CN112661573A - 一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明创造提供了一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，先将一定质量的植物秸秆粉碎成颗粒，在搅拌条件下加入到配制好的强碱溶液中，在一定温度下反应后得到碱性液体混合物。然后将一定质量的无机多孔材料加入到所述碱性液体混合物中搅拌，最后将有机酰胺、腐殖酸、有机酸、金属无机盐引发剂按一定比例混合后加入到所述碱性液体混合物中，在一定温度下继续反应。将反应后的混合物取出，干燥，得到一种高性能生物基水肥缓释材料。本发明创造在现有研究的基础之上，对生物基高吸水性水肥缓释材料的制备工艺进行优化，得到一种操作简单、易于控制、成本低廉、产量高效的制备方法，特别适用于水肥缓释材料在农业生产中推广使用的需要。
Description
技术领域
本发明属于化工新材料技术领域，具体涉及一种可降解的高性能生物基水肥缓释材料的制备方法。
背景技术
一般认为，无机化肥既容易被作物吸收，但也容易流失。传统方法中增施化肥是获得高产的重要途径，但大量的化肥投人带来了肥料利用率下降、经济效益降低、环境污染加剧以及生态环境恶化等一系列问题。与此同时，不合理的施用方式进一步促使农民加大肥料投入，氮在土壤中的损失太高，利用率仅有30-40％，仅为发达国家的60-70％，肥效期仅有50天左右，造成了肥料资源的严重浪费。另一方面，大量肥料在下雨时被雨水带走，造成水土流失，并且雨水中含有大量的氮磷钾，无论是进一步进入地下水系还是地表水体，都会造成水源的富营养化，进而使水中氧气含量降低，严重污染水源，产生严重的生态环境事故。
国外控/缓释肥料的研究起步较早，主要有美国、英国、法国、日本、加拿大、以色列、德国、荷兰等发达国家。美国在20世纪60年代研制出硫衣包膜尿素(SCU)，但即使使用了密封剂等材料，硫膜在制造和使用时还是不可避免地存在残缺与破损，易被微生物分解，造成不能按照预期的设想释放养分。20世纪80年代，人们在硫包膜表面再包裹一层有机聚合物，提高了硫衣包膜尿素控释性能的稳定性。1964年，美国采用热固性树脂为包膜，开发并首先实现树脂型包膜控/缓释肥料的工业化生产。此后德国、加拿大、日本等许多国家开发出不同聚合物作包膜材料的肥料。日本的控/缓释肥料研究开始于20世纪60年代，目前其研究和应用都处于世界的前列。日本将聚烯烃薄膜的低透水性和乙烯-乙酸乙酯共聚物的高透水性相结合，通过调节其比例，实现了对释放速率的控制。1994年日本开发出用聚乙烯、聚环氧乙烷、壬基苯基醚加滑石粉的悬浮液喷雾包膜的工艺，这一工艺也可以用于喷雾含玉米淀粉和过氯乙烯的溶液作为包膜。
我国是施肥大国，但是控/缓释肥料的研究却相对较晚。20世纪70年代初，中国科学院南京土壤研究所和南京化工研究所合作，研制成释放特性非常好的包膜碳酸氢铵，使氮素在水稻上的利用率达到74％。北京农林科学院实现了线型和S型的释放特性，同时提高了包膜的降解性。中国科学院应用生态研究所通过添加脲酶抵制剂和硝化抵制剂来延缓肥料的释放，取得很好的效果。
发明内容
本发明的目的是得到一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法。水肥缓释材料能够同时吸附肥料和附近土壤中的水分，并将其吸收迁移至植物根部附近，起到在其附近形成一个微型水肥仓库的效果，能够在降低土壤肥料流失的同时大大提升土壤的抗旱能力，这将对于我国干旱地区绿化、作物种植有十分重要的意义。此外，本水肥缓释材料可生物降解，对土壤结构及环境不造成二次污染。
为解决上述技术问题，本发明创造采用的技术方案是，包括下述步骤：先将一定质量的植物秸秆粉碎成颗粒，在搅拌条件下加入到配制好的强碱溶液中，在一定温度下下反应后得到碱性液体混合物，然后将一定质量的无机多孔材料加入到所述碱性液体混合物中搅拌，最后将有机酰胺、腐殖酸、有机酸、金属无机盐引发剂按一定比例混合后加入到所述碱性液体混合物中，在一定温度下继续反应。将反应后的混合物取出，干燥，得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
