專利名稱：基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于肥料制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，以及這種基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料的制備方法。
背景技術(shù)：
綜觀國內(nèi)外研究結(jié)果，20世紀(jì)糧食單產(chǎn)的1/2、總產(chǎn)的1/3來自化肥的貢獻(xiàn)，中國占世界10%的耕地消費了世界1/3的肥料，單位面積施肥量是世界平均的3倍[1]?；手械租浝寐实停绕涫堑?，帶來了環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和能源壓力世界各國都逐漸認(rèn)識到研制緩/控釋肥料是提高肥料利用率的最有效措施之一 [3]?？蒯尫柿嫌刑岣唣B(yǎng)分利用 根據(jù)不同的控釋方法，可以將控釋肥料分為包膜肥料(Coated Fertilizers)和非包膜肥料(Uncoated Fertilizers)兩大類,但聚合物包膜肥料因具有較好的控釋功能而成為最具發(fā)展前景的控釋肥料[4]。與傳統(tǒng)包衣材料相比，具有無毒、不可燃及質(zhì)優(yōu)價廉等特點的水基聚合物為環(huán)境友好型包膜肥料的研制提供了可能性，并日益成為研究的熱點M。應(yīng)用于包膜肥料生產(chǎn)的丙烯酸酯類材料GA-1711通過水基方法合成，但由于其膜強(qiáng)度不足，耐水性較差，在其大規(guī)模應(yīng)用之前，需對其進(jìn)行改性。1999年我國僅作物秸桿一項，資源總量就已達(dá)到約6. 4億噸[6]，目前更是已超過7億噸。但是，其中有33% 40%被廢棄在田間或露天焚燒[7]，不僅造成了生物質(zhì)資源的嚴(yán)重浪費，破壞了土壤結(jié)構(gòu)、使生產(chǎn)能力下降，還導(dǎo)致了嚴(yán)重的環(huán)境污染，威脅交通運輸和人們的生產(chǎn)、生活安全。如果將這些廢棄的生物質(zhì)資源通過炭化技術(shù)制備成生物炭，則可在很大程度上解決上述問題。生物炭(biochar)是生物質(zhì)在缺氧條件下高溫裂解形成的物質(zhì)。由于灰分含量較高，主體元素為碳原子[9]，表面有多種官能團(tuán)[1°]，生物炭具有分解慢、降低重金屬和有機(jī)污染物生物有效性[n —15]等作用，施加于土壤，可以改良土壤，促進(jìn)作物生長，改變碳循環(huán)路徑，增加土壤碳匯，減少溫室氣體的排放[16]。[I]趙秉強(qiáng)，林治安，劉增兵.中國肥料產(chǎn)業(yè)未來發(fā)展道路——提高肥料利用率減少肥料用量[J].磷肥與復(fù)肥，2008，23(6) : 1-4。[2] Shaviv A, Mikkelsen R L. Controlled-release fertilizers to increaseefficiency of nutrient use and minimize environmental degradation- A review[J].Nutrient Cycling in Agroecosystems, 1993, 35: 1—12。[3]趙秉強(qiáng)，張福鎖，廖宗文等.我國新型肥料發(fā)展戰(zhàn)略研究.植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2004，10(5) : 536-545。[4]杜昌文，周健民，王火焰.聚合物包膜肥料研究進(jìn)展[J].長江流域資源與環(huán)境，2005，14(6) : 725-730。
[5]趙聰.水基聚合物包膜肥料生產(chǎn)工藝及優(yōu)化[D].北京中國科學(xué)院研究生院，2011。 [6]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部中國農(nóng)業(yè)年檢編輯委員會.中國統(tǒng)計年鑒[M].北京中國農(nóng)業(yè)出版社，2000，pp52。[7]中國農(nóng)業(yè)部，美國能源部項目專家組.中國生物質(zhì)資源可獲得性評價[M].北京中國環(huán)境科學(xué)出版社，1998: 1-22，78-79，101-106。[8]謝祖彬，劉琦，許燕萍.生物炭研究進(jìn)展及其研究方向[J]. 土壤，2011，43(6): 857-861。[9]張鵬，武健羽，李力等.豬糞制備的生物炭對西維因的吸附與催化水解作用[J]·農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2012，31(2): 416-421。[10] Johannes L, Stephen J. Biochar for environmental managementscience and technology[M]. London: Earthscan, 2009。[11] Hsu N H, Wang L S, Lin Y Cet al. Reduction of Cr (VI) bycrop-residue-derived black carbon[J]. Environmental Science & Technology,2009， 43: 8 801-8 806。