CN110963854A - 一种缓释功能尿素肥料及其制备方法和应用 - Google Patents

一种缓释功能尿素肥料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种缓释功能尿素肥料，该缓释功能尿素肥料包括尿素、矿物源黄腐酸、缓释载体填充料；所述缓释载体填充料包括改良型聚丙烯酰胺、木质素；按照质量份数计：尿素：99.3‑99.6份；矿物源黄腐酸：0.1‑0.2份；改良型聚丙烯酰胺：0.03‑0.1份；木质素：0.2‑0.25份。本发明制备的缓释功能尿素肥料中，尿素需经过多层阻碍作用才释放到外界环境中发挥作用，具有更低的尿素释放速率，提高了尿素的利用效率。

Description

一种缓释功能尿素肥料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及尿素肥料及其制备方法和应用，具体涉及一种缓释功能尿素肥料及其制备方法和应用。
背景技术
尿素为氮肥，氮肥为农业种植中最为重要的营养元素，是作物生命元素，中国农业种植过程中大量使用尿素，但是大量使用后利用率极低，一般地区只有 30％的利用率，如中国西北地区的干旱碱性土壤，尿素的利用率只有15-20％，利用率低增加了种植户的种植成本，且造成了环境的污染。生产尿素需要大量消耗煤炭或天然气资源，所以科学降低尿素使用量和提高尿素的利用率已经迫在眉睫。为保护资源、环境，并有效利用资源，质量替代数量是中国氮肥产业未来发展的道路。我国的缓释肥料技术也在发展，缓释功能尿素肥料在改善肥料中起重要作用有效地使用这种肥料，减少常规尿素的浸出损失，这降低了施肥的频率，减轻了环境污染并有助于促进可持续农业。但是目前包衣氮肥料成本太高，且包衣物会残留在土壤中污染环境，难以符合中国农业的需求，为了提高施肥效率，非常需要具有高封装尿素含量和低尿素释放速率的缓释肥料。
尿素生产工艺中为高温和高压化学工艺，一般的聚丙烯酰胺粉剂无法加入到生产过程中，且所使用的聚丙烯酰胺在土壤中不可分解，且溶解速度慢，长时间使用会污染土壤，且造成土壤封闭，不利于作物生长；阳离子聚丙烯酰胺本身是三维网状结构，具有亲水保水性能，且腐殖酸具有亲水官能团，也具有保水作用，但与土壤的结合能力不足；阴离子聚丙烯酰胺与土壤接触，被土壤吸收之后，它自身带有与土壤表面相同的负电荷，本应与土壤颗粒相斥，但是它却能够通过阳离子桥的作用与土壤相结合，但阴离子聚丙烯酰胺为线型，其保水能力不够。
木质素是具有三维空间网状结构的高分子化合物，在自然界的数量仅次于纤维素和甲壳素，是第三大量的天然可再生有机物。经碱液蒸煮脱木质素后排出的造纸黑液是造纸工业最大的污染源，其中所含的木质素是主要的污染物之一，如不加以回收利用，随黑液直接排入纳污水体，会造成严重的环境污染危害。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种缓释功能尿素肥料及其制备方法和应用，具有改善的尿素缓释率和较强的土壤保水性能，成为一种生态友好型缓释功能尿素肥料。其制备工艺简单，成本低廉，使用方便。
为了达到上述目的，本发明提供了一种缓释功能尿素肥料，该缓释功能尿素肥料以缓释载体填充料负载尿素、矿物源黄腐酸；上述缓释载体填充料以改良型聚丙烯酰胺、木质素为原料；上述缓释功能尿素肥料的制备原料包括以下重量份数的组分尿素：99.3-99.6份；矿物源黄腐酸：0.1-0.2份；改良型聚丙烯酰胺： 0.03-0.1份；木质素：0.2-0.25份。
上述的尿素含氮量为46％-46.3％，颗粒粒径为0.5-4.5mm。
上述改良型聚丙烯酰胺为网状结构的阴离子聚丙烯酰胺，上述改良型聚丙烯酰胺的分子量为1300万-1600万。
上述木质素通过以下方法制备得到：将原始的浓缩小麦秸秆黑液在蒸馏水中以1:9的体积比稀释，加入4MHCl将混合物的pH调节至2-3；在室温下过夜后，通过离心从溶液中分离出碱性木质素，并用去离子水洗涤数次直至洗涤水为中性；将收集的木质素在45℃，0.8MPa真空下干燥，然后研磨成粉末。
上述木质素分子量为800-10000。
一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：(1)将尿素加热熔融后，将矿物源黄腐酸、改良型聚丙烯酰胺、木质素与尿素熔融液均匀混合；(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆制得不同粒径的缓释尿素。
上述步骤(2)中造粒方法为钢带冷却造粒。
