木质素基多功能缓控释肥料的制备及其性能研究
发布时间：2020-07-17 19:28
【摘要】：植物生长过程中需要矿物质养分,但土壤中的养分仅能满足植物的部分需要。因此,缓控释肥料应运而生,其在维持土壤肥力、提高粮食产量和改善农产品品质等方面具有非常重要的作用。缓控释肥料是指通过物理或化学作用,延缓肥料养分在土壤中的释放速率,从而达到养分的缓慢或控制释放,并且被植物长效吸收的一类肥料。然而,相比于传统肥料,缓控释肥料的生产成本相对较高。此外,目前制备缓控释肥料的材料多为难以降解的合成高分子。随着缓控释肥料中的养分释放殆尽,这些合成高分子材料残留于土壤中,导致土壤环境的污染。为了解决上述问题,本学位论文制备了一系列可生物降解、价格低廉和环境友好的多功能生物质基缓控释肥料。通过将来源广泛、价格低廉的生物质——木质素作为主要原料,利用包膜法、交联法、静电层层自组装和吸附法制备了四种不同形貌和尺寸的木质素基多功能缓控释肥料,并对四种类型的肥料中养分含量、缓控释行为、降解性等进行了系统的研究和评价,具体研究内容和结果如下:1.将尿素颗粒包埋于木质素、凹凸棒土和磷酸锌铵中作为肥料内核,以醋酸丁酸纤维素和液体石蜡作为内层包膜材料,以木质素接枝丙烯酸-丙烯酰胺共聚物作为外层包膜材料,制备了一种具有保水和重金属吸附功能的木质素基双层包膜缓释肥料。该肥料的加入可以有效改善土壤的物理性质,降低土壤中水分的蒸发,提高土壤61.6%的吸水能力和13.1%的保水能力。肥料中的养分具有较好的持续释放效果,氮、磷和锌25天内在土壤中累积释放率分别为70%、46.7%和60.1%。此外,天然高分子木质素的加入不仅可以改善肥料的降解性能,避免土壤的二次污染,还能吸附和固定土壤中91.7%的铅离子,防止植物在生长过程中吸收重金属离子。2.将胺化木质素和氧化海藻酸钠作为原料,通过席夫碱反应和铁离子的交联作用制备了一种具有高机械强度的可生物降解肥料,并对反应条件进行了优化。相比于单纯的海藻酸钠肥料,可生物降解肥料具有较高的机械强度,有利于肥料的运输和储存。使用天然高分子木质素和海藻酸钠作为原料,降低了肥料的生产成本,减轻了土壤环境的污染,改善了肥料的降解性能,30天时降解率达到55.6%。席夫碱键和离子交联作用的引入可使得生物降解肥料中的铁元素具有良好的持续释放效果。3.以微溶性磷酸锌铵作为肥料内核,通过多巴胺的粘附和自聚,制备了聚多巴胺包膜的磷酸锌铵。利用聚电解质木质素磺酸钠和壳聚糖溶液的静电层层自组装特性,制备了一种具有pH响应性的缓控释肥料,对层层自组装过程和机理进行了研究。结果显示,该肥料具有较好的pH响应性释放行为,在不同的酸碱性条件下,氮、磷和锌元素释放速率不同。盆栽玉米实验表明,pH响应性缓控释肥料可以提高肥料中养分的利用率,促进玉米生长和发育。4.以木质素作为生物质原料,通过胺化改性、铁离子的螯合作用和负载四氧化三铁纳米颗粒后制备了一种磁性木质素基纳米吸附颗粒,并对其结构和吸附性能进行了研究。结果表明,磁性木质素基纳米吸附颗粒对废水中的H_2PO_4~-具有较高的吸附容量和去除率,且吸附速率较快,可以在15分钟内达到吸附平衡。吸附动力学过程符合准二级动力学模型,吸附热力学符合Temkin等温吸附模型。将回收的富含H_2PO_4~-的纳米吸附颗粒再利用,作为一种磁性吸附型纳米缓释复合肥料。该复合肥料具有较好的持续释放性能,铁和磷元素在30天后的释放率分别达到67.2%和69.1%。此外,磁性吸附型纳米缓释复合肥料具有优异的磁性回收、再生和循环使用性能。吸附-回收-再生循序6次后,磁性木质素基纳米吸附颗粒的回收率和去除率保持在83%和62%以上,这不仅可以降低肥料制备成本,还可以防止土壤受到二次污染,提高养分的利用率。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ449.1
