CN115010545A - 一种缓释氮肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种缓释氮肥，以生物炭作为氮肥的载体，利用生物炭自身多孔结构与较大的比表面积对氮肥进行吸附，同时生物炭作为土壤改良剂能够进一步加强植物对于肥料的吸收。还包括含水铝硅酸盐矿物以增强对于氮肥的保留，同时加强缓释氮肥材料的稳定性。利用成膜材料在所述缓释氮肥外部形成包膜保护层。所述氮肥为尿素，所述成膜材料为聚乙烯醇，含水铝硅酸盐矿物为蒙脱石。本发明还公开了所述的缓释氮肥的制备方法。本发明通过降低尿素的释放速率达到缓释的目的，提升氮肥的质量，减少肥料损失，提高土壤肥料利用率；本发明方法简单易行，实现废弃物资源化利用，成本低，适合推广使用。实现一种方法简单的、污染小、缓释效果好的包膜缓释复合氮料。

Description

一种缓释氮肥及其制备方法

技术领域

本发明属于农业肥料技术领域，涉及缓释氮肥及其制备方法，尤其是缓释复合肥料的制备方法。

背景技术

目前氮肥作为全世界产量和利用量最大的化肥种类之一，在提高我国粮食产量方面也扮演着至关重要的角色。众所周知，氮元素是植物在生长的各个时期都需要的营养元素，因此氮元素的利用率与植物的生长息息相关，然而氮肥的利用率极低，所以应当提高氮肥的利用率。众多氮肥中由于尿素含氮量高、价格低廉而成为使用率极高的一种氮肥，尿素是由C、H、N、O四种元素组成的最简单的有机化合物之一，并且尿素呈中性适用于任何土壤，对土壤也几乎不会造成任何破坏性，但是尿素的利用过程仍然存在很多问题需要解决。

目前制备缓释氮肥的材料与方法有很多，材料方面诸如利用采用单质硫作为尿素的外部包衣、利用淀粉作为尿素的密封层或者利用聚合物在尿素外部形成一层薄膜保护尿素，而结合方法有直接混合、造粒、以及浇铸等。造粒是一种简单方便技术，利用造粒能够直接将物质结合紧密，再结合包膜形成致密结构从而保护尿素。

生物炭是一种富含碳的物质，通过在限氧条件下热解生物质而产生，其内部孔隙发达，具有较大的比表面积，可以作为吸附材料；同时生物炭由于其表面含有丰富的含氧官能团以及炭内部的类石墨结构，使得其具有一定的导电性能，人们也开始将生物炭用作催化材料对污染物进行降解。生物炭通常用作催化剂载体。

黏土矿物是含水铝硅酸盐矿物，常见的黏土矿物有高岭石、蒙脱石、伊利石等。黏土矿物具有较高的阳离子交换量CEC。除此之外黏土矿物特有的性质具有层状结构，在水存在的情况下，层状结构的中间可以插入部分中性分子，这一性质为保留尿素奠定基础。蒙脱石(MMT)就是一种具有层状结构的黏土矿物。在水的作用下，MMT的层状结构可以有效地保留中性分子。另外蒙脱石具有优良的可塑性、粘性的性质，该性质使得整个复合材料可以进行一定的加工制造。同时研究表明蒙脱石施加在水体、土壤中后，其对环境污染物还具有一定的吸附作用。

聚乙烯醇常用来作为包膜材料之一。聚乙烯醇具有一定的成膜性，可以在肥料的外形成一层薄膜从而阻碍肥料与水直接接触而达到缓释作用。聚乙烯醇形成的薄膜结构紧密且形成的薄膜柔韧平滑。同时聚乙烯醇作为一种有机包膜材料，对人体的健康不会造成影响，对环境也不会造成污染。在尿素从复合材料释放出以后，聚乙烯醇可以在后期经过土壤微生物降解成二氧化碳和水加速其降解。