作为上述方案的进一步改进，一种缓释功能尿素肥料，该缓释功能尿素肥料以缓释载体填充料负载尿素、矿物源黄腐酸；上述缓释载体填充料以改良型聚丙烯酰胺、木质素、蒙脱土为原料；上述缓释功能尿素肥料的制备原料包括以下重量份数的组分尿素：99.3-99.6份；矿物源黄腐酸：0.1-0.2份；改良型聚丙烯酰胺：0.03-0.1份；木质素：0.2-0.25份；蒙脱土：0.1-0.15份。
作为上述方案的进一步改进，该缓释功能尿素肥料的制备方法包括以下步骤：(1)将尿素加热熔融后，将生化黄腐酸与尿素熔融液均匀混合，制得的混合液喷进造粒塔进行干燥、造粒，制得粒径为1-2mm的增效尿素颗粒；(2)在25℃条件下，将钠活化蒙脱土、增效尿素颗粒和蒸馏水均匀混合，将混合物在单螺杆挤出机中于35℃挤出3-5次，并在室温下干燥48小时后研磨成粒径为37-74μm 的颗粒；(3)将步骤(2)制备得到的颗粒与木质素混合，将混合物在135℃下加热 0.5-1h后，冷却烘干后研磨成粒径为37-74μm的颗粒；(4)将步骤(3)制备得到的颗粒与改良型聚丙烯酰胺均匀混合，混合后的混合物进行造粒，得到缓释功能尿素肥料。
一种缓释功能尿素肥料的应用，上述缓释功能尿素肥料应用于大田作物、果树或蔬菜。
本发明缓释功能尿素肥料优选用于棉花。
本发明相比现有技术具有以下优点：
1、木质素是一种天然有机聚合物，可作为木浆生产的副产品大量获得；木质素是一种可再生、可生物降解、生态友好的无定形生物聚合物，具有空间网状结构，且具有极性基团，是一种含有许多负电基团的多环高分子有机物，因而在土壤中与高价金属离子有较强的亲和力，能够吸附或包裹肥料，达到缓释肥料的目的，同时，木质素在土壤中可降解，通过微生物代谢形成腐殖酸，改善土壤的理化性质，提高土壤通透性防止板结。
2、矿物源黄腐酸含有丰富的羟基、羧基、酚羟基、甲氧基等官能团，活性高。矿物源黄腐酸的分子量在300-500之间，施入土壤中可以直接被作物分解利用的；矿物源黄腐酸特有的性质使其利于土壤团粒结构的形成、调节土壤矿物的氧化还原浓度比、刺激土壤中微生物活性、调节植物体的生理活性，改良土壤环境。
3、改良型的网状结构的聚丙烯酰胺可有效改善土壤结构，增加大团聚体数目，降低土壤容重，提高渗透率，增加土壤的含水量，提高土壤抗蚀能力。使土壤团粒化，改善空气流通性、水渗透性、和保水性，能在土壤中迅速形成很多小型网状水库和养分库，使养分、水分和土壤牢牢结合在一起，氮不再流失和挥发，大大提高了氮肥的利用率。
4、本发明制备的缓释功能尿素肥料中，尿素分子需先通过外层的木质素膜的物理阻隔作用，再通过聚丙烯酰胺树脂层才释放到外界环境中，具有较低的尿素释放速率。
5、本发明在木质素和聚丙烯酰胺树脂的基础上，加入蒙脱土，蒙脱土是具有蒙脱土结构的水合层状硅酸盐矿物，土壤中一定量的蒙脱土可以提高土壤的保水性，帮助形成良好的土壤颗粒结构，它也可以用于去除土壤中的重金属和有机农药，这对农业生产很有帮助。另外，尿素分子位于蒙脱石层板之间，从蒙脱石层板扩散出的尿素分子需先通过外层的木质素膜的物理阻隔作用，再通过聚丙烯酰胺树脂层才释放到外界环境中，具有更低的尿素释放速率。
附图说明
图1为实施例制得的缓释功能尿素肥料的尿素累积释放曲线。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.3份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.1份、改良型聚丙烯酰胺 0.03份、木质素0.25份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例2
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.3份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.13份、改良型聚丙烯酰胺 0.05份、木质素0.2份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例3
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.4份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.15份、改良型聚丙烯酰胺 0.07份、木质素0.23份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例4
