膨潤土載體緩釋肥料的制備工藝優(yōu)化

黃程程，李旺旺，謝慧星，畢亞凡

(武漢工程大學環(huán)境與城市建設學院,湖北 武漢 430074)

改革開放以來，我國農(nóng)業(yè)得到了快速發(fā)展。糧食產(chǎn)量大幅增長，同時，化學肥料的大量使用也帶來了諸多嚴重的問題，如低利用率造成資源浪費、環(huán)境污染、種植成本增加、農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)下降、糧食安全問題等。自20世紀70年代以來，緩/控釋肥(SRFS/CRFS)的研制和應用為解決上述問題提供了嶄新的思路[1～4]。緩/控釋肥能有效地控制養(yǎng)分的釋放，延長肥效期，滿足作物整個生育期對肥料養(yǎng)分的需要，可最大限度地提高肥料的利用率，減少資源浪費和環(huán)境污染，對促進糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要作用，是21世紀肥料產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向[5～10]。

因此，加強緩/控釋肥控釋機理與技術的研究，開發(fā)符合國際上“緩效化、流體化、復合化、專用化、高效化”發(fā)展趨勢的新型緩/控釋肥料[11～14]，意義重大。作者在此以天然廉價的多孔礦物膨潤土作為載體制備緩釋肥料，并對制備工藝進行了優(yōu)化。

1 實驗

1.1 膨潤土性能參數(shù)

以鈣基原礦土、鈣基提純土和鈉基膨潤土作為肥料制備的載體。按照國標檢測方法，對實驗用膨潤土進行吸藍量、膨脹容、膠質(zhì)價、陽離子交換容量檢測，結(jié)果見表1。

1.2 試劑與儀器

甲醛、磷酸二氫銨、無水乙醇，國藥集團化學試劑有限公司；脲醛樹脂粉、東莞榮達粘合制品廠；碳酸鎂，河北隆堯一諾化工有限責任公司；酚酞、氫氧化鈉、甲基紅、鄰苯二甲酸氫鉀，天津博迪化工有限公司。所用試劑均為分析純。

表1 實驗用膨潤土基本性能參數(shù)

HI8424型電子天平，北京哈納科儀科技有限公司；FW135型中草藥粉碎機，天津泰斯特食品有限公司；TDP-1.5型電動壓片機，長沙中南制藥機械廠；HPX-150BS型離心機，上海新苗醫(yī)療器械有限公司；101-3-BS型電熱恒溫鼓風干燥箱，上海躍進醫(yī)療器械廠。

1.3 方法

1.3.1 膨潤土的提純

實驗用膨潤土的蒙脫石含量在30%～80%之間，對其采用濕法提純，工藝流程如圖1所示。

1.3.2 膨潤土載體緩釋肥的制備

膨潤土載體緩釋肥制備工藝流程如圖2所示。

圖1 膨潤土提純工藝流程圖

圖2 膨潤土載體緩釋肥制備工藝流程圖

將提純的膨潤土與磷酸二氫銨、碳酸鎂按一定比例粉碎混勻，向混合物中添加適量的糊狀脲醛樹脂膠粘劑，再次倒入粉碎機中混勻，室溫晾干到一定含水量時用電動壓片機壓片，于濕度80%條件下自然吸濕12 h，即得緩釋肥樣品。

1.4 緩釋肥性能評價

采用水中溶出率法評價緩釋肥的緩釋性能。稱取2粒(約5 g)制備的膨潤土載體緩釋肥于自制的300目濾布袋內(nèi)，置于250 mL磨口錐形瓶中，加入100 mL蒸餾水，25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。分別在培養(yǎng)的第1 d 、2 d 、3 d 、4 d 、5 d 、6 d 、7 d 、15 d提取浸提液，提取后往錐形瓶中補加等體積的蒸餾水，繼續(xù)培養(yǎng)、浸提。浸提液經(jīng)中速定量濾紙過濾后，測定濾液中總氮的含量，繪制養(yǎng)分累計溶出率與水浸時間的關系曲線。每組實驗重復2次進行平行測定。

1.5 浸出液中氮的測定

若試樣中含有游離酸，加甲醛之前應先以甲基紅為指示劑，用NaOH溶液預中和至甲基紅變?yōu)辄S色，再加入甲醛，以酚酞為指示劑，用NaOH標準溶液滴定浸提液，根據(jù)所消耗NaOH標準溶液的體積計算浸提液中氮的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 膨潤土類型對肥料緩釋效果的影響

分別以鈣基原礦土、鈣基提純土和鈉基膨潤土作為肥料制備的載體，在土肥比(膨潤土與磷酸二氫銨的質(zhì)量比，下同)為8∶2、碳酸鎂用量(以土肥總量計，下同)為9%、脲醛樹脂用量(以土肥總量計，下同)為20%的條件下制備緩釋肥料，在靜水環(huán)境中進行溶出和淋溶實驗，考察不同種類的膨潤土對肥料緩釋放性能的影響。靜水環(huán)境中氮素累計釋放率見表2。