[12] Liu Z G, Zhang F S. Removal of lead from water using biocharsprepared from hydrothermal liquefaction of biomass[J]. Journal of HazardousMaterials, 2009, 167: 933-939。[13] Cao X D, Harris ff. Properties of dairy-manure derived biocharpertinent to its potential use in remediation[J]. Bioresource Technology, 2010,101: 5 222-5 228。[14]吳成，張曉麗，李關(guān)賓.黑碳制備的不同熱解溫度對其吸附菲的影響[J].中國環(huán)境科學(xué)，2007，27(1) : 125-128。[15] Cho Y M, Ghosh U, Kennedy A J et al. Field application of activatedcarbon amendment for in—situ stabilization of polychlorinated biphenyls inmarine sediment[J]. Environmental Science & Technology, 2009, 43: 3 815-3 823。[16]張阿鳳，潘根興，李戀卿.生物黑炭及其增匯減排與改良土壤意義[J].生物環(huán)境學(xué)報，2009，28(12) : 2 458-2 463。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，以及這種基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料的制備方法。本發(fā)明是挑選物質(zhì)對水基反應(yīng)制備的聚合物聚丙烯酸酯材料進(jìn)行改性，同時提供這種改性聚合物包膜肥料的制備方法。完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案為一種基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，由肥料(肥芯顆粒)與其外部的改性高分子包膜構(gòu)成，其特征在于
所述的改性高分子包膜的原料為水基聚丙烯酸酯乳液或聚氨酯乳液100份、交聯(lián)劑為(Γ5份、生物炭0. 05飛份和蒸餾水5(Γ200份；高分子包膜原料的干物質(zhì)質(zhì)量占肥料(月巴芯顆粒)質(zhì)量的5 15%。
所述的肥料(肥芯顆粒)可以采用現(xiàn)有技術(shù)中常用的各種農(nóng)業(yè)肥料，包括各種化學(xué)肥料、生物肥料或其他功能性肥料。以上肥料通過現(xiàn)有制粒技術(shù)制成顆粒。交聯(lián)劑選用氮丙啶或乙二胺二酰肼。生物炭的原料可以選用作物秸桿、牲畜糞便、枯枝落葉或者石油等礦石能源。本發(fā)明推薦所述的生物炭的質(zhì)量份數(shù)為O飛份；所述的交聯(lián)劑的質(zhì)量份數(shù)為0 5份。本發(fā)明推薦的最佳比例是
丙烯酸酯乳液100 g
氮丙啶交聯(lián)劑0.6 g
水稻秸桿燒制的生物炭O. 5 g 蒸餾水100 go完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案為一種基于生物炭改性水基聚合物包膜控釋肥料的制備方法，其制備工藝過程主要為改性材料的前處理、包衣母液的選擇、包衣液配制和包膜肥料的研制四部分。改性材料的前處理
(1)用慢熱解法制得生物炭；本申請推薦采用農(nóng)作物秸桿生物炭；
(2)生物炭用球磨機(jī)粉碎60秒，過100目篩，粒徑較大未能篩下的部分繼續(xù)粉碎，直至全部通過；
(3)干燥避光保存，長時間存放后第二次用之前應(yīng)將其在干燥箱里干燥；
包衣母液的選擇
(4)選擇適當(dāng)?shù)乃酆衔锶橐?，聚丙烯酸酯或者聚氨酯乳液?br> 包衣液的配制
(5)在已知固含量(49±1)%的水基聚合物聚丙烯酸酯乳液的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，添加或者不添加乳液干物重I. 2%的氮丙啶交聯(lián)劑，分別添加0、0. 5%、I. 0%、2%、5%和10%生物炭。其中生物炭分次加入原乳液中，開始攪拌同時，緩慢添加等母液量的蒸餾水或者溶解于等母液量蒸餾水的交聯(lián)劑溶液。攪拌20 min，即制得包衣液。包膜肥料制備
(6 )用配成的包衣液與肥芯顆粒一起在流化床包衣機(jī)上制作包膜肥料。包衣母液和包衣液分兩步配制的優(yōu)點是包衣母液能長期存放，而包衣液須利用包衣母液現(xiàn)配現(xiàn)用，避免包衣液中生物炭顆粒發(fā)生凝聚沉降。采用本發(fā)明改性得到的新型聚合物包膜肥料，其膜殼的強(qiáng)度和養(yǎng)分釋放期較原乳液得到了很大的提高。作為改性材料的生物炭能夠在包膜肥料完整時中延緩養(yǎng)分釋放，在膜材料降解后繼續(xù)服務(wù)于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。通過生物炭改性水基聚合物聚丙烯酸酯類乳液，進(jìn)而制得的包膜控釋肥料具有廣闊的應(yīng)用前景。表I為原乳液和改性后乳液制得的模型膜力學(xué)性質(zhì)數(shù)據(jù)。其中A為原乳液，B為I. 2%氮丙啶交聯(lián)劑改性后乳液，C為2. 0%生物炭改性后乳液，D為I. 2%氮丙啶交聯(lián)劑和I. 0%生物炭同時添加改性后乳液。表I聚合物乳液制成的模型膜力學(xué)性質(zhì)