目前尿素是最广泛使用的氮肥之一，但是由于尿素施加到土壤中之后反应较为迅速，造成尿素在土壤中转化的过程中养分释放得比较快，而大部分植物在生长初期所需要的养分较少，因此造成植物利用率低，其中快速反应产生的养分也会面临问题，例如铵离子、硝酸根离子，其中硝酸根离子主要是在雨水或者灌溉下造成淋失，而铵态氮主要是发生反应生成氨气挥发造成损失，同时铵态氮也极易生成硝态氮而造成淋失；这成为亟待解决的技术问题。至今未见将蒙脱石、生物炭与尿素进行混合并进行聚乙烯醇包膜形成多模式缓释的释放肥料颗粒材料的相关报道，由于生物炭、蒙脱石、尿素均为粉末状、较为松散，而制备复合肥料首先需要满足的是稳定性要求，客观上需要研发新的解决方案。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种利用生物质废弃物制备包膜缓释肥的方法，制备一种工艺方法简单、污染小、缓释效果好的缓释复合氮肥。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

本发明通过降低尿素的释放速率达到缓释的目的，生物炭利用其自身多孔结构与较大的比表面积对尿素进行吸附，同时其作为土壤改良剂能够进一步加强植物对于肥料的吸收。加入蒙脱石增强对于尿素的保留，同时也加强整个材料的稳定性。利用聚乙烯醇包膜进一步保护了材料，在材料外部形成一层包膜保护尿素。

一种生物质炭基包膜缓释肥，采用尿素、生物炭、蒙脱石和聚乙烯醇作为原料，通过混匀、造粒、干燥工艺过程制备而成，生物炭利用其自身多孔结构与较大的比表面积对尿素进行吸附，生物炭作为尿素的载体，与尿素结合成为复合氮肥颗粒；蒙脱石作为加强尿素复合材料对于尿素的保留剂，稳定尿素复合材料的复合颗粒结构；聚乙烯醇常作为包膜材料，对尿素、生物炭、蒙脱石混合形成的复合材料进行薄膜封装，得到包膜尿素颗粒，从而得到包膜生物炭缓释复合氮肥。

优选上述蒙脱石、尿素与生物炭的混合质量百分比配比为1:(1～3):(1～3)。

进一步优选上述蒙脱石、尿素与生物炭的混合质量百分比配比为1:1:1。

一种利用生物质废弃物制备包膜缓释氮肥的方法，包括如下步骤：

a.配料准备：

按照对应原料组分进行混合的质量百分比配比为1:(1～3):(1～3)的比例称量蒙脱石、尿素与生物炭作为原料；

b.原料预处理：

将在所述步骤a中准备的尿素、生物炭、蒙脱石混合均匀过100目筛网后，加水混合，水与混合材料的比为(1:1)-(1:1.5)，得到混合物软材，备用；

c.造粒：

在常温下，用造粒机在机械力的作用下，将在所述步骤b中制备的混合物软材进行挤压通过孔径为10mm的固定磨盘的筛网，然后通过切粒，形成复合材料颗粒，将复合材料颗粒放置在避光处干燥至少48h，得到粒度为0.5～1mm之间的的生物炭/尿素/蒙脱石复合肥料颗粒材料；

d.包膜处理：

将在所述步骤c中造粒干燥后的复合肥料颗粒材料放置在浓度不低于10g/L的聚乙烯醇溶液中进行包膜处理，从而得到包膜尿素颗粒状肥料成品。

作为本发明优选的技术方案，在所述步骤d中，将复合肥料颗粒材料放入装有聚乙烯醇溶液的试剂瓶中，在恒温振荡箱中放置至少10min后干燥，进行包膜处理，从而得到包膜尿素颗粒状肥料成品。

