鉀礦與不同鈣質原料制備的硅鈣鉀肥中有效鉀的性質對比研究

王朝軍, 朱云勤

(1.甕安生態環境監測站 貴州甕安 550400;2.貴州大學資源化工研究所 貴州貴陽 550025)

鉀主要分布于農作物的營養器官中,莖稈中占主體。 鉀能促進作物根系生長;提高光合作用,促進光合產物的運輸;鉀素飽和時植株體內的單糖可以合成蔗糖和淀粉,提高果實質量[1];鉀還可以增進氮肥和磷肥的肥效,促進作物對氮、磷的吸收[2]。

傳統的硅鈣鉀肥是以石灰石為鈣質原料,與鉀礦(含鉀硅酸鹽巖石,鉀的質量分數為9.85%,以K2O 計)粉磨制塊在1 160 ℃高溫下燒制而成。石灰石的大量開采導致資源日漸緊缺,并破壞生態環境,因此亟需探尋合適的鈣質原料來取代石灰石。 有研究發現,利用磷石膏(濕法磷酸工藝中用硫酸處理磷礦時產生的大量固體廢棄物)、磷石膏鈣渣(磷石膏綜合利用制備硫酸銨時產生的大量二次固體廢棄物)為鈣質原料與鉀礦生產硅鈣鉀肥,既解決了磷石膏、磷石膏鈣渣廢棄物對生態環境的污染,又實現了廢棄物料中鈣的資源化利用。 本課題以3 種硅鈣鉀肥(磷石膏∶鉀礦=1 ∶2.2、磷石膏鈣渣∶鉀礦=1 ∶1.45、石灰石∶鉀礦=1 ∶1.0 制備)為研究對象,探討了有效鉀溶出的規律,模擬了施肥后環境溫度(振蕩溫度)、肥效時間(振蕩時間)、土壤酸度(浸取液酸度)對有效鉀溶出率的影響,以期對新型硅鈣鉀肥(磷石膏鈣渣與鉀礦制備)的推廣使用提供參考[3]。

1 試驗部分

1.1 主要儀器

SP-3580AA 型火焰原子吸收分光光度計,上海光譜儀器有限公司;AS-2 型鉀空心陰極燈,國標(北京)檢驗認證有限公司;CP214 型電子天平,感量0.1 mg,奧豪斯儀器(常州)有限公司;DK-98-ⅡA 型恒溫水浴鍋,天津市泰斯特儀器有限公司;HY4 型調速多用振蕩器,蘇州威爾實驗用品有限公司。

1.2 主要試劑

鉀標準溶液,1 000 mg/L,北京壇墨質檢科技有限公司;硝酸銫,分析純,天津市大茂化學試劑廠;檸檬酸,分析純,無錫市展望化工試劑有限公司。

鉀標準使用溶液:100 mg/L,取10 mL 鉀標準溶液于100 mL 容量瓶中,加硝酸(1+1)溶液2 mL,用去離子水稀釋至刻度。 硝酸銫溶液:10 g/L。浸取液:20 g/L 檸檬酸溶液,pH 為2～3。

1.3 有效鉀分析試液制備

稱取1 g(精確至±0.000 2 g)經120 ℃干燥的硅鈣鉀肥試樣置于250 mL 磨口錐形瓶中,用移液管準確加入100 mL 浸取液,立即塞緊瓶塞,放入振蕩器,設定溫度和時間(振蕩頻率120 次/min,不同條件對振蕩溫度和時間要求不同),浸出液用定量濾紙過濾于干燥的150 mL 燒杯中,得到有效鉀分析試液[4-5]。

2 有效鉀含量的測定

2.1 測定方法[6]

硅鈣鉀肥中有效鉀含量的測定采用火焰原子吸收分光光度法,其原理是鉀在空氣-乙炔火焰中易于氧化,可在其靈敏線766.5 nm 處進行原子吸收測定。

準確移取分析試液2 ～25 mL 置于50 mL 容量瓶中,加硝酸(1+1)溶液2 mL、10 g/L 硝酸銫溶液3 mL,加去離子水至刻度,搖勻。 用50 mL去離子水進行空白試驗。

2.2 標準曲線的制作[6]

準確移取鉀標準使用溶液0、0.50、1.00、1.50、2.00、2.50 mL 于6 只50 mL 容量瓶中,加硝酸(1+1)溶液2 mL、10 g/L 硝酸銫溶液3 mL,加去離子水至刻度,搖勻,得到標準系列溶液的質量濃度依次為0、1.00、2.00、3.00、4.00、5.00 mg/L。試樣溶液的有效鉀(以K2O 計)質量濃度ρ按式(1)計算:

