CN113173814A - 一种石墨烯-蚯蚓粪复合肥及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种石墨烯‑蚯蚓粪复合肥及其制备方法和应用。以重量份计，所述复合肥包括石墨烯0.25‑1份，蚯蚓粪5000‑10000份，石墨烯包覆在蚯蚓粪表面并掺杂在蚯蚓粪内部。本发明通过石墨烯本身比表面积大，具有网状片层结构，负载能力强，亲水性强，在水中分散性良好；石墨烯能吸附并缓释各类营养物质，营养物质被石墨烯包裹后能加速溶于水，利于植物吸收，促进植物根系发育和植株快速成长。
Description
技术领域
本发明属于肥料制备领域，涉及一种石墨烯-蚯蚓粪复合肥及其制备方法和应用。
背景技术
肥料是农业生产的基本原料，是保障国家粮食安全的物质基础，还是一种高能耗、资源紧缺的战略物资。化学肥料的长期使用导致土壤有机质含量、作物产量和品质逐年下降。蚯蚓粪属于一种新型有机肥料，质地均一、表面积大，具有很好的孔性、通气性、排水性和高的持水量，同时富含多种有益微生物和植物生长调节物质，具有促进植物生长、提高产量和品质的作用。蚯蚓粪在任何浓度下，即使是非常娇贵的种子或者是花坛植物都不会因其过量而受到灼伤。近年来，国内外对蚯蚓粪的研究显示，添加适量的蚯蚓粪可缩短育苗时间，增加经济效益，而在国内利用蚯蚓粪有机肥栽培作物的研究报道较少。然而单以蚯蚓粪作为单一肥料栽培作物，存在着不能在土壤表面使用、养分不全面等诸多缺陷。因而提供一种可以快速提高植物种子的萌发率，促进植物地上部分生长与根系发育，提高作物产量的复合肥成为农业生产中亟待解决的技术问题。
发明内容
为改善现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种石墨烯-蚯蚓粪复合肥，以重量份计，所述复合肥包括石墨烯0.25-1份，蚯蚓粪5000-10000份。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯在复合肥中的含量为0.3-0.9份，例如0.4-0.8份，示例性为0.25份、0.3份、0.4份、0.5份、0.75份、1份。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯呈粉体状态。例如，所述石墨烯的平均片径为20-60nm，优选30-50nm，示例性为30nm、35nm、40nm、45nm、50nm。例如，所述石墨烯的单层厚度为0.2-0.6nm，例如0.3-0.5nm，示例性为0.3nm、0.32nm、0.33nm、0.334nm、0.35nm、0.4nm、0.45nm、0.5nm。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯为亲水性石墨烯。优选地，所述石墨烯溶胶中C:O摩尔比为(5-8):(2-5)，例如(6-7.5):(2.5-4)，示例性为7:3。
根据本发明的实施方案，所述蚯蚓粪在复合肥中的含量为5500-9500份，例如6000-9000份，示例性为5000份、5500份、6000份、6500份、7000份、7500份、8000份、9000份。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯至少附着在蚯蚓粪的表层；优选地，所述石墨烯还可以掺杂在蚯蚓粪的内部。更优选地，所述石墨烯可以包覆在蚯蚓粪的表层和掺杂在蚯蚓粪的内部。
根据本发明的实施方案，以质量百分比计，所述蚯蚓粪中有机质的含量为21～40％，全氮的含量为0.95～2.5％，全磷的含量为1.1～2.9％，全钾的含量为0.96～2.2％，腐殖质的含量为21～40％。
根据本发明的实施方案，以质量百分比计，所述蚯蚓粪中有机质的含量为25～38％，全氮的含量为0.95～2.5％，全磷的含量为1.1～2.9％，全钾的含量为0.96～2.2％，腐殖质的含量为25～38％。
根据本发明的实施方案，所述蚯蚓粪的pH值为6.8-7.1，例如6.8、6.9、7.0、7.1。