作为本发明优选的技术方案，在所述步骤a中，所述生物炭的制备过程如下：

经过相关吸附性能实验，筛选出玉米秸秆原料制备的生物炭作为载体较为适合。对于玉米秸秆原料需要进行前期清洗，去除表面及内部泥土灰尘后。将玉米秸秆剪切至4-8cm的均匀小段，剪切好的生物质要放置在电热鼓风恒温干燥箱中干燥4-8h去除水分(105℃的恒温条件下)，达到恒重后用高速多功能粉碎机进行粉碎，最后将粉碎好的玉米秸秆过100目筛得到生物质粉末。将经过预处理的洁净干燥的玉米秸秆生物质粉末，置于石英舟中并充分压实，将装载好生物质的石英舟放入石英管中，并将石英管放置于管式电炉的内部；然后将石英管与氮气瓶相连接，使石英管中维持氮气气氛环境，通过控温装置调节管式炉加热温度，维持所需的生物炭热解温度，在热解过程结束后，控温装置自动关闭，待温度冷却达到室温，将石英舟从石英管中取出，将热解产物进行研磨，将产物过筛后，得到生物炭粉末，密封保存。

本发明与现有技术相比较，至少具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明包膜生物炭缓释复合氮肥中的生物炭利用其自身多孔结构与较大的比表面积对尿素进行吸附，同时其作为土壤改良剂能够进一步加强植物对于肥料的吸收；而蒙脱石的加入不仅加强了复合材料对于尿素的保留，同时也加强了整个材料的稳定性；聚乙烯醇包膜进一步保护了材料，在材料外部形成一层包膜保护尿素；同时生物炭与蒙脱石能够吸附其他污染物，而聚乙烯醇能够在土壤中被降解掉，因此在提高缓释性能的同时也不会对环境造成污染；

2.本发明通过降低尿素的释放速率达到缓释的目的，提升氮肥的质量，减少肥料损失，提高土壤肥料利用率；

3.本发明方法简单易行，实现废弃物资源化利用，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1是本发明生物炭缓释肥料实施例的内部结构组成图的示意图。

图2是本发明利用生物质废弃物制备生物炭的流程设备实施例的示意图。

图3是本发明所提供的土壤系柱实施例的示意图。

图4是本发明实施例一中未经包膜处理的缓释复合氮肥在土壤的缓释效果曲线。

图5是本发明实施例一中经包膜处理的缓释复合氮肥在土壤的缓释效果曲线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进一步加以说明。

实施例一

在本实施例中，一种利用生物质废弃物制备包膜缓释肥，采用尿素、生物炭、蒙脱石和聚乙烯醇作为原料，通过混匀、造粒、干燥工艺过程制备而成，生物炭利用其自身多孔结构与较大的比表面积对尿素进行吸附，生物炭作为尿素的载体，与尿素结合成为生物炭复合材料颗粒；蒙脱石作为加强尿素复合材料对于尿素的保留剂，稳定复合材料的复合颗粒结构；聚乙烯醇常作为包膜材料，对尿素、生物炭、蒙脱石混合形成的复合材料进行薄膜封装，得到包膜尿素颗粒，从而得到包膜生物炭缓释复合氮肥。

本实施例包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，包括如下步骤：

a.配料准备：

按照对应原料组分进行混合的质量百分比配比分别为1:1:1、1:2:2、1:3:3的比例称量蒙脱石、尿素与生物炭作为原料；

b.原料预处理：

将在所述步骤a中准备的尿素、生物炭、蒙脱石进行过筛后，加水混合均匀后，得到混合物软材，备用；

c.造粒：

在常温下，用BY400造粒机，在机械力的作用下，将在所述步骤b中制备的混合物软材进行挤压通过固定孔径的筛网，然后通过切粒，形成复合材料颗粒，将复合材料颗粒放置在避光处干燥48h，得到粒度为0.5～1.0mm的生物炭/尿素/蒙脱石复合肥料颗粒材料；

d.尿素包膜处理：

将在所述步骤c中造粒干燥后的复合肥料颗粒材料放入装有浓度为10g/L的聚乙烯醇溶液的试剂瓶中，在恒温振荡箱中放置10min后干燥，进行包膜处理，从而得到包膜生物炭缓释复合氮肥成品。

