CN115583854A - 一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法，属于环境保护与资源综合利用的固体废弃物资源化利用新技术。以粉煤灰为主要原料，通过利用其自身含有的钙离子与‑COO‑完成交联反应，无需额外添加钙离子。通过交联反应，构建了三维网状结构，使得产物具有超吸水能力，同时氮肥颗粒被三维网状结构牢牢的固定，从而使得产物具有较低的肥料缓释速率。本发明工艺简单，条件温和，成本低廉，极大提高了粉煤灰的回收利用价值，所制备的粉煤灰基水肥一体材料在海绵城市的建设和立体绿化中具有工业应用潜力。
Description
技术领域
本发明涉及利用粉煤灰制备水肥一体材料的方法，特别涉及一种利用粉煤灰，简便的制备了一种具有高吸水能力和低肥料缓释率的粉煤灰基材料，属于环境保护与资源综合利用的固体废弃物处理新技术，
背景技术
粉煤灰(CFA)是一种常见煤炭燃烧副产品，占产生的总灰分的70-85％。2021年中国粉煤灰的产量超过7.5亿吨，但其中只有不到25％得到了有效利用。如果没有合理且有效的控制手段，它的肆意堆放将会对水和土壤造成严重危害，同时还可能造成烟雾和雾霾，导致严重的空气污染。尽管很多学者已经在开展粉煤灰污染控制和资源化的相关研究，但高昂的堆积成本，长期的维护成本和较低的附加值极大地阻碍了粉煤灰的高价值回收利用。
水资源短缺问题是全球面临的重大环境问题之一。中国作为世界上水资源匮乏的国家之一，同时又面临着水资源时空分布不均匀的问题，使得我国的水生态问题日益突出。为解决这个困境，具有超吸水能力的超吸水树脂(SAP)常常作为干旱或半干旱地区的小型“储水库”，以提高水资源利用率。但目前常见的SAP多是以不可再生的化工原料制备的，高成本限制了其大规模应用。除了水资源短缺问题，肥料也是限制植物生长的关键因素。充足的肥料可以进一步提高作物的产量。因此开发出一种成本低，并且具有水肥一体能力的材料是非常重要的。
为了解决上述问题，本发明以粉煤灰为主要原料，通过交联反应，构建了粉煤灰基水肥一体的材料，不仅极大地增加了粉煤灰的经济价值，而且所制备的粉煤灰基水肥一体材料还具有超吸水能力和肥料缓释能力。本发明工艺简单，条件温和，成本低廉，为粉煤灰的高价值资源化提供了一条新的途径，同时合成的低成本的水肥一体材料在海绵城市的建设和立体绿化中具有工业应用潜力。
发明内容
本发明针对现有技术存在的：粉煤灰资源化途径少，回收利用价值低，以及我国水资源短缺的问题，开发了一种利用粉煤灰制备水肥一体材料的方法。具体是通过以下技术方案实现的。
本发明提供的一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法，具体包括以下步骤；
步骤一：将粉煤灰和氮肥分散在水溶液中，搅拌后得到均一分散的混合溶液；
步骤二：向步骤一得到的混合溶液中加入海藻酸钠，大力搅拌后得到均一溶液；
步骤三：室温下，将步骤二中得到的均一溶液转移到反应模具中，反应时间为6-36小时；
步骤四：反应完成后，对步骤三中的产物进行脱模，干燥后即得到粉煤灰基水肥一体材料。
优选地，步骤一中粉煤灰与去离子水的固液比为75-400g/L，氮肥占粉煤灰的质量百分数为2％-20％。
优选地，步骤二中海藻酸钠占粉煤灰的质量百分数为2％-50％，海藻酸钠固体需要缓慢的加入到上述均一溶液。
优选地，步骤四中干燥方式为冷冻干燥。
本发明技术方案的原理为：
粉煤灰是由多个小颗粒组成，分散在水体中能形成粘稠液体，但由于缺乏交联点，难以形成具有一定机械强度的固体物质。粉煤灰中含有大量的氧化钙，当粉煤灰分散到水中后，和水反应后生成氢氧化钙会溶解出少量的钙离子，其可以和海藻酸钠的-COO-发生交联反应，生成网状结构。生成的网状结构可以固定粉煤灰小颗粒与氮肥颗粒，从而进一步生成具有三维网状结构的产物。由于三维网状结构的存在，使得粉煤灰基水肥一体材料可以固定大量的水分子，从而具有超吸水能力；由于氮肥颗粒被粉煤灰颗粒紧密包裹，大幅度降低氮肥的流失速率，从而延长氮肥的使用时长。
传统的交联方式是通过向海藻酸钠溶液中加入外源钙离子(例如氯化钙，碳酸钙等)，但这无疑会增加制造成本，并且由于钙离子浓度较高，在较短的时间会产生大量的交联结构，导致交联度过高，从而降低粉煤灰基水肥一体材料的吸水率。本发明利用粉煤灰本身含有的钙离子完成交联，不仅节约原料成本，借助钙离子缓慢溶解的优势，缓慢的完成产物的交联反应，从而产生具有合适的三维交联结构的产物。
本方法具备以下特点：
1、成本低廉。本发明以粉煤灰为主要原料，具有极大的成本优势，为粉煤灰的高价值资源化开辟了一条新的途径。并且本发明无需额外添加含有钙离子的化学试剂，利用粉煤灰自身含有的钙完成交联，即可得到粉煤灰基水肥一体材料，极大地降低了生产成本。
2、工艺简单。本发明无需高温，生产步骤简单，无需大型装置，设备安装简易，同时不产生有害气体，实现清洁生产。
3、适用面广。本发明中的粉煤灰无需提前预处理即可作为原料使用，适用于多种类型的粉煤灰材料。
4、性能优异。合成的粉煤灰基水肥一体材料不仅具有高的吸水能力，还具有缓慢释放肥料的效力，在海绵城市的建设和立体绿化中具有工业应用潜力。
附图说明
为进一步了解本发明，下面以附图描述本发明的工艺流程，以及粉煤灰基水肥一体材料的性能：
图1是本申请提供的粉煤灰基水肥一体材料合成的工艺流程图；
图2是不同固液比对粉煤灰基水肥一体材料吸水率的影响；
图3是海藻酸钠添加量对粉煤灰基水肥一体材料吸水率的影响；
图4是本申请提供的粉煤灰基水肥一体材料的SEM结构图；
图5是本申请提供的粉煤灰基水肥一体材料的XRD光谱图。
具体实施方式：
下面给出的实施例拟对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整，仍然属于本发明的保护范围。
实施例1：
取6g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入1.2g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应12小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为260.10％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例2：
取8g粉煤灰加入到80mL水中，加入1.2g尿素，搅拌60分钟后加入1.2g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应18小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为677.72％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例3：
取16g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.6g尿素，搅拌60分钟后加入1.2g海藻酸钠继续搅拌10分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应24小时后脱模，烘干后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为358.78％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例4：