本发明还提供上述石墨烯-蚯蚓粪复合肥的制备方法，包括如下步骤：将石墨烯溶胶和蚯蚓粪混合，得到的混合物经干燥、粉粹、造粒，得到所述复合肥。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯溶胶和蚯蚓粪的混合过程包括：向蚯蚓粪中浇灌石墨烯溶胶，通过石墨烯溶胶的吸附作用完成蚯蚓粪的增效化，得到混合物。例如，以蚯蚓粪为基础基质，混匀装于容器中(例如所述容器为无出水孔的花盆)，并浇灌石墨烯溶胶，待蚯蚓粪充分吸附石墨烯后，再排出容器中的水，在石墨烯溶胶的吸附作用下完成基质增效化，得到石墨烯-蚯蚓粪复合肥。
根据本发明的实施方案，石墨烯溶胶浇灌蚯蚓粪的次数为1～3次/周，例如1次/周、2次/周或3次/周。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯溶胶的每次浇灌量为1～2升/次，每次浇灌500-1000g的蚯蚓粪。
根据本发明的实施方案，所述石墨烯溶胶由电化学法制备得到。例如，所述电化学法的制备过程包括：将两块石墨粉为原料制备的电极板置于电解氧化槽内分别接以阴阳极，以蒸馏水(优选为一次蒸馏水)作为电解液，电解反应，得到石墨烯溶胶。
优选地，电解过程中，电源脉冲频率为30-50kHz，例如34-45kHz，示例性为40kHz。
优选地，电解过程中的有效电压为8-15V，例如10-14V，示例性为12V。
优选地，电解过程中的有效电流密度为40-60A/m2，例如45-55A/m2，示例性为50A/m2。
优选地，所述石墨烯溶胶的质量浓度为10-50mg/L，例如15-40mg/L，示例性为25.00mg/L。
根据本发明的实施方案，所述蚯蚓粪具有如上文所述的组分及组分含量。
根据本发明的实施方案，所述干燥的温度为37-42℃，例如38-41℃，示例性为37℃、38℃、39℃、40℃、41℃、42℃。
本发明还提供上述石墨烯-蚯蚓粪复合肥在农业种植领域中的应用。例如，适用于粮食、经济、油料作物，豆类作物，中草药，花卉，茶叶，烟草，蔬菜瓜果等农林植物；示例性用于玉米幼苗的培养。
本发明的有益效果：
发明人发现，石墨烯具有独特的结构和优异的性能，多种含氧物质官能团附着在其基面和边缘，形成独特的晶格结构，具有众多的在亲水的sp3 C-O基团，因此，石墨烯具有良好的亲水性能，能够促进植物发芽和生长。且石墨烯对土壤中的N、P、K肥具有持留的效果。将其与蚯蚓粪复合得到的肥料，可以应用于农业种植领域。
本发明提供的石墨烯-蚯蚓粪复合肥，采用亲水纳米级石墨烯溶胶浇灌并包覆、渗透蚯蚓粪得到。石墨烯比表面积大，具有网状片层结构，负载能力强，亲水性强，在水中分散性良好，易溶于水，蚯蚓粪中营养物质被石墨烯包裹后能加速溶于水，利于植物吸收；石墨烯溶胶可以吸附并缓慢释放蚯蚓粪中的各类营养物质，促进植物根系发育和植株快速成长。石墨烯溶胶本身还带有羧基与羟基官能团，可以与蚯蚓粪表面的H2O分子形成化学成键作用以达到固水的目的，有助于提高蚯蚓粪中植物种子萌发率的提高。本发明的石墨烯-蚯蚓粪复合肥，无毒性，可生物降解。本产品可以快速提高植物种子的萌发率，促进植物地上部分生长与根系发育，提高作物产量。
附图说明
图1是实施例1组石墨烯-蚯蚓粪复合肥料培育6周后的玉米幼苗生长表型。
图2是实施例2组石墨烯-蚯蚓粪复合肥料培育6周后的玉米幼苗生长表型。
图3是实施例3组石墨烯-蚯蚓粪复合肥料培育6周后的玉米幼苗生长表型。
具体实施方式
下文将结合具体实施例对本发明的技术方案做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
蚯蚓粪购置内蒙古蒙虫生态农牧业集团有限公司；以质量百分比计，其含有有机质为21～40％，全氮为0.95～2.5％，全磷为1.1～2.9％，全钾为0.96～2.2％，腐殖质为25～38％，pH值为6.8～7.1。
实施例1
石墨烯-蚯蚓粪复合肥的制备过程：
(1)制备亲水纳米材料石墨烯溶胶溶液