进一步，上述制备过程包括：先将5-50g植物秸秆粉碎成40-160目的颗粒，在搅拌条件下加入到50-500g质量分数10-30％的强碱溶液中20-100℃下反应5-100min得到碱性液体混合物，然后将5-50g无机多孔材料加入到所述碱性液体混合物中搅拌1-10min，最后将10-100g有机酰胺、腐殖酸、有机酸、引发剂按一定比例混合后加入到所述碱性液体混合物中，在20-100℃下继续反应1-100min。将反应后的混合物取出，干燥除水后得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
其中，所述植物秸秆为玉米、小麦、大豆、棉花、地瓜、甘蔗秸秆中的一种。
其中，所述强碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾水溶液中的一种。
其中，所述无机多孔材料为高岭土、硅藻土、膨润土、黏土中的一种。
其中，所述有机酰胺为丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、己内酰胺中的一种。
其中，所述有机酸为醋酸、丙烯酸、草酸、柠檬酸中的一种。
其中，所述引发剂为硝酸铈铵、偏钒酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、高锰酸钾中的一种。
其中，所述有机酰胺、腐殖酸、有机酸、引发剂质量比为0.05-2∶1-50∶50-98∶0.01-1。
采用中华人民共和国农业行业标准《农林保水剂》(NY 886-2010)吸水(盐水)倍数的测定方法对所合成的一种高性能生物基水肥缓释材料的吸水性能进行测试。
本发明创造在现有研究的基础之上，对高吸水性水肥缓释材料的制备工艺进行进一步的调整和控制，通过筛选原材料、改变制备步骤和方式、优化温度、原料配比和各个步骤在时间上的进程等手段，成功制备了可降解的生物基水肥缓释材料，植物秸秆和无机多孔材料的利用一方面提高了材料的吸水保水效果，还提高了材料的自然降解速率，避免了对土壤结构造成破坏，从而使材料的推广应用难度降低；同时，整个制备过程流程简单，原料以低成本植物秸秆和无机多孔材料为主，具有操作简单、易于控制、成本低廉、产量高效的优势，特别适用于水肥缓释材料在农业生产中推广使用。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明创造进行进一步说明。以下实施例仅为说明本发明的目的而非设限，实施例和对比例中未提及的工艺条件或过程按照常规的工艺条件或参数进行。
实施例1
先将5g玉米秸秆粉碎成40-60目的颗粒，在搅拌条件下加入到50g质量分数10％的氢氧化钾溶液中20℃下反应100min得到碱性液体混合物，然后将5g高岭土加入到所述碱性液体混合物中搅拌10min，最后将10g丙烯酰胺、腐殖酸、醋酸、过硫酸铵按质量比0.99∶1∶98∶0.01混合后加入到所述碱性液体混合物中，在20℃下继续反应100min。将反应后的混合物取出，干燥除水后得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
实施例2
将50g大豆秸秆粉碎成120-160目的颗粒，在搅拌条件下加入到500g质量分数30％的氢氧化钠溶液中100℃下反应5min得到碱性液体混合物，然后将50g硅藻土加入到所述碱性液体混合物中搅拌1min，最后将100g聚丙烯酰胺、腐殖酸、柠檬酸、硝酸铈铵按质量比0.05∶10∶89∶0.95混合后加入到所述碱性液体混合物中，在100℃下继续反应1min。将反应后的混合物取出，干燥除水后得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
实施例3
将20g植物秸秆粉碎成80-100目的颗粒，在搅拌条件下加入到100g质量分数20％的氢氧化钠溶液中50℃下反应40min得到碱性液体混合物，然后将200g黏土加入到所述碱性液体混合物中搅拌50min，最后将50g N，N-亚甲基双丙烯酰胺、腐殖酸、丙烯酸、过硫酸钠按质量比2∶40∶57∶1混合后加入到所述碱性液体混合物中，在50℃下继续反应50min。将反应后的混合物取出，干燥除水后得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
实施例4
将40g甘蔗渣秸秆粉碎成100-120目的颗粒，在搅拌条件下加入到400g质量分数25％的氢氧化钾溶液中80℃下反应80min得到碱性液体混合物，然后将40g膨润土加入到所述碱性液体混合物中搅拌8min，最后将80g己内酰胺、腐殖酸、丙烯酸、过硫酸钾按质量比0.5∶49∶50∶0.5混合后加入到所述碱性液体混合物中，在80℃下继续反应80min。将反应后的混合物取出，干燥除水后得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