取24g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入1.2g海藻酸钠继续搅拌10分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应12小时后脱模，烘干后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为210.0％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例5：
取32g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入1.2g海藻酸钠继续搅拌10分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应12小时后脱模，烘干后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为140.47％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例6：
取8g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入0.8g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应18小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为588.97％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例7：
取8g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入1.6g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应18小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为1026.62％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例8：
取8g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入2.0g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应18小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为1495.87％，5天后氮肥释放率小于60％。
实施例9：
取6g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入2.4g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，反应12小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为1616.71％，5天后氮肥释放率小于60％。
对比例1：
取8g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌120分钟后倒入2*2*2cm的模具中，反应12小时后脱模。发现溶液无法固化，无法成型，依然还是液体状态，无法得到粉煤灰基水肥一体材料。
对比例2：
取8g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入1.2g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，将模具浸泡在含有3％氯化钙的水溶液中，反应12小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为155.17％，5天后氮肥释放率小于50％。
对比例3：
取8g粉煤灰加入到80mL水中，加入0.8g尿素，搅拌60分钟后加入1.2g海藻酸钠继续搅拌20分钟。将搅拌均匀后的溶液倒入2*2*2cm的模具中，将模具浸泡在含有1％氯化钙的水溶液中，反应12小时后脱模，干燥后即为粉煤灰基水肥一体材料。产物的吸水率为197.78％，5天后氮肥释放率小于50％。
综上所述，本发明通过利用粉煤灰自身含有的钙离子，与海藻酸钠的-COO-发生交联反应，从而生成三维网状结构。借助粉煤灰中钙离子的缓慢释放，温和且缓慢的完成交联反应，避免了由于过度交联导致的产物吸水率低，应用范围窄的缺点。同时还节约了原料成本，具有更大的市场竞争优势。本发明为粉煤灰的高效资源化提供了一条新的途径，适用于工业生产，得到的粉煤灰基水肥一体材料在海绵城市的建设和立体绿化中具有极大的工业应用潜力。以粉煤灰为主要原料，不仅可以提高粉煤灰的回收利用价值，也可以大幅度降低生产成本，实现清洁生产。
尽管上面已经通过本申请的具体实施例的描述对本申请进行了披露，但是，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员可在所附方案的精神和范围内设计对本申请进行各种修改、改进或者等同物。但这些修改、改进或者等同物应当被认为包括在本申请所要求保护的范围内。
Claims (5)
1.一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法，其特征在于，所述粉煤灰基水肥一体材料包括粉煤灰，氮肥和海藻酸钠。
2.根据权利1所述的一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法，其特征在于，所述的粉煤灰无需前处理即可使用；所述的氮肥选自硫酸铵、硝酸钠、尿素的任意一种或多种的混合物。
3.根据权利1所述的一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法，其特征在于，氮肥占粉煤灰的质量百分数为2％-20％，海藻酸钠占粉煤灰的质量百分数为2％-50％。
4.根据权利1-3所述的一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将粉煤灰和氮肥分散在水溶液中，搅拌后得到均一分散的混合溶液；
S2，向S1中得到的混合溶液中加入海藻酸钠，大力搅拌后得到均一溶液；
S3，室温下，将S2中得到的均一溶液转移到模具中，反应时间为6-36小时；
S4，反应完成后，对S3中的产物进行脱模，干燥后即得到粉煤灰基水肥一体材料。
5.根据权利4所述的一种粉煤灰制备水肥一体材料的方法，其特征在于，S2中需要缓慢加入海藻酸钠固体；粉煤灰与去离子水的固液比为75-400g/L；优选地，S4中干燥方式为冷冻干燥。
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| CN (1) | CN115583854A (zh) |
Citations (6)
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2022
- 2022-10-25 CN CN202211311817.1A patent/CN115583854A/zh active Pending
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