權(quán)利要求
1.一種基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，由肥芯顆粒與其外部的改性高分子包膜構(gòu)成，其特征在于所述的改性高分子包膜的原料為水基聚丙烯酸酯乳液或聚氨酯乳液100份、交聯(lián)劑為(Γ5份、生物炭O. 05^5份和蒸餾水5(Γ200份；高分子包膜原料的干物質(zhì)質(zhì)量占肥芯顆粒質(zhì)量的5 15%。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述的交聯(lián)劑選用氮丙啶或乙二胺二酰肼。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于生物炭的原料選用農(nóng)作物秸桿、牲畜糞便、枯枝落葉或者石油。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述的生物炭的原料選用農(nóng)作物秸桿。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述各組分的比例是丙烯酸酯乳液100 g氮丙啶交聯(lián)劑0.6 g水稻秸桿燒制的生物炭O. 5 g蒸餾水100 go
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，其特征在于所述的生物炭是指原始未親水改性的生物炭，或者是親水改性處理后的生物炭。
7.權(quán)利要求I所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控釋肥料的制備方法，其特征在于，步驟如下改性材料的前處理(1)用慢熱解法將農(nóng)作物秸桿、牲畜糞便、枯枝落葉或者石油制成生物炭；(2)生物炭用球磨機(jī)粉碎，過篩，粒徑較大未能篩下的部分繼續(xù)粉碎，直至全部通過；(3)干燥;包衣母液的選擇(4)選擇適當(dāng)?shù)乃酆衔锶橐?，聚丙烯酸酯或者聚氨酯乳液；包衣液的配?5)在水基聚合物聚乳液中，添加或者不添加交聯(lián)劑，分別添加生物炭；開始攪拌同時，緩慢添加蒸餾水；攪拌，即制得包衣液；包月吳肥料制備(6 )用配成的包衣液與肥芯顆粒一起在流化床包衣機(jī)上制作包膜肥料。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控釋肥料的制備方法，其特征在于，各步驟的具體操作方法如下改性材料的前處理(1)用慢熱解法制得生物炭；(2)生物炭用球磨機(jī)粉碎60秒，過100目篩，粒徑較大未能篩下的部分繼續(xù)粉碎，直至全部通過；(3)干燥避光保存，長時間存放后第二次用之前應(yīng)將其在干燥箱里干燥；包衣母液的選擇(4)選擇適當(dāng)?shù)乃酆衔锶橐?，聚丙烯酸酯或者聚氨酯乳液；包衣液的配?5)已知固含量49±1%的水基聚合物聚丙烯酸酯乳液的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，添加或者不添加乳液干物重I. 2%的氮丙啶交聯(lián)劑；添加生物炭，其中生物炭按照0、0. 5%、I. 0%、2%、5%和10%分次加入原乳液中，開始攪拌，同時，緩慢添加等母液量的蒸餾水或者溶解于等母液量蒸餾水的交聯(lián)劑溶液；攪拌20 min,即制得包衣液；包月吳肥料制備(6 )用配成的包衣液與肥芯顆粒一起在流化床包衣機(jī)上制作包膜肥料。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控釋肥料的制備方法，其特征在于，所述生物炭的添加方法是計算稱量好處理后生物炭粉末分次添加于包衣母液中，添加的同時用磁力攪拌器攪拌；與此同時，緩慢添加等包衣母液量的含或者不含I.2%交聯(lián)劑的蒸餾水；攪拌20 min,即制得包衣液。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的基于生物炭改性水基聚合物包膜控釋肥料的制備方法，其特征在于，所述流化床包衣控制參數(shù)范圍如下包衣液流速1 3 rpm ;進(jìn)風(fēng)溫度40 100 V ;出風(fēng)溫度:30 80 V ;霧化壓力:0· 05 O. 2 Mpa0
全文摘要
基于生物炭改性的水基聚合物聚丙烯酸酯包膜肥料，由肥芯顆粒與其外部的改性高分子包膜構(gòu)成，特征是改性高分子包膜的原料為水基聚丙烯酸酯乳液或聚氨酯乳液100份、交聯(lián)劑為0~5份、生物炭0.05~5份和蒸餾水50~200份；高分子包膜原料的干物質(zhì)質(zhì)量占肥芯顆粒質(zhì)量的5~15%。本發(fā)明有效改善了原水基聚合物材料強(qiáng)度不足的缺陷，優(yōu)化了包膜肥料的控釋性能。生物炭原材料來源廣泛，可很大程度上解決作物秸稈焚燒帶來的生物質(zhì)能源浪費、環(huán)境污染等一系列問題。本發(fā)明控釋效果良好、環(huán)境友好，可大幅度降低生產(chǎn)成本。本改性包膜材料具有良好的成膜和力學(xué)性質(zhì)，且可自然降解，降解后的生物炭可有利于保持和提高土壤質(zhì)量。
文檔編號C05G3/00GK102924164SQ201210272320
公開日2013年2月13日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者杜昌文, 周子軍, 周健民 申請人:中國科學(xué)院南京土壤研究所