实验测试分析

一、水体中复合肥料缓释性能测试分析

复合肥料缓释性能测试分析的方法，包括如下步骤：

在本实施例，分别在水体系中将蒙脱石、尿素与生物炭的混合质量百分比配比为1:1:1、1:2:2、1:3:3的蒙脱石生物炭基尿素肥料放入装入10g/L的聚乙烯醇(PVA)试剂瓶中,将试剂瓶放入摇床中振荡10min，使聚乙烯醇均匀地覆盖复合材料，待复合材料干燥后放入水体系中进行试验，并分别在反应20min、50min、110min、200min、320min、470min、620min、1340min取出1mL等分试样，经过10000rpm的离心处理10min后，用0.45um注射器过滤后利用紫外分光光度计在430nm处测量尿素的吸光度从而研究。

通过包膜生物炭缓释复合氮肥在水中的缓释测试，进行水系实验，探究材料最佳配置比。用0.45um注射器过滤后利用紫外分光光度计在430nm处测量尿素的吸光度从而得出尿素释放率。结果如图3所示，得出当蒙脱石、尿素、生物炭的配比为1:1:1时整个复合材料缓释性能最优。而经过包膜以后的缓释性能如图4所示：经过包膜后复合材料缓释性能最优。

二、土壤中复合肥料缓释性能测试分析

研究复合肥料缓释性能的方法，准备50g土壤，一半提前注入土柱装置中，另一半分别与将蒙脱石、尿素与生物炭的混合质量百分比配比为1:1:1、1:2:2、1:3:3的蒙脱石生物炭基尿素包膜复合肥料混合后注入装置中备用。用25mL蒸馏水润湿土壤后作为淋溶实验的预处理。静置24小时以后，开始进行土壤淋溶实验，向土柱装置中加入50mL蒸馏水，在装置下端用三角瓶收集淋溶液，用碱性过硫酸钾法测定淋溶液中总氮含量。利用每隔三天向土柱中加入50mL蒸馏水，一共进行6次。最后计算氮的累积释放率。将造粒干燥后的复合材料放置在10g/L的聚乙烯醇溶液中进行包膜，进一步研究包膜对于尿素缓释性能影响。

通过包膜生物炭缓释复合氮肥在土壤中的缓释实验测试，参见图2，通过向土柱装置底部中添加25g土壤，然后将蒙脱石生物炭基尿素复合肥料与另外25g土壤混合后注入土柱，每种处理需要三组平行对照。实验前需要润湿土壤，静置24小时以后进行土壤淋溶实验，用碱性过硫酸钾法测定淋溶液中总氮含量。最后计算氮的累积释放率。结果如图5所示：当蒙脱石、尿素、生物炭的配比为1:1:1缓释性能最优。

在本实施例中，生物炭不仅对尿素具有吸附作用，而且是良好的土壤改良剂，可以增强土壤对于氮素的保留促进植物的生长。在水体系中，当生物炭、尿素：蒙脱石的配比为1:1:1的时候，达到平衡释放率为65％，相对于纯尿素几乎100％的释放率，该复合材料的确能够提升尿素缓释性能。经过聚乙烯醇包膜以后达到平衡释放率为57％，说明了包膜能够进一步加强复合材料对于尿素的保留。而在土壤体系中，当生物炭、尿素、蒙脱石的配比为1:1:1的时候，复合材料的氮素累积释放率最低。比纯尿素最初的氮素释放率降低了14.6％，而第18d的氮素累积释放率为52％，比纯尿素降低了20.1％。而经过聚乙烯醇包膜的复合肥料缓释性能最优，第18天的氮素累积释放率仅为44.1％。此外，本发明上述实施例上述方案在以上几种材料以及结合基本方式外,还能通过加入其他材料提高对于尿素的缓释作用。

