体细胞或藻渣包裹的肥料颗粒缓释的原因在于，微藻藻体具有完整的细胞结构，能够通过液泡贮存大量水分从而阻止了水分进一步对包裹的肥料颗粒的渗入，营养素的溶解速率降低；而提取部分成分之后的藻渣，因含有蛋白质、多糖、脂质等大分子相互结合的有机质，而非单一的纤维素或木质素结构，相比而言含有更多的亲水基团，多余的水会通过大分子间的亲水基团贮存在藻渣中阻止水分对包裹的肥料颗粒的渗入，从而达到相比现有技术更优的缓释效果。正因为藻体细胞或藻渣表现出的良好的吸水溶胀性，使得包裹层在没有油脂类疏水性物质作为封闭剂的条件下，也不容易破裂，提高了营养素的缓释效果。

Claims

1.一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料，其特征在于所述缓释肥料以复合肥料颗粒或单质颗粒化肥为内核，外层包裹微藻藻体细胞或藻渣；并且，微藻藻体或藻渣包裹层占所述缓释肥料的总重量的5~15%，其中，所述微藻藻体或藻渣的含水量为5~10%。

2.根据权利要求1所述的一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料，其特征在于所述的内核肥料为尿素、硫酸钾、磷酸钙、三元复合肥料颗粒中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料，其特征在于所述的微藻藻体是通过人工或机械打捞、直接过滤、絮凝、混凝沉淀从自然水体或人工养殖水体中得到的，藻渣是藻细胞经提取蛋白质或多糖或油脂之后的固体副产物。

4.权利要求1所述的一种微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料的制备方法，其特征在于包括如下的步骤：

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于所述步骤（2）中在流化床中加入颗粒状的复合肥料颗粒或单质肥料颗粒，并使肥料颗粒在流化床中处于不断翻滚的状态，然后，喷入雾状的粘接剂溶液的同时撒入粉末状的所述包裹材料，将所述包裹材料均匀地粘结到肥料颗粒的表面，得微藻藻体或藻渣包裹的缓释肥料；然后，以热空气为流化气流将所述缓释肥料干燥至含水量5%以下。

6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于所述的粘结剂为质量浓度为5%的聚乙烯醇水溶液，或0.1%的聚丙烯酰氨水溶液，或3%的聚乙二醇水溶液。