实施例5
将10g棉花秸秆粉碎成60-80目的颗粒，在搅拌条件下加入到100g质量分数15％的强碱溶液中40℃下反应20min得到碱性液体混合物，然后将10g无机多孔材料加入到所述碱性液体混合物中搅拌4min，最后将20g聚丙烯酰胺、腐殖酸、草酸、高锰酸钾按质量比1∶30∶68∶1混合后加入到所述碱性液体混合物中，在40℃下继续反应30min。将反应后的混合物取出，干燥除水后得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
对比例1
购买市售某主流品牌A婴儿纸尿裤，将其拆开后得到1g其内含的吸水材料，以本发明所采用的相同方法测试其吸水性能。
对比例2
购买市售某主流品牌B婴儿纸尿裤，将其拆开后得到1g其内含的吸水材料，以本发明所采用的相同方法测试其吸水性能。
将上述实施例和对比例获得的一种高性能生物基水肥缓释材料吸水性能按照《农林保水剂》(NY 886-2010)方法进行评价，具体方法为：
称取1g试样(精确至0.01g)，置于2000ml烧杯中，加入1000ml水，搅拌5min，静置30min，使试样充分吸水膨胀。将凝胶状试样移入已知质量的标准试验筛中，自然过滤10min。将试样筛倾斜放置，再过滤10min。称量试样筛和凝胶状试样的质量。吸盐水倍数的测定则将上水测试方法中的水换成质量分数为0.9％的NaCl溶液即可。
吸水(盐水)倍数υ以(g/g)表示，按下式计算：
υ＝(m1-m2)/m
其中：
m1——试样吸水(盐水)后的质量，单位为g；
m2——空白试验的质量，单位为g；
m——试样的质量，单位为g。
取平行测定结果的算术平均值为测定结果，结果保留到小数点后一位。
评价结果如表1所示。
表1不同实施例所制备生物基水肥缓释材料吸水性能
从表1可以看出，采用本发明部分实施例制备的一种高性能生物基水肥缓释材料其吸水性能与市售2种某主流品牌婴幼儿纸尿裤中吸水材料相当；而采用本发明方法制备的生物基水肥缓释材料由于增加了植物秸秆、无机多孔材料等，使得产品具有可生物降解、成本低等特点，在农业应用中具备较好优势。
Claims (8)
1.一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，包括下述步骤：先将5-50g植物秸秆粉碎成40-160目的颗粒，在搅拌条件下加入到50-500g质量分数10-30％的强碱溶液中20-100℃下反应5-100min得到碱性液体混合物，然后将5-50g无机多孔材料加入到所述碱性液体混合物中搅拌1-10min，最后将10-100g有机酰胺、腐殖酸、有机酸、引发剂按一定比例混合后加入到所述碱性液体混合物中，在20-100℃下继续反应1-100min。将反应后的混合物取出，干燥除水后得到一种高性能生物基水肥缓释材料。
2.根据权利要求1所述的一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，其特征在于，所述植物秸秆为玉米、小麦、大豆、棉花、甘蔗秸秆中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，其特征在于，所述强碱溶液为氢氧化钠、氢氧化钾水溶液中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，其特征在于，所述无机多孔材料为高岭土、硅藻土、膨润土、黏土中的一种。
5.根据权利要求1所述的一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，其特征在于，所述有机酰胺为丙烯酰胺、聚丙烯酰胺、N，N-亚甲基双丙烯酰胺、己内酰胺中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，其特征在于，所述有机酸为醋酸、丙烯酸、草酸、柠檬酸中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，其特征在于，所述引发剂为硝酸铈铵、偏钒酸铵、过硫酸钠、过硫酸钾、过硫酸铵、高锰酸钾中的一种。
8.根据权利要求1所述的一种高性能生物基水肥缓释材料的制备方法，其特征在于，所述有机酰胺、腐殖酸、有机酸、引发剂质量比为0.05-2∶1-50∶50-98∶0.01-1。
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