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.5份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.17份、改良型聚丙烯酰胺 0.09份、木质素0.22份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例5
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.6份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.18份、改良型聚丙烯酰胺 0.03份、木质素0.25份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例6
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.3份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.2份、改良型聚丙烯酰胺 0.1份、木质素0.25份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例7
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.6份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.1份、改良型聚丙烯酰胺 0.03份、木质素0.2份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例8
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.3份加热熔融后，将矿物源黄腐酸0.2份与尿素熔融液均匀混合，制得的混合液喷进造粒塔进行干燥、造粒，制得粒径为1-2mm的增效尿素颗粒；
(2)在25℃条件下，将钠活化蒙脱土0.15份、增效尿素颗粒和蒸馏水均匀混合，将混合物在单螺杆挤出机中于35℃挤出5次，并在室温下干燥48小时后研磨成粒径为37-74μm的颗粒；
(3)将步骤(2)制备得到的颗粒与木质素0.2份混合，将混合物在135℃下加热1h后，冷却烘干后研磨成粒径为37-74μm的颗粒；
(4)将步骤(3)制备得到的颗粒与改良型聚丙烯酰胺0.1份均匀混合，混合后的混合物通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例9
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.6份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.1份、改良型聚丙烯酰胺 0.03份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例10
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.6份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.1份、木质素0.2份的均匀混合物与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例11
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.3份加热熔融后，将矿物源黄腐酸0.2份与尿素熔融液均匀混合，制得的混合液喷进造粒塔进行干燥、造粒，制得粒径为1-2mm的增效尿素颗粒；
(2)在25℃条件下，将钠活化蒙脱土0.15份、增效尿素颗粒和蒸馏水均匀混合，混合后的混合物通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
实施例12
本实施例一种缓释功能尿素肥料的制备方法，包括如下步骤：
(1)将尿素99.6份加热熔融后；将矿物源黄腐酸0.1份与尿素熔融液均匀混合；
(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆通过喷头进入钢板冷却造粒，制得半圆形的缓释尿素颗粒。