【图文】：
[21]等多方面的影响（图1-1）。因此，制备具有环境响应性的缓控释肥料是肥料发展的一个方向[22]。图 1-1 外界环境对肥料养分释放的影响1.3 环境响应性肥料的国内外研究进展智能肥料可以根据土壤环境变化和作物不同的生长阶段来调节养分的释放，使肥料的养分释放与土壤环境和农作物的养分吸收相匹配。当作物需要养分的时候，智能肥料能及时、有效地供给养分，而在作物不需要养分的时候，其又能减缓甚至停止释放养分，这样可以避免因作物无法有效吸收而造成的肥料流失。环境响应性肥料属于智能肥料的一大类，是近年来研究的一种新型功能化肥料，其能够根据土壤和空气环境中的刺激信号产生一定的响应，从而使肥料的物理和化
图 1-2 利用 SI-ATRP 技术制备温度响应性多元复合肥料示意图[40]Zhang 等[41]将桑枝（MB）作为一种生物质原材料，通过与丙烯酸和丙聚物（AA-co-AM）发生接枝反应，制备了一种新型吸水剂（图 1-3）。剂加入到海藻酸钠（SA）和尿素的混合溶液中，通过钙离子交联，制廉价且环境友好的缓释尿素肥料（SRUF）。在不同温度下，SRUF 的吸同。在 5oC 时，SRUF 对去离子水、自来水和 NaCl 溶液（0.9 wt%）的分别为 445.2、289.7 和 50.6 g/g；当温度上升到 25oC 时，SRUF 对上述收能力分别为 495.7、295.4 和 52.3 g/g；当温度上升到 45oC 时，SRU液中的吸收能力均略微增加，分别为 503.9、296.8 和 56.1 g/g。然而，升高，SRUF 的保水能力下降。12 小时后，SRUF 的保水率为 97.1 wt%（5wt%（25oC）和 59.2 wt%（45oC），这主要是由于吸水剂内部的氢键发致 SRUF 中的水分减少。相比于无机肥料和传统缓控释肥料，这种缓够避免肥料中的营养物质在土壤中过度释放，尤其是在环境温度较高的午。因此，SRUF 肥料在早晚温差较大的农业生产区域有巨大的应用
图 1-3 桑枝基缓释肥料的制备示意图[41]程冬冬等[42]将尿素、磷酸二氢钾和甲醛作为主要原料，以通过交联反应合氮磷钾缓释肥作为实验对象，测定了在相同土壤含水量下，温度的改变对和钾元素累积释放率的影响。实验表明，34 天后，在土壤相对含水量分别%（PRF40）、60%（PRF60）、80%（PRF80）和 100%（PRF100）的条件oC 时氮素累积释放率分别比 25oC 时高 10.00%、18.67%、1.84%和 8.80%； 和 35oC 下，PRF60 处理的高分子缓释肥中，磷素最大释放量达 30.3%和 26.4说明 60%的土壤相对含水量有利于高分子缓释肥磷素的释放，且 25oC 比 3有利于高分子缓释肥磷素的释放。然而，随着环境温度升高，土壤温度对钾放的影响并不明显。邹洪涛等[43]探讨了两种有机/无机复合物包膜缓释尿素 BG（以改性聚乙烯醇作为有机组分，无定型二氧化硅作为无机组分）和 以改性聚乙烯醇作为有机组分，多孔铝硅酸盐作为无机组分）在不同温度下的释放行为。研究结果表明，随着环境温度的升高，包膜缓释尿素肥料的氮放率增大，释放速率常数增大，氮素的释放特征可以用一级反应动力学方程
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ449.1
