一種液體高分子化肥的合成及性能研究

蔣迎忠

(山西省應用化學研究所(有限公司)，山西 太原 030027)

一種液體高分子化肥的合成及性能研究

蔣迎忠

(山西省應用化學研究所(有限公司)，山西 太原 030027)

液體高分子化肥是一種清亮型水溶性高分子化合物的液體肥料，其包含氮、磷、鉀3種營養元素。通過對高分子化肥的溶解度、pH值和氮、磷、鉀含量的測定，確定了最佳的合成工藝:n(磷酸):n(氫氧化鉀):n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0，120℃，反應40 min。該高分子化肥具有良好的溶解性、緩釋性，且溶液pH=7。

高分子液體化肥;溶解度;pH值;氮、磷、鉀含量

引言

液體肥料是一種典型的高濃度肥料，外觀呈流體狀態，分為液體氮肥和液體復肥。液體氮肥是由單一氨元素所構成的液體肥料，包括液氨、氨水和其他含氨的溶液;液體復肥是包括2種或2種以上營養元素的溶液或懸浮液，其廣泛應用于專業園藝、苗圃、溫室、高爾夫球場、家居庭院、觀景園林和公園等高價作物和非農業領域［1］。目前，復肥和液肥的生產中引入聚磷酸銨，其對金屬離子具有螯合能力，將不易被土壤中的鐵、鈣等金屬離子固定，與土壤中的無效微量元素形成可溶性絡合物而被植物吸收。另外，聚磷酸鹽不被植物直接吸收，而是在土壤中逐步水解成正磷酸被植物利用，是一種緩釋性的肥料。本文針對這一市場需求，通過改變化肥分子組成，合成了一種集氮、磷、鉀三要素于同一高分子鏈的高分子聚磷酸鉀化肥，并探究了其最佳的合成工藝。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

磷酸(85%)，工業品，山西華發磷酸化工有限公司;尿素，工業品，山西蘭花集團;氫氧化鉀，工業品，山西三佳化工新材料有限公司。蒸餾水，自制。

1.2 儀器與設備

電熱鼓風干燥箱，cs101－A型，重慶實驗設備廠;pHJ－02型pH/mV檢測儀，上海康儀儀器有限公司;分析天平，AUY220，島津國際貿易有限公司;農用測試儀，TD200型，中國楊凌農業高新技術產業示范區;六聯恒溫數顯磁力攪拌儀，ZNCL－DLSB6型，上海一科儀器有限公司。

1.3 實驗方案

為研究不同原料配比和工藝下高分子化肥的性能變化，本文設計原料摩爾比、反應溫度、反應時間三因素進行考察，見表1。

表1 不同配方工藝的設計

1.4 樣品的制備

稱量一定量的磷酸，加入不銹鋼反應釜中，將氫氧化鉀緩慢加入不銹鋼反應釜，反應放熱，大量水蒸氣放出，溫度也迅速升高。再加入尿素，逐步梯度升溫到一定溫度后，開始劇烈反應，有大量的氣泡產生，繼續升溫。反應完全時產物為白色黏稠狀物質，出料，自然冷卻至室溫，粉碎后得高分子化肥。反應所得產物的結構式如圖1。

圖1 高分子化肥的結構式

1.5 性能與測試

1.5.1 氮、磷、鉀含量的測定

以TD200型農用測試儀測量不同工藝下所得高分子肥的氮、磷、鉀含量。

1.5.2 溶解度的測定

測量在蒸餾水中高分子化肥在不同溫度和不同時間下的飽和溶解度，測量溫度為25、30、40、50℃。

1.5.3 pH值的測定

測量不同溫度下飽和溶解高分子化肥液體的pH值，測量溫度為25、30、40、50℃。

2 結果與討論

2.1 L9(33)正交實驗結果分析(見表2)

從正交實驗表2的9組數據中可以看出，隨著反應溫度的升高和反應時間的延長，其產率逐步降低，但隨著尿素量的加大產率卻在提升。主要原因，首先是工業磷酸中的水分蒸發導致，其次是尿素的分解溫度為160℃，在反應后期黏度增大，可能由于受熱不均導致少量尿素分解所致。這一點可以從反應后期冒出氣體的氣味和pH值為堿性得以旁證。在表 2中可以看出，n(H3PO4)∶n(KOH)∶n［(NH2)2CO］=2.0∶0.8∶6.0時物料的產率最高。