本实施例的生物炭利用其自身多孔结构与较大的比表面积对尿素进行吸附，同时其作为土壤改良剂能够进一步加强植物对于肥料的吸收。而蒙脱石的加入不仅加强了复合材料对于尿素的保留，同时也加强了整个材料的稳定性。最后聚乙烯醇包膜进一步保护了材料，在材料外部形成一层包膜保护尿素。同时生物炭与蒙脱石能够吸附其他污染物，而聚乙烯醇能够在土壤中被降解掉，因此在提高缓释性能的同时也不会对环境造成污染。

实施例二

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图1，包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，其中原料生物炭的制备采用如图1所示的生物炭热解制备装置，分为载气、热解以及尾气处理三个部分，包括氮气瓶1、管式电炉4、流量计2设备。载气部分包括氮气瓶1、流量计2设备，主要通过连续不断地提供氮气制造热解过程的无氧环境。热解部分为生物炭制备的主要装置，本实施例采用程序温控器3来控制管式炉作为热解装置，生物质在该部分热解成生物炭，尾气处理部分5主要收集和吸收热解过程中产生的废气。在所述包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法的步骤a中，所述生物炭的制备过程如下：

将经过预处理的洁净干燥的玉米秸秆生物质，置于石英舟中并充分压实，将装载好生物质的石英舟放入石英管中，并将石英管放置于管式电炉的内部；然后将石英管与氮气瓶相连接，使石英管中维持氮气气氛环境，在整个实验过程中不断地填充氮气从而达到缺氧的条件。打开氮气阀门之后对整个装置的气密性进行检查以后再去启动系统。启动系统前，设置流量计的使得系统氮气通入量达到120mL/min。通过控温装置调节管式炉加热温度，维持所需的生物炭热解温度，在热解过程结束后，控温装置自动关闭，待温度冷却达到室温，将石英舟从石英管中取出，将热解产物进行研磨，将产物过筛后，得到生物炭粉末，密封保存。

本实施例采用玉米秸秆制备生物炭，通过废弃物资源化实现综合环保效益。

综合上述实施例可知，本发明上述实施例涉及一种包膜尿素的制备方法,属于农业资源回收利用领域。目前尿素是最广泛使用的氮肥之一，但是由于尿素施加到土壤中之后反应较为迅速，造成尿素在土壤中转化的过程中养分释放的比较快，而大部分植物在生长初期所需要的养分较少，因此造成植物利用率低。其中快速反应产生的养分也会面临问题，例如铵离子、硝酸根离子，其中硝酸根离子主要是在雨水或者灌溉下造成淋失，而铵态氮主要是发生反应生成氨气挥发造成损失，同时铵态氮也极易生成硝态氮而造成淋失。本发明上述实施例将尿素(Urea)、生物炭(Biochar)、蒙脱石(MMT)过筛后，以三种不同比例(尿素:生物炭:蒙脱石＝1:1:1、2:2:1、3:3:1)加水混合均匀后备用。常温下，用造粒机在机械力的作用下将三种比例下的混合物软材挤压通过固定孔径的筛网中，然后通过切粒形成一定高度的聚合物。将造粒后的混合物质放置在避光处干燥后得到0.5-1mm的Biochar/Urea/MMT复合肥料。本发明上述实施例的目的是通过降低尿素的释放速率达到缓释的目的。生物炭利用其自身多孔结构与较大的比表面积对尿素进行吸附，同时其作为土壤改良剂能够进一步加强植物对于肥料的吸收。加入蒙脱石增强对于尿素的保留，同时也加强整个材料的稳定性。最后利用聚乙烯醇包膜进一步保护了材料，在材料外部形成一层包膜保护尿素。

上述相关说明以及对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些内容做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述相关说明以及对实施例的描述，本领域的技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种缓释氮肥，其特征在于：以生物炭作为氮肥的载体，利用生物炭自身多孔结构与较大的比表面积对氮肥进行吸附，同时生物炭作为土壤改良剂能够进一步加强植物对于肥料的吸收。