【图文】：
[21]等多方面的影响（图1-1）。因此，制备具有环境响应性的缓控释肥料是肥料发展的一个方向[22]。图 1-1 外界环境对肥料养分释放的影响1.3 环境响应性肥料的国内外研究进展智能肥料可以根据土壤环境变化和作物不同的生长阶段来调节养分的释放，使肥料的养分释放与土壤环境和农作物的养分吸收相匹配。当作物需要养分的时候，智能肥料能及时、有效地供给养分，而在作物不需要养分的时候，其又能减缓甚至停止释放养分，这样可以避免因作物无法有效吸收而造成的肥料流失。环境响应性肥料属于智能肥料的一大类，是近年来研究的一种新型功能化肥料，其能够根据土壤和空气环境中的刺激信号产生一定的响应，从而使肥料的物理和化
图 1-2 利用 SI-ATRP 技术制备温度响应性多元复合肥料示意图[40]Zhang 等[41]将桑枝（MB）作为一种生物质原材料，通过与丙烯酸和丙聚物（AA-co-AM）发生接枝反应，制备了一种新型吸水剂（图 1-3）。剂加入到海藻酸钠（SA）和尿素的混合溶液中，通过钙离子交联，制廉价且环境友好的缓释尿素肥料（SRUF）。在不同温度下，SRUF 的吸同。在 5oC 时，SRUF 对去离子水、自来水和 NaCl 溶液（0.9 wt%）的分别为 445.2、289.7 和 50.6 g/g；当温度上升到 25oC 时，SRUF 对上述收能力分别为 495.7、295.4 和 52.3 g/g；当温度上升到 45oC 时，SRU液中的吸收能力均略微增加，分别为 503.9、296.8 和 56.1 g/g。然而，升高，SRUF 的保水能力下降。12 小时后，SRUF 的保水率为 97.1 wt%（5wt%（25oC）和 59.2 wt%（45oC），这主要是由于吸水剂内部的氢键发致 SRUF 中的水分减少。相比于无机肥料和传统缓控释肥料，这种缓够避免肥料中的营养物质在土壤中过度释放，尤其是在环境温度较高的午。因此，SRUF 肥料在早晚温差较大的农业生产区域有巨大的应用
图 1-3 桑枝基缓释肥料的制备示意图[41]程冬冬等[42]将尿素、磷酸二氢钾和甲醛作为主要原料，以通过交联反应合氮磷钾缓释肥作为实验对象，测定了在相同土壤含水量下，温度的改变对和钾元素累积释放率的影响。实验表明，34 天后，在土壤相对含水量分别%（PRF40）、60%（PRF60）、80%（PRF80）和 100%（PRF100）的条件oC 时氮素累积释放率分别比 25oC 时高 10.00%、18.67%、1.84%和 8.80%； 和 35oC 下，PRF60 处理的高分子缓释肥中，磷素最大释放量达 30.3%和 26.4说明 60%的土壤相对含水量有利于高分子缓释肥磷素的释放，且 25oC 比 3有利于高分子缓释肥磷素的释放。然而，随着环境温度升高，土壤温度对钾放的影响并不明显。邹洪涛等[43]探讨了两种有机/无机复合物包膜缓释尿素 BG（以改性聚乙烯醇作为有机组分，无定型二氧化硅作为无机组分）和 以改性聚乙烯醇作为有机组分，多孔铝硅酸盐作为无机组分）在不同温度下的释放行为。研究结果表明，随着环境温度的升高，包膜缓释尿素肥料的氮放率增大，释放速率常数增大，氮素的释放特征可以用一级反应动力学方程
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4 舒兴
本文编号：2759838
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