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。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】

　　试验所用的化学试剂:H2O2(30% )、NaOH、Fe-SO4、CO(NH2)2、Na2B4O7·10H2O、Na2S2O3·5H2O、TBP、H2SO4、HNO3、HCL、CuSO4、K2SO4(以上为分析纯级别)和玉米淀粉(GB/T 12309 －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，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】

　　
　　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，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粒机上造成损失。因此，过低的炭氮比会增加 N 损失率。【表4】

　　
　　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粒机上造成损失。因此，过低的炭氮比会增加 N 损失率。

　　3 结论

　　1)各组肥料在烘干 90min 左右基本达到质量平衡，低炭氮比肥料的干燥时间较长。当炭肥比≥1:1时，温度越高，烘干所需时间越短;而当炭肥比≤1:2时，温度越高，烘干所需时间反而增长。生物炭本身的多孔隙结构易于水分的散发，而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，不利于水分的散发，从而延长了干燥时间。

　　2)采用挤出式造粒法可获得良好的抗压强度和成型率，当烘干温度为 60 ～ 100℃、炭肥比≤1:1 时，成型肥料的抗压强度 ＞ 40N;炭肥比≥1:1 时，成型率＞ 95% 。过低的炭氮比会降低成型率。

　　3)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粒机上造成损失。因此，过低的炭氮比会增加 N 损失率。

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