生物质炭基缓释肥的制造及其成品特性

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1、生物质炭基缓释肥的制造及其成品特性　　引言　　目前，我国化肥当季利用率平均为30%。其中，氮肥利用率仅为30%～35%，磷肥约为10%～25%，钾肥为35%～50%，不仅远远低于欧美发达国家60%～70%的水平，而且近年来还有下降的趋势。以氮肥为例，20世纪90年代利用率平均约为35%，现今已降至27%左右。此外，化肥过量投入、盲目施用、作物利用率不高，都会引起土壤、水体、大气和农产品的污染，化肥已被视为仅次于农药的污染源，造成的危害也与农药旗鼓相当。控/缓释肥是解决这一问题的良好措施，国内外均在大力发展氮肥的控/缓释技术。

2、用于肥料养分缓/控释的控释材料种类较多，然而目前的控释材料缺少补充土壤有机碳的功能，且大部分材料受资源制约、不可再生。生物质是可再生的，因而生物炭是可再生的，资源无穷。生物炭具有土壤改良和土壤固碳的作用，还可吸附和负载肥料养分，延缓肥料养分在土壤中释放和降低淋洗损失，是有益功能更多的肥料缓释绿色控释材料。目前，生物炭与肥料复合为土壤－肥料－环境提出了综合解决方案，生物炭作为肥料增效载体有生物炭载体肥料、生物炭包膜肥料、生物炭基肥料及生物菌剂肥料等形式。　　本文以挤出造粒机上在500℃温度下制备的稻壳炭为基质，以改性玉米淀粉为

3、粘结剂，以尿素为肥料，研究了生物质炭基缓释肥的成型特性，分析了缓释肥的抗压强度、成型率、干燥特性和N损失情况。　　1材料与方法　　1．1试验材料与设备　　1．1．1试验材料试验采用生物质连续热解制炭，设备采用华南农业大学设计的连续热解装置。该装置采用变螺距的特殊螺旋输送器，密螺旋保证顺畅送料的同时系统具有良好的密闭性。将稻壳在热解温度500℃、热解时间8min的条件下进行热解，获得的稻壳炭利用工业分析仪、ICP等仪器进行工业分析及养分离子检测，分析结果如表1所示。稻壳炭经研磨过40目标准筛后使用。【表1】　　试验所用的化学试

4、剂:H2O2(30%)、NaOH、Fe-SO4、CO(NH2)2、Na2B4O710H2O、Na2S2O35H2O、TBP、H2SO4、HNO3、HCL、CuSO4、K2SO4(以上为分析纯级别)和玉米淀粉(GB/T12309－1990)。　　1．1．2试验设备试验采用的设备如表2所示。【表2】　　1．2试验方法　　1．2．1粘结剂的制取在徐鹏翔、佟金等对改性淀粉粘结剂的研究基础上，制作新型缓释肥玉米淀粉粘结剂。其合成步骤如下:①调浆。向反应釜中加入适量的温水，加入工业级玉米淀粉和适量催化剂FeSO4溶液(6%)，搅拌，直至

5、成均匀的浆料。②氧化。缓慢向体系中加入一定量的H2O2溶液(30%)，并加入适量的NaOH(10%)溶液，连续搅拌60min使淀粉充分氧化。③糊化。继续加入一定量的NaOH(10%)溶液，确保氧化后的玉米淀粉充分糊化，此过程持续20min。④系统中加入适量硼砂、少量尿素溶液以及Na2S2O3溶液，继续搅拌之后进行定容，待冷却至室温即可。整个反应在恒温水浴环境中进行。　　1．2．2肥料造粒将计量好的尿素和稻壳炭粉，按照比例A1(2:1)、A2(1:1)、A3(1:2)充分混合(具体比例见表3)，加入一定量的改性玉米淀粉粘结剂，

6、混匀，置于挤出造粒机中进行造粒。将制造出来的炭肥分别置于温度B1(60℃)、B2(80℃)、B3(100℃)下分别进行烘干，持续2h，每隔10min取出，干燥器冷却至室温后称重。由于造粒机造粒直径固定，造出的颗粒肥直径范围约为6．5～7．5mm，将烘干后的肥料颗粒进行人工筛分，计算筛剩的颗粒质量占全部质量的百分率;将制作好的球形肥料置于谷物硬度计上测定其抗压强度，分析其颗粒性能。【表3】　　　　造粒机结构如图1所示，生物质碳基缓释肥样品　　　　2结果与分析　　　　2．1成型肥料干燥特性　　各组干燥特性曲线如图3所示。【图3】

7、　　　　根据图3分析可知:各组肥料在90min左右基本达到质量平衡。在A1条件下，烘干所需时间为B1＞B2＞B3，温度越高，需要的烘干时间越少;而在A3条件下则相反，温度越高，需要的烘干时间越多。这主要是由于生物炭具有多孔隙结构，在高炭氮比条件下，炭含量较高，大毛细管中的水脱出较为容易;而在低炭氮比条件下，尿素含量较高，尿素暴露在空气中时容易吸收空气中的水分并粘附在颗粒表面，烘干初期容易表面结壳，阻止了物料内部的水分以气态或液态的形式向物料表面扩散，不利于在很薄的边界层内存在着较大的温度梯度和水蒸气的浓度度，不利于水分的散发

8、，延长了干燥时间。　　2．2颗粒成型性　　各组抗压强度如图4所示，成型率如图5所示。【图4-5】　　　　根据表4分析可知，A1各组尿素接近理论值，而A2各组明显低于理论值，炭氮比越低，其N损失率越高。这主要是因为低炭氮比下尿素含量较多，暴露在空气中容易吸收空气中的水分，在造粒过程中黏附在造