式中:ρ——試樣溶液的有效鉀質量濃度,mg/L;

f——稀釋比(試樣定容體積與試樣體積之比);

ρ標——由標準曲線查得的鉀質量濃度,mg/L。

3 試驗結果與分析

3.1 有效鉀含量對比

稱取經120 ℃干燥的3 種硅鈣鉀肥試樣各1 g(精確至±0.000 2 g)于鎳坩堝中,分別加入12 g氫氧化鈉,溫度設置為700 ℃,熔融時間25 min,制備成分析試樣,用火焰原子吸收分光光度法測定其中有效鉀的含量,結果見表1。

表1 3 種硅鈣鉀肥中有效鉀的測定結果

3.2 肥料的穩定性

將在2015 年自制貯存至2021 年的3 種硅鈣鉀肥產品再取樣檢測其中有效鉀的含量,結果見表2。

表2 3 種硅鈣鉀肥穩定性試驗結果

由表2 可知,3 種硅鈣鉀肥中有效鉀性質均較穩定,可長期貯存。

3.3 有效鉀緩釋性對比

分別將3 種硅鈣鉀肥的浸取液(分別為水和20 g/L 檸檬酸溶液)取出1/2 體積(取出的1/2體積溶液模擬被植物所吸收),然后加入等量的浸取溶液(分別為水和20 g/L 檸檬酸溶)繼續浸取。 浸取環境溫度均為常溫(25 ℃),肥效時間均為30 min(振蕩頻率120 次/min),持續重復5 次[7-8]。 3 種硅鈣鉀肥中的有效鉀在浸取液中的累積溶出率曲線見圖1。

圖1 有效鉀的累積溶出率隨浸取次數的變化

由圖1 可知,3 種硅鈣鉀肥中有效鉀累積溶出率均呈增加的趨勢,且有效鉀能持續溶出。 試驗結果表明,磷石膏和磷石膏鈣渣分別與鉀礦制備的硅鈣鉀肥中有效鉀的含量滿足緩釋性肥料的指標要求[9-10],肥料中的有效鉀具有緩釋性。

3.4 土壤酸度、環境溫度、肥效時間對有效鉀溶出率的影響

按試驗要求,分別模擬不同的土壤酸度、環境溫度、肥效時間等,考察了3 種硅鈣鉀肥中有效鉀的溶出率,結果見圖2～4。

圖2 土壤酸度對有效鉀溶出率的影響

由圖2 可知,環境溫度為常溫(25 ℃)、肥效時間為30 min(振蕩頻率120 次/min)時,在土壤酸度pH＜3 的環境中,3 種硅鈣鉀肥中有效鉀的溶出率變化明顯,有效鉀的溶出率隨土壤酸度的增加不斷增大。

由圖3 可知,肥效時間為30 min(振蕩頻率120 次/min)、土壤酸度pH 為2 ～3 時,3 種硅鈣鉀肥中有效鉀的溶出率隨環境溫度的升高不斷增大。

圖3 環境溫度對有效鉀溶出率的影響

由圖4 可知,環境溫度為常溫(振蕩頻率120 次/min)、土壤酸度pH 為2～3 時,3 種硅鈣鉀肥中有效鉀的溶出率隨肥效時間的延長逐漸增大。

圖4 肥效時間對有效鉀溶出率的影響

4 討論

4.1 正交試驗[11]

根據對硅鈣鉀肥中有效鉀溶出行為的影響因素分析,確定環境溫度、肥效時間和土壤酸度為主要影響因素,分別選定3 個水平進行正交試驗,結果見表3。

表3 正交試驗L9(34)結果

由表3 可知,3 種硅鈣鉀肥中有效鉀的溶出率受土壤酸度影響較大,環境溫度和肥效時間對有效鉀溶出率的影響不大。

4.2 方差分析[12]

對表3 的試驗數據進行方差分析,分析結果見表4。

表4 方差分析結果

由表4 可知,土壤酸度對硅鈣鉀肥中有效鉀溶出率的影響具有高顯著性,而環境溫度和肥效時間對其影響無顯著性。

5 結語

(1)3 種硅鈣鉀肥中的有效鉀均具有較好的緩釋性。

(2)施肥后,環境溫度和肥效時間對有效鉀溶出率的影響無顯著差異;土壤酸度對有效鉀溶出率的影響存在顯著差異,酸度越大,有效鉀溶出率越大。

(3)3 種硅鈣鉀肥中有效鉀的釋放特征具有相似性,采用磷石膏、磷石膏鈣渣代替石灰石生產硅鈣鉀肥,既解決了磷石膏、磷石膏鈣渣廢棄物對生態環境的污染,又實現了廢棄物料中鈣的資源化利用。