以下是对实施例1-12制备得到的缓释功能尿素肥料的淋溶试验，淋溶试验方法：准确称取实施例1-12制备得到的缓释功能尿素肥料样品5g，将其放入砂芯漏斗中，再将砂芯漏斗放在锥形瓶上；开启蠕动泵，去离子水以每20秒1滴的速率均匀缓慢地滴到样品上；设定总滴淋时间300min，分时段收集淋洗液，用超滤膜过滤，对过滤液65℃干燥10h后，得到的白色固体为肥料中渗滤出的尿素，称重；收集不同取样时间点对应的尿素浓度，计算尿素累积释放率。尿素累积释放率是指一段时间内，从样品中释放的尿素累积释放量质量占该样品中释放前样品所含尿素质量的质量分数。结果如图1所示，从图1可以看出，使用木质素、改良型聚丙烯酰胺为缓释载体填充料的实施例1-8得到的缓释功能尿素肥料在淋溶时间为300min时，尿素累积释放率基本均在40％以下，而实施例8的尿素累积释放率为35％，效果较好些；而缓释载体填充料缺少木质素的实施例9、缓释载体填充料缺少改良型聚丙烯酰胺的实施例10、缓释载体填充料缺少木质素和改良型聚丙烯酰胺的实施例11、缺少缓释载体填充料的实施例12，这些实施例得到的缓释功能尿素肥料在淋溶时间为300min时，实施例12的尿素累积释放率基本达100％，实施例9-11的尿素累积释放率在60％-70％之间。因此，本发明得到的缓释功能尿素肥料具有较好的控释效果。
以下通过试验例来进一步说明本发明。
试验例：棉花施肥试验
一、基本情况
试验时间：2018.4-2018.12；试验地点：新疆阿克苏地区温宿县克孜勒镇5 大队1小队(N：39.93770、E：079.37258)；试验地区年平均降雨量为73mm，≥ 10℃的积温4136℃，无霜期208天，土壤类型为灌淤土，地下水位2.2-2.8m。
二、材料与方法
1、供试肥料为本发明实施例2的缓释功能尿素肥料，对照用肥料为常规尿素(含N≥46％)、磷酸二铵(含N≥18％、含P2O5≥46％)、硫酸钾(含K2O≥50％)、磷酸二氢钾(含K2O≥33％、含P2O5≥53％)，均为市售产品。
2、田间试验采用小区试验，设置三个试验区，每个试验区划分成三个处理区；处理区的形状为长方形，长宽比例为3.2:1，面积66.7m2(14.5m×4.6m)；试验小区四周均设置保护区，试验区总面积736m2(包括保护区)，三个试验区平行试验。试验小区布置如下所示：
Figure BDA0002314868580000081
3、试验处理
各试验区统一施底肥及播种，每个处理区播种4行，随后按照以下方式在三个处理区使用追肥：
处理1(常规对照)：常规尿素40Kg/亩+磷酸二氢钾6Kg/亩，分3次追施，第一次于6月27日追施常规尿素15Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩，第二次于7月 15日追施常规尿素15Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩，第三次于7月30日追施常规尿素10Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩。
处理2(缓释功能尿素肥料亩使用量比当地常规尿素减施30％)：缓释功能尿素肥料28Kg/亩+磷酸二氢钾6Kg/亩，分3次追施，第一次于6月27日追施缓释功能尿素肥料10Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩，第二次于7月15日追施缓释功能尿素肥料10Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩，第三次于7月30日追施缓释功能尿素肥料8Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩。
处理3(缓释功能尿素肥料亩使用量比当地常规尿素减施50％)：缓释功能尿素肥料20Kg/亩+磷酸二氢钾6Kg/亩，分3次追施，第一次于6月27日追施缓释功能尿素肥料8Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩，第二次于7月15日追施缓释功能尿素肥料7Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩，第三次于7月30日追施缓释功能尿素肥料5Kg/亩+磷酸二氢钾2Kg/亩。
4、棉花生长期采用正常的田间管理，成熟期分别收获测产，将三个试验区中相对应处理区的数据平均值作为统计结果，结果如下：
4.1、对棉花生育期的影响
Figure BDA0002314868580000082
Figure BDA0002314868580000091
从上表调查结果分析：在同等管理条件下，处理2花铃盛期、开始叶絮期均较对照处理1提前2天，但吐絮终期延迟3天。试验结果表明了本发明缓释功能尿素肥料能有效促进棉花早熟，并能延迟棉花早衰。
4.2、对棉花生育性状的影响
