具有吸水保水功能的包膜缓释复合肥料的制备与性能研究

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缓/控释肥料是提高作物养分吸收和减少施肥损失对环境污染的一项新技术方案。干旱缺水是全球旱地农业面临的主要问题,将高吸水性聚合物应用于农业是目前节水、保水、土壤改良等研究方向中一条行之有效的新途径。吸水保水缓释肥料是将吸水保水高分子与缓释肥料在材料与功能上复合一体化而研发的新型肥料,具有吸水保水高分子与缓释肥料的综合优良性能,不仅能改良土壤,还能同时提高水肥利用率。本研究以N:P2O5:K2O=15:6:9的复合肥为肥料内核,水溶液聚合法制备的烯丙基硫脲接枝改性羧甲基纤维素钠共聚物、羧甲基纤维素钠/海藻酸钠复合保水剂、魔芋接枝丙烯酸-丙烯酰胺/腐植酸共聚物复合吸水材料为主要包膜缓释剂制备了一系列具有吸水保水功能的缓释复合肥料,利用静水溶出、土柱淋溶等实验对研制的具有吸水保水功能的包膜缓释复合肥料的缓释效果、氮素在土壤中的释放机理、对土壤保水效果的影响等方面进行了较系统性地研究。主要研究结果如下:  1.以烯丙基硫脲(Allyl thiourea,ATU)为接枝单体对羧甲基纤维素钠(Sodium carboxymethyl cellulose,CMC)进行改性,过硫酸钾为引发剂,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,制备了CMC-g-ATU共聚物保水剂,以此保水剂粉末作为颗粒复合肥的包膜剂制备了一种包膜缓释复合肥料;检验并分析引发剂、交联剂、接枝单体的量对共聚物的吸水倍率的影响,采用FT-IR、SEM对最优条件合成的共聚物的表面结构进行了表征;运用静水溶出、土柱淋溶实验检测了包膜缓释复合肥的氮素在水中与土壤中的释放效果。结果表明制备的吸水材料表面起伏粗糙,且能观察到存在明显的孔洞结构,具有良好的吸水性能,吸水倍率最高为90.50g/g,静水溶出实验结果表明包膜缓释肥氮素累积溶出率较缓慢,初期溶出率为28.99%,土柱淋溶实验氮素初期释放率为14.76%,表明包膜肥料缓释效果良好,土壤中缓释效果更好,且在土壤中具有良好的保水效果。  2.将羧甲基纤维素钠(CMC)与天然高分子海藻酸钠(sodium alginate,SA)进行共聚反应制备了一种CMC/SA复合保水剂,以此复合保水剂的粉末作为包膜材料对复合肥料进行包膜制备了一种环境友好型保水包膜缓释复合肥。检验并分析交联剂柠檬酸(Citric acid,CA)及SA的量、不同pH以及不同盐溶液对共聚物的吸水倍率的影响,采用FT-IR及SEM对最优条件合成的复合保水剂表面结构进行了表征,静水溶出、土柱淋溶实验分别检测了包膜缓释复合肥的氮素在水中和土壤中的缓释行为,研究了包膜肥料在土壤中的保水效果,最后进行了包膜材料CMC/SA复合保水剂在土壤中的降解性实验。结果表明制备的复合保水剂表面呈现很多海绵状的小块,且小块之间存在间隙,其吸水性能良好,吸水倍率最高达到61.52g/g,水溶实验结果表明包膜缓释肥氮素溶出较未经包膜的复合肥更为缓慢,初期溶出仅30.24%,土柱淋溶实验氮素初期释放了14.82%。所制备的复合保水剂作为肥料的包膜材料,既可以起到减缓肥料养分释放的作用,又可以有效降低土壤中水分的蒸发率,提高土壤的保水性,且天然高分子海藻酸钠引入到保水剂的制备中,可以有效改善保水剂的降解性能,60天降解率达到11.17%。  3.在65℃,N2保护条件下,以水溶液聚合法制备的魔芋接枝丙烯酸-丙烯酰胺共聚物/腐植酸复合吸水材料为内层包膜剂,利用直接包膜法包膜,膨润土为外层保护物,制备了一种双层包膜缓释复合肥。考察了引发剂、交联剂、魔芋、丙烯酰胺、腐植酸的用量及丙烯酸中和度等因素对内层包膜材料吸水倍率的影响,对最优条件合成的吸水材料的表面形貌及结构进行了红外FT-IR和SEM表征,运用静水溶出、土柱淋溶实验检测了包膜缓释复合肥的养分释放效果,研究了包膜肥料对土壤保水性能的影响。SEM结果看出制备的吸水材料表面结构多孔,横截面存在空腔,此结构提高了其吸水性能,吸水倍率最高达到78.63g/g,且双层包膜复合肥在水中和土壤中的养分缓释效果优异,在土壤中具有一定的保水功能。玉米种植实验得出制备的包膜复合肥能明显促进玉米生长,且双层包膜的复合肥料能较好地协调作物吸收养分的速率,提高玉米对肥料养分的吸收利用。  本论文选择来源广泛、价格低廉、无污染且又能保证肥料具有较好缓控释性的包膜材料,采用简单的制备工艺,制备了一系列具有吸水保水功能的包膜缓释复合肥料,对其多方面的性能进行了系统地评价和研究,这将为拓展保水型包膜缓控释肥料的种类、促进其推广应用奠定一定的理论和实际应用基础。
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