2.根据权利要求1所述的缓释氮肥，其特征在于：还包括含水铝硅酸盐矿物以增强对于氮肥的保留，同时加强缓释氮肥材料的稳定性。

3.根据权利要求2所述的缓释氮肥，其特征在于：利用成膜材料在所述缓释氮肥外部形成包膜保护层。

4.根据权利要求3所述的缓释氮肥，其特征在于：所述氮肥为尿素，所述成膜材料为聚乙烯醇，含水铝硅酸盐矿物为蒙脱石。

5.根据权利要求4所述的缓释氮肥，其特征在于：所述蒙脱石、尿素与生物炭的混合质量百分比配比为1:(1～3):(1～3)。

6.根据权利要求4所述的缓释氮肥，其特征在于：所述蒙脱石、尿素与生物炭的混合质量百分比配比为1:1:1。

7.一种权利要求3所述的缓释氮肥的制备方法，其特征在于：采用氮肥、生物炭、含水铝硅酸盐矿物和成膜材料作为原料，包含混匀、造粒、干燥工艺，将氮肥、生物炭、含水铝硅酸盐矿物结合成为氮肥复合材料颗粒；以成膜材料对氮肥、生物炭、含水铝硅酸盐矿物混合形成的所述氮肥复合材料颗粒进行薄膜包膜封装得到所述缓释氮肥。

8.根据权利要求7所述的缓释氮肥的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.配料准备：

按照对应原料组分进行混合的质量百分比配比为1:(1～3):(1～3)的比例称量蒙脱石、尿素与生物炭作为原料；

b.原料预处理：

将在所述步骤a中准备的尿素、生物炭、蒙脱石进行过筛后，加水混合均匀后，得到混合物软材，备用；

c.造粒：

在常温下，用造粒机在机械力的作用下，将在所述步骤b中制备的混合物软材进行挤压通过固定孔径的筛网，然后通过切粒，形成复合材料颗粒，将复合材料颗粒放置在避光处干燥，得到生物炭/尿素/蒙脱石复合肥料颗粒材料；

d.尿素包膜处理：

将在所述步骤c中造粒干燥后的复合肥料颗粒材料放置在聚乙烯醇溶液中进行包膜处理，从而得到包膜生物炭缓释复合颗粒状氮肥成品。

9.根据权利要求8所述包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，其特征在于，在所述步骤a中，所述生物炭的制备过程如下：

将经过预处理的洁净干燥的玉米秸秆生物质，置于石英舟中并充分压实，将装载好生物质的石英舟放入石英管中，并将石英管放置于管式电炉的内部；然后将石英管与氮气瓶相连接，使石英管中维持氮气气氛环境，通过控温装置调节管式炉加热温度，维持所需的生物炭热解温度，在热解过程结束后，控温装置自动关闭，待温度冷却达到室温，将石英舟从石英管中取出，将热解产物进行研磨，将产物过筛后，得到生物炭粉末，密封保存。

10.根据权利要求8所述包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，将所准备的尿素、生物炭、蒙脱石混合均匀后过100目筛网。

11.根据权利要求8所述包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，其特征在于：在所述步骤b中，水与混合材料的比为(1:1)-(1:1.5)。

12.根据权利要求8所述包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，其特征在于：在所述步骤c中，通过的是孔径为10mm的固定磨盘的筛网；在避光处干燥至少48h；得到的生物炭/尿素/蒙脱石复合肥料颗粒材料粒度为0.5～1mm之间。

13.根据权利要求8所述包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，其特征在于：在所述步骤d中，将复合肥料颗粒材料放入装有聚乙烯醇溶液的试剂瓶中，在恒温振荡箱中放置至少10min后干燥，进行包膜处理，从而得到包膜生物炭缓释复合氮肥成品。

14.根据权利要求8所述包膜生物炭缓释复合氮肥的制备方法，其特征在于：所述聚乙烯醇溶液的浓度不低于10g/L。

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