石墨烯溶胶溶液的制备过程包括：将两块石墨粉为原料制备的电极板置于电解氧化槽内分别接以阴阳极，以一次蒸馏水作为电解液，电解反应，得到石墨烯溶胶。电解过程中，电源脉冲频率为40kHz，电解过程中的有效电压为12V，电解过程中的有效电流密度为50A/m2；所制备得石墨烯溶胶的质量浓度为25.00mg/L，石墨烯的平均片径为30-50nm，石墨烯的单层厚度为0.3-0.5nm，石墨烯为亲水性石墨烯，石墨烯溶胶的C:O摩尔比为7:3。
(2)包覆并渗透蚯蚓粪
制备好石墨烯溶胶后，将1000g蚯蚓粪装于底部无孔的花盆中，并浇灌上述浓度石墨烯溶胶1次，浇灌体积为1升/次，使其对蚯蚓粪进行包覆并渗透，得到混合物。排出花盆中的水后，混合物经干燥(干燥温度为42℃)、粉碎、造粒，得到石墨烯-蚯蚓粪复合肥。石墨烯-蚯蚓粪复合肥中，石墨烯含量为25mg，蚯蚓粪含量为1000g，石墨烯包覆在蚯蚓粪的表面并渗透掺杂在蚯蚓粪内部。
玉米幼苗培育：
使用本实施例制备的石墨烯-蚯蚓粪复合肥用来进行玉米幼苗的培养：控制温室环境温度为25～30℃，将300粒玉米种子种植于石墨烯-蚯蚓粪复合肥中，对照组300粒玉米种子种植于蚯蚓粪中，种植所用的石墨烯-蚯蚓粪复合肥和蚯蚓粪用量相同，均为1000g，置于相同生长条件下的生长室培养，光照培养12小时、按培养8小时，每周浇等体积的水。6周后，观察玉米幼苗出苗率、株高、生物量及根系发育指标(见图1(随机选取3株玉米幼苗)，表1-表2)。石墨烯-蚯蚓粪复合肥组培育的玉米幼苗各项农艺性状指标明显优于对照组。
实施例2
石墨烯-蚯蚓粪复合肥的制备过程：
(1)制备亲水纳米材料石墨烯溶胶溶液
石墨烯溶胶溶液的制备过程包括：将两块石墨粉为原料制备的电极板置于电解氧化槽内分别接以阴阳极，以一次蒸馏水作为电解液，电解反应，得到石墨烯溶胶。电解过程中，电源脉冲频率为40kHz，电解过程中的有效电压为12V，电解过程中的有效电流密度为50A/m2；所制备得石墨烯溶胶的质量浓度为25.00mg/L，石墨烯的平均片径为30-50nm，石墨烯的单层厚度为0.3-0.5nm，石墨烯为亲水性石墨烯，石墨烯溶胶的C:O摩尔比为7:3。
(2)包覆并渗透蚯蚓粪
制备好石墨烯溶胶后，将1000g蚯蚓粪装于底部无孔的花盆中，并浇灌上述浓度石墨烯溶胶2次，浇灌体积为1升/次，使其对蚯蚓粪进行包覆并渗透，得到混合物。排出花盆中的水后，混合物经干燥(干燥温度为42℃)、粉碎、造粒，得到石墨烯-蚯蚓粪复合肥。石墨烯-蚯蚓粪复合肥中，石墨烯含量为50mg，蚯蚓粪含量为1000g，石墨烯包覆在蚯蚓粪的表面并渗透掺杂在蚯蚓粪内部。
玉米幼苗培育：
使用本实施例制备的石墨烯-蚯蚓粪复合肥用来进行玉米幼苗的培养：控制温室环境温度为25～30℃，将300粒玉米种子种植于石墨烯-蚯蚓粪复合肥中，对照组300粒玉米种子种植于蚯蚓粪中，种植所用的石墨烯-蚯蚓粪复合肥和蚯蚓粪用量相同，均为1000g，置于相同生长条件下的生长室培养，光照培养12小时、按培养8小时，每周浇等体积的水。6周后，观察玉米幼苗出苗率、株高、生物量及根系发育指标(见图2(随机选取3株玉米幼苗)，表1-表2)。石墨烯-蚯蚓粪复合肥组培育的玉米幼苗各项农艺性状指标明显优于对照组。
实施例3
石墨烯-蚯蚓粪复合肥的制备过程：
(1)制备亲水纳米材料石墨烯溶胶溶液
石墨烯溶胶溶液的制备过程包括：将两块石墨粉为原料制备的电极板置于电解氧化槽内分别接以阴阳极，以一次蒸馏水作为电解液，电解反应，得到石墨烯溶胶。电解过程中，电源脉冲频率为40kHz，电解过程中的有效电压为12V，电解过程中的有效电流密度为50A/m2；所制备得石墨烯溶胶的质量浓度为25.00mg/L，石墨烯的平均片径为30-50nm，石墨烯的单层厚度为0.3-0.5nm，石墨烯为亲水性石墨烯，石墨烯溶胶的C:O摩尔比为7:3。
(2)包覆并渗透蚯蚓粪
制备好石墨烯溶胶后，将1000g蚯蚓粪装于底部无孔的花盆中，并浇灌上述浓度石墨烯溶胶3次，浇灌体积为1升/次，使其对蚯蚓粪进行包覆，得到混合物。排出花盆中的水后，混合物经干燥(干燥温度为42℃)、粉碎、造粒，得到石墨烯-蚯蚓粪复合肥。石墨烯-蚯蚓粪复合肥中，石墨烯含量为75mg，蚯蚓粪含量为1000g，石墨烯包覆在蚯蚓粪的表面并渗透掺杂在蚯蚓粪内部。
玉米幼苗培育：
