鈣基膨潤土對磷酸二氫銨的挾帶特性研究

吳林超，畢亞凡，何寶儒

(武漢工程大學環境與城市建設學院，湖北 武漢 430073)

磷酸二氫銨作為中國磷肥的主要品種，無論是北方石灰性土壤還是南方酸性土壤，當季利用率均不足20%，不僅造成了資源的巨大浪費[1]，而且對地表水環境構成威脅。

目前，利用高分子聚合物的包裹作用來阻滯肥料中養分釋放的研究已開展得較多，并得到了較廣泛的應用[2]。國內學者對于膨潤土類礦物用作尿素緩/控釋肥料的載體原料已有初步的研究[3，4]。但尚未見文獻報道膨潤土用作氮磷復合肥緩釋載體的研究。

作者在此采用低品位鈣基膨潤土與磷酸二氫銨在一定條件下交換結晶，探討了磷酸二氫銨挾帶于鈣基膨潤土的多層結構中的特性，為膨潤土作為磷酸二氫銨的緩釋載體提供了理論依據。

1 實驗

1.1 原料

膨潤土原礦由湖北某礦業公司提供，其陽離子交換容量(CEC)為69.02 mmol·(100 g)-1、膨脹容(Vs)為9 mL·g-1。原礦的多元素分析結果見表1，X-射線衍射圖譜見圖1，圖譜分析見表2。

表1 原礦多元素分析

圖1 原礦X-射線衍射圖譜

表2 原礦X-衍射圖譜分析

由表2可知，膨潤土原礦中蒙脫石含量為51.70%，含有方石英、石英、長石等雜質礦物，屬低品位膨潤土；膨潤土的d001值為1.56 nm，為典型低品位鈣基膨潤土。

1.2 試劑與儀器

過硫酸鉀(上海市化學試劑三廠)、氫氧化鈉、鹽酸(優級純)、硝酸鉀(優級純)，實驗用水均為無氨水。

LDZX-40KB型立式壓力蒸氣滅菌器；WFZ800-D3B型紫外分光光度計。

1.3 方法

以鈣基膨潤土為研究對象，在一定條件下將除雜后的漿狀膨潤土與磷酸二氫銨進行處理，并分別測定離心后和洗滌后的上清液總氮含量，計算進入到膨潤土層間挾帶的磷酸二氫銨質量。

稱取10.0 g磷酸二氫銨于50.0 g膨潤土中，加入250 mL純水，在60℃水浴中于一定轉速下攪拌30 min，再在冷水浴中低速攪拌1 h，同時加入微量的表面活性劑以防止晶核的團聚。混合液經離心后測定上清液總氮含量，然后在濾餅中加入100 mL純水充分攪拌5 min，離心后測定上清液總氮含量，依下式計算進入到膨潤土層間挾帶的磷酸二氫銨質量。

M=10.0-0.00205c1-0.0008c2

式中：M為50.0 g膨潤土挾帶的磷酸二氫銨質量，g；c1為一次洗出液濃度，mg·L-1；c2為濾餅洗出液濃度，mg·L-1。

固定其它條件，探討礦漿質量濃度、攪拌時間、攪拌速度、過飽和度等因素對膨潤土挾帶磷酸二氫銨效果的影響，通過計算膨潤土層間結晶挾帶的磷酸二氫銨質量，得到合適的參數；并在單因素實驗的基礎上，進行L16(44)正交實驗，得到最優的工藝參數。

1.4 分析測試

2 結果與討論

2.1 礦漿質量濃度對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

將膨潤土原礦分別配制成質量濃度為5%、10%、15%、20%、25%的懸浮液，調節礦漿pH值，在攪拌時間為80 min、攪拌速度為900 r·min-1、過飽和度為0.5的條件下，考察礦漿質量濃度對挾帶效果的影響，結果見圖2。

圖2 礦漿質量濃度對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

2.2 攪拌速度對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

攪拌速度對磷酸二氫銨插入膨潤土層間的結晶挾帶量有很大的影響，原因在于攪拌速度不同時其提供的能量也不同。在礦漿質量濃度為15%、攪拌時間為80 min、過飽和度為0.5的條件下，考察攪拌速度對挾帶效果的影響，結果見圖3。

圖3 攪拌速度對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

由圖3可知，一次洗出液中磷酸二氫銨質量在900 r·min-1以前隨著攪拌速度的加快變化不大，但900 r·min-1后隨攪拌速度的加快而迅速增加。這表明，隨著攪拌速度的加快，溶解于水溶液中的磷酸二氫銨質量也呈增加的趨勢。通過洗滌濾餅發現，濾餅中磷酸二氫銨的質量隨攪拌速度的加快呈下降趨勢。磷酸二氫銨層間挾帶量在攪拌速度為900 r·min-1時最大，達到2.31 g。

2.3 攪拌時間對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

在礦漿質量濃度為15%、攪拌速度為900 r·min-1、過飽和度為0.5的條件下，考察攪拌時間對挾帶效果的影響，結果見圖4。

圖4 攪拌時間對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

由圖4可知，一次洗出液中磷酸二氫銨質量隨攪拌時間的延長總體上呈一定的下降趨勢，但幅度不是很明顯。當攪拌時間超過60 min后，進入到膨潤土層間挾帶的磷酸二氫銨質量相差不大，約為1.9 g左右。

2.4 過飽和度對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

在礦漿質量濃度為15%、攪拌時間為80 min、攪拌速度為900 r·min-1的條件下，考察過飽和度對挾帶效果的影響，結果見圖5。

圖5 過飽和度對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

過飽和度對形成的晶核數量有較大的影響，過飽和度較高時，幾秒鐘內即可形成大量的晶核，從而導致團聚現象，形成大顆粒沉淀析出，不能順利地進入到膨潤土層間；而過飽和度較低時，順利進入到膨潤土層間結晶的磷酸二氫銨含量偏低。本實驗在攪拌礦漿由60℃進入到冷水浴中時形成了大量的磷酸二氫銨晶核，為有效阻止晶核之間的團聚，需調節礦漿的過飽和度。由圖5可以看出，當過飽和度為0.5時，進入到膨潤土層間結晶挾帶的磷酸二氫銨質量最大，達1.82 g。

2.5 正交實驗結果與分析(表3)

表3 L16(44)正交實驗結果與分析

由表3可知，各因素對磷酸二氫銨層間挾帶量的影響大小依次為A>C>D>B，即對磷酸二氫銨在膨潤土層間挾帶量影響最大的是礦漿質量濃度，其次為攪拌速度、過飽和度和攪拌時間。膨潤土挾帶磷酸二氫銨的最佳工藝參數是A3B4C4D3，即礦漿質量濃度為15%、攪拌時間為80 min、攪拌速度為1100 r·min-1、過飽和度為0.5。在此條件下，50.0 g鈣基膨潤土挾帶的磷酸二氫銨達2.31 g。

3 結論

[1] 魯如坤.我國的磷礦資源和磷肥生產消費Ⅰ.磷礦資源和磷肥生產[J].土壤，2004，36(1)：1-4.

[2] Henderson J C，Hensley D L.Ammonium and nitrate retention by a hydrophilic gel[J].Hort Sci，1985，20(4)：667-668.

[3] 趙美芝，邵宗臣，鄧友軍，等.有機粘土的特性及其對肥料養分的緩釋作用[J].礦物學報，2001，21(2)：189-195.

[4] 李瑾麗，馮啟明.膨潤土等幾種多孔礦物/尿素緩釋肥緩釋效果比較研究[J].非金屬礦，2008，31(3)：35-38.