表2 不同類型膨潤土緩釋肥25 ℃靜水培養(yǎng)中養(yǎng)分累積釋放率/%

從表2可以看出，在靜水溶出淋溶環(huán)境中，緩釋效果較好的為鈉基膨潤土和鈣基提純土，鈣基原礦土較差。這主要是因為，鈣基原礦土中含有較多的砂粒以及其它的雜質(zhì)，導致膨潤土的品質(zhì)下降，不利于磷酸二氫銨中的含氮單元進入膨潤土的層間結(jié)構形成肥料的緩釋成分，經(jīng)過提純后，原礦土的品質(zhì)得到了較大程度的提高；鈉基膨潤土品位較鈣基提純土要高，具有結(jié)構分散性能好、離子吸附性能強的優(yōu)勢，因而具有更好的緩釋效果。因此，選擇鈉基膨潤土進行后續(xù)實驗。

2.2 土肥比對肥料緩釋效果的影響

以鈉基膨潤土為載體、脲醛樹脂用量為20%、碳酸鎂用量為9%，按土肥比為8∶2、7∶3、6∶4、5∶5分別制備緩釋肥，在靜水環(huán)境中進行溶出和淋溶實驗，考察土肥比對肥料緩釋性能的影響。靜水環(huán)境中氮素累計釋放率見表3。

從表3可以看出，緩釋肥氮素累積釋放率隨著土肥比的減小而呈逐漸增大的趨勢，即混入的磷酸二氫銨越多，在相同的培養(yǎng)條件下，其溶出的氮也越多。說明當緩釋肥中磷酸二氫銨含量增大到一定量時，過量的磷酸二氫銨不能有效吸附在膨潤土載體上，易被水溶出。因此在制備緩釋肥時，應選擇合適的土肥比，使其既能滿足作物生長對氮的需求量，又能充分發(fā)揮膨潤土對氮肥的緩釋作用。本實驗條件下，選擇適宜的土肥比為8∶2。

表3 不同土肥比緩釋肥25 ℃靜水培養(yǎng)中養(yǎng)分累積釋放率/%

2.3 脲醛樹脂用量對肥料緩釋效果的影響

以鈉基膨潤土為載體，土肥比為8∶2、碳酸鎂用量為9%，按脲醛樹脂用量為5%、10%、15%、20%、25%分別制備緩釋肥，在靜水環(huán)境中進行溶出和淋溶實驗，考察脲醛樹脂用量對肥料緩釋性能的影響。靜水環(huán)境中氮素累計釋放率見表4。

表4 不同脲醛樹脂用量緩釋肥25 ℃靜水培養(yǎng)中養(yǎng)分累積釋放率/%

從表4可以看出，緩釋肥氮素累積釋放率隨著脲醛樹脂用量的增大而呈減小的趨勢，即脲醛樹脂用量越大肥料的緩釋性能越好，養(yǎng)分的有效利用率越高，但當樹脂用量增加到20%后，差異并不顯著。綜合考慮技術、經(jīng)濟性，選擇適宜的脲醛樹脂用量為20%。

2.4 碳酸鎂用量對肥料緩釋效果的影響

以鈉基膨潤土為載體，土肥比為8∶2、脲醛樹脂用量為20%，按碳酸鎂用量為6%、7%、8%、9%、10%分別制備緩釋肥，在靜水環(huán)境中進行溶出和淋溶實驗，考察碳酸鎂用量對肥料緩釋性能的影響。靜水環(huán)境中氮素累計釋放率見表5。

表5 不同碳酸鎂用量緩釋肥25 ℃靜水培養(yǎng)中養(yǎng)分累積釋放率/%

從表5可以看出，隨著碳酸鎂用量的增大，緩釋性能逐漸變好；碳酸鎂用量為9%時，緩釋效果最好。這可能是因為，緩釋體的形成需要復雜的條件，加入碳酸鎂過少時，不能形成足夠多的有效緩釋體，緩釋效果不佳；而加入碳酸鎂過多后，反應又產(chǎn)生了過多副產(chǎn)物，也導致沒有足夠多的有效緩釋體，緩釋效果不佳。后期低釋放速率證實加入碳酸鎂后，緩釋體的形成能起到一定的緩釋作用。因此，選擇適宜的碳酸鎂用量為9%。

3 結(jié)論

以天然廉價的多孔礦物膨潤土作為磷酸二氫銨的載體，再加入脲醛樹脂膠粘劑制備膨潤土載體緩釋肥。

(1)膨潤土類型對緩釋肥的緩釋性能有一定的影響，鈉基膨潤土較鈣基原礦土和鈣基提純土具有更好的緩釋效果。

(2)隨著土肥比的減小，緩釋肥的氮素累積釋放率呈增大的趨勢，即膨潤土占的比例越大，緩釋肥的緩釋性能越好，養(yǎng)分的有效利用率就越高。

(3)脲醛樹脂用量對緩釋肥的緩釋性能影響較大，氮素累積釋放率隨著樹脂用量的增加而減小，但當樹脂用量超過20%后差異不大。

(4)隨著碳酸鎂用量的增大，緩釋效果逐漸變好；而碳酸鎂用量過多(超過9%)后反應產(chǎn)生過多副產(chǎn)物，導致沒有足夠多的有效緩釋體，緩釋效果不佳。

(5)在以鈉基膨潤土為載體、土肥比為8∶2、脲醛樹脂用量為20%、碳酸鎂用量為9%的條件下，所制得的膨潤土載體緩釋肥料的緩釋效果最好。

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