使用本实施例制备的石墨烯-蚯蚓粪复合肥用来进行玉米幼苗的培养：控制温室环境温度为25～30℃，将300粒玉米种子种植于石墨烯-蚯蚓粪复合肥中，对照组300粒玉米种子种植于蚯蚓粪中，种植所用的石墨烯-蚯蚓粪复合肥和蚯蚓粪用量相同，均为1000g，置于相同生长条件下的生长室培养，光照培养12小时、按培养8小时，每周浇等体积的水。6周后，观察玉米幼苗出苗率、株高、生物量及根系发育指标(见图3(随机选取3株玉米幼苗)，表1-表2)。石墨烯-蚯蚓粪复合肥组培育的玉米幼苗各项农艺性状指标明显优于对照组。
表1石墨烯-蚯蚓粪复合肥组培育的玉米幼苗根系指标发育情况
表2石墨烯-蚯蚓粪复合肥组培育的玉米幼苗出苗率与生物量指标情况
基于对玉米幼苗的培育情况，本领域技术人员能够预期本发明制备的石墨烯-蚯蚓粪复合肥料能够适用于粮食、经济、油料作物、豆类作物、中草药、花卉、茶叶、烟草、蔬菜瓜果等农林植物的种植。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种石墨烯-蚯蚓粪复合肥，其特征在于，以重量份计，所述复合肥包括石墨烯0.25-1份，蚯蚓粪5000-10000份。
2.根据权利要求1所述的复合肥，其特征在于，所述石墨烯在复合肥中的含量为0.3-0.9份。
3.根据权利要求1或2所述的复合肥，其特征在于，所述石墨烯呈粉体状态。
优选地，所述石墨烯的平均片径为20-60nm。
优选地，所述石墨烯的单层厚度为0.2-0.6nm。
优选地，所述石墨烯为亲水性石墨烯。优选地，所述石墨烯溶胶中C:O摩尔比为(5-8):(2-5)。
优选地，所述蚯蚓粪在复合肥中的含量为5500-9500份。
4.根据权利要求1-3任一项所述的复合肥，其特征在于，所述石墨烯至少附着在蚯蚓粪的表层；优选地，所述石墨烯还掺杂在蚯蚓粪的内部。
5.根据权利要求1-4任一项所述的复合肥，其特征在于，以质量百分比计，所述蚯蚓粪中有机质的含量为21～40％，全氮的含量为0.95～2.5％，全磷的含量为1.1～2.9％，全钾的含量为0.96～2.2％，腐殖质的含量为21～40％。
优选地，所述蚯蚓粪的pH值为6.8-7.1。
6.权利要求1-5任一项所述石墨烯-蚯蚓粪复合肥的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将石墨烯溶胶和蚯蚓粪混合，得到的混合物经干燥、粉粹、造粒，得到所述复合肥。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯溶胶和蚯蚓粪的混合过程包括：向蚯蚓粪中浇灌石墨烯溶胶，通过石墨烯溶胶的吸附作用完成蚯蚓粪的增效化，得到混合物。优选地，以蚯蚓粪为基础基质，混匀装于容器中，并浇灌石墨烯溶胶，待蚯蚓粪充分吸附石墨烯后，再排出容器中的水，在石墨烯溶胶的吸附作用下完成基质增效化，得到石墨烯-蚯蚓粪复合肥。
优选地，石墨烯溶胶浇灌蚯蚓粪的次数为1～3次/周。
优选地，所述石墨烯溶胶的每次浇灌量为1～2升/次，每次浇灌500-1000g的蚯蚓粪。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述石墨烯溶胶由电化学法制备得到。
优选地，所述电化学法的制备过程包括：将两块石墨粉为原料制备的电极板置于电解氧化槽内分别接以阴阳极，以蒸馏水作为电解液，电解反应，得到石墨烯溶胶。
优选地，电解过程中，电源脉冲频率为30-50kHz。
优选地，电解过程中的有效电压为8-15V。
优选地，电解过程中的有效电流密度为40-60A/m2。
优选地，所述石墨烯溶胶的质量浓度为10-50mg/L。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述干燥的温度为37-42℃。
10.权利要求1-5任一项所述石墨烯-蚯蚓粪复合肥在农业种植领域中的应用。优选地，所述石墨烯-蚯蚓粪复合肥适用于粮食、经济、油料作物，豆类作物，中草药，花卉，茶叶，烟草，蔬菜瓜果的种植。
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