表2 正交實驗分析方案

2.2 產品溶解度的影響分析

高分子肥料在實際應用中重要的特性是其水溶性，本文將實驗所得的9組樣品分別測試了其在不同溫度下1 h的溶解度，結果見表3。

表3 產品在不同溫度下1 h的溶解度 g/100 g

從表3中可以看出，溶解度隨著溶解溫度的升高逐步加大，但隨著反應溫度的升高其溶解度卻在降低。說明磷酸和尿素反應生成了一種磷酰脲，是一種具有一定相對分子質量產物，根據資料顯示，可以將其定義為一種高分子肥料［2］。溫度升高，物質的溶解度自然增大，但溫度的升高也促進了高分子肥的水解，將其水解成磷酸銨類易被植物吸收的小分子的肥料［3］，故而溶解度大幅度增加。為了旁證合成了具有緩釋效果的高分子肥料，筆者測試了不同溫度下6 h溶解度，見表4。

表4 產品在不同溫度下6 h的溶解度 g/100 g

對比表3、表4可以看出，隨著測試時間的延長，溶解度變大，說明高分子肥料具有一定的水解過程，從而證明其有一定的緩釋性。這種肥料具有提高化肥利用率、減少使用量與施肥次數、降低生產成本、減少環境污染、提高農作物產品品質等優點［4］。實驗表明，以1號、2號、7號樣品的室溫水溶性較好。

2.3 水溶液的pH值測定

酸性肥料與鐵、鋁形成磷酸鐵、磷酸鋁而降低有效性;堿性肥料易與鈣結合，生成難溶性磷酸鈣鹽類，會降低磷的有效性;許多微量元素，如，硼、錳、鉬的加入使其有效性也會大大降低，故，pH值是一個關鍵的指標。本文測試了高分子肥料在不同溫度、不同時間下其水溶液的pH值，發現，1 h與6 h后的pH值并無明顯變化。6 h后的pH值見表5。

表5 產品在不同溫度下溶解6 h后pH值

從表5中可以看出，高分子肥料在溶于水并發生水解后的pH值并沒有發生明顯的變化，只是由于尿素量的加大，其溶液的pH值由6.42上升到7.07。實驗中，n(H3PO4)∶n(KOH)∶n［(NH2)2CO］= 2.0∶0.8∶2.0時，由于磷酸的摩爾量稍高，故而整體顯酸性，隨著尿素的量加大逐步上升為堿性，達到一個實用性良好的pH值。9號實驗樣品的室溫溶解pH值最好。

綜合本文對高分子化肥的測試，表明該高分子化肥具有良好的水溶性，并具有一定的緩釋效果，溶于水之后可得一種清亮型液體肥。其配方以n(磷酸)∶n(氫氧化鉀)∶n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0為佳，工藝條件為反應溫度120℃，反應時間40 min。

3 結論

實驗結果表明，最佳合成工藝條件為;n(磷酸)∶n(氫氧化鉀)∶n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0，反應溫度為120℃，反應時間為40 min，產率可達81.3%，所獲得的高分子化肥在室溫的溶解度為78.1 g/ 100 g，室溫其飽和水溶液的pH值為7.03，將其溶于水可制成清亮型液肥。

［1］ 李三文.對我省化肥工業發展戰略的思考［J］.山西化工，2003，23(1):1－3.

［2］王月祥，趙貴哲，劉亞青，等.新型高分子多營養元素緩釋肥的制備工藝研［J］.化肥設計，2008，46(11):59－60.

［3］劉俊，張志業，王辛龍，等.緩釋磷銨包膜復混肥的研究［J］.磷肥與復肥，2015，30(10):6－9.

［4］ 李欣.緩控釋肥料的類型及其優點［J］.現代化農業，2016(7):21－22.

Synthesis and properties of a liquid polymer fertilizer

JIANG Yingzhong

(Shanxi Research Institute of Applied Chemistry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030027，China)

Liquid polymer fertilizer is a clear and water－soluble polymer which contains N，P，K nutrient elements.In this paper，the solubility，the pH value，and the content of N，P，K were measured，and the optimum synthetic process was determined as follows:n (phosphoric acid)∶n(potassium hydroxide)∶n(urea)=2∶0.8∶6;reaction temperature was 120℃;reaction time was 40 min.The prepared fertilizer has good dissolubility and slow release property with pH value being 7.

polymer liquid fertilizer;solubility;pH value;content of N，P，and K

TQ449+.6

A

1004－7050(2016)06－0017－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.05

2016－10－18

蔣迎忠，男，1983年出生，2005年畢業于中北大學，現從事高分子材料的研發、生產工作。