处理 亩株数/株 株高/厘米 有效果枝数/台 单株铃数/个 单铃重/克
处理1 12000 72 7.5 7.5 5.0
处理2 12000 74 7.5 7.9 5.2
处理3 12000 72 7.5 7.6 5.0
从上表调查结果分析：施用本发明缓释功能尿素肥料处理2与处理1(常规尿素)相比单株结铃数、单铃重均有不同程度的增加，单株铃数增加0.4个、单铃中增加0.2g；处理3因施肥量偏少，单株结铃只增加0.1个。说明本发明缓释功能尿素肥料能有效改善棉花生物性状，提高产量。
4.3、不同肥料处理作物产量结果的影响
Figure BDA0002314868580000092
产量结果分析如上表所示：处理2平均亩产籽棉469Kg，处理2比处理1 增产55Kg，增产率为13.3％；处理3比处理1增产7Kg，增产率为1.7％；三个处理产量排序为：处理2>处理3>处理1。
4.4、对棉花品质的影响
Figure BDA0002314868580000093
Figure BDA0002314868580000101
如上表所示，根据各小区收获取样室内考种分析：处理2比处理1衣分提高了0.5％，处理2比处理1子指降低了0.3g、绒长增加了0.2mm。表明本发明缓释功能尿素肥料能有效改善棉花的品质。
4.5、经济效益分析
处理 亩产量 亩产值 肥料成本 其它物化投入 纯收益 较对照增加收益
处理1 414 2981 553 880 1548
处理2 469 3377 551 880 1946 398
处理3 421 3031 529 880 1622 74
经济效益结果如上表：处理2亩纯收益最高为1946元，与常规尿素处理1 相比亩增收398元；处理3与处理1相比亩增收74元。表明本发明缓释功能尿素肥料较常规尿素增收效益明显提高。
三、结论
本发明提供的功能尿素能够促进棉花生长发育，提早吐絮，防止早衰，提高棉花的品质；本发明提供的功能尿素肥效明显高于常规尿素，比常规尿素减施 30％的量亩增产籽棉55Kg，增产率为13.3％，每亩增加产值398元；比常规尿素减施50％的量能增产7Kg，增产率为1.7％，增收74元，经济效益明显；本发明缓释功能尿素肥料与常规尿素一样施用方便、安全，对作物和土壤没有危害。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种缓释功能尿素肥料，其特征在于：该缓释功能尿素肥料以缓释载体填充料负载尿素、矿物源黄腐酸；所述缓释载体填充料以改良型聚丙烯酰胺、木质素为原料；所述缓释功能尿素肥料的制备原料包括以下重量份数的组分：尿素：99.3-99.6份；矿物源黄腐酸：0.1-0.2份；改良型聚丙烯酰胺：0.03-0.1份；木质素：0.2-0.25份。
2.根据权利要求1所述的一种缓释功能尿素肥料，其特征在于：所述的尿素含氮量为46％-46.3％，颗粒粒径为0.5-4.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种缓释功能尿素肥料，其特征在于：所述改良型聚丙烯酰胺为网状结构的阴离子聚丙烯酰胺，所述改良型聚丙烯酰胺的分子量为1300万-1600万。
4.根据权利要求1所述的一种缓释功能尿素肥料，其特征在于：所述木质素通过以下方法制备得到：将原始的浓缩小麦秸秆黑液在蒸馏水中以1:9的体积比稀释，加入4MHCl将混合物的pH调节至2-3；在室温下过夜后，通过离心从溶液中分离出碱性木质素，并用去离子水洗涤数次直至洗涤水为中性；将收集的木质素在45℃，0.8MPa真空下干燥，然后研磨成粉末。
5.根据权利要求4所述的一种缓释功能尿素肥料，其特征在于：所述木质素分子量为800-10000。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种缓释功能尿素肥料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将尿素加热熔融后，将矿物源黄腐酸、改良型聚丙烯酰胺、木质素与尿素熔融液均匀混合；(2)将步骤(1)中均匀混合后的料浆制得不同粒径的缓释尿素。
7.根据权利要求6所述的一种缓释功能尿素肥料的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中造粒方法为钢带冷却造粒。
8.一种权利要求1-6任一项所述的一种缓释功能尿素肥料的应用，其特征在于：所述缓释功能尿素肥料应用于大田作物、果树或蔬菜。
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