淀粉基缓控释肥料的制备及其性能研究

发布时间：2020-08-24 14:19

【摘要】：与人类和动物类似,植物也需要养分来促进其生长和发育。肥料是添加到土壤中的化学物质,可以直接或间接地为植物提供营养成分,以增加作物的产量。近年来,全球人口数量不断上涨。为了满足世界人口的粮食需求并通过可持续农业解决粮食安全问题,化肥被广泛使用。然而,现有的大多数传统化肥由于矿化、浸出和挥发等各种原因,造成营养成分大量流失、植物对养分吸收效率低、农田资源损失严重等问题。除此之外,流失的养分进入环境中,增加了环境的负担,并造成了粮食安全风险和环境污染。为解决这一问题,缓控释肥料应运而生,并受到了相关研究人员的广泛关注。缓控释肥料将营养成分有效地包裹,能够以最小化的养分损失满足不同植物生长阶段特定的营养需求,为农作物提供有针对性的、可控的营养成分,并且显著地提高了特定土壤条件下农作物的产量和质量。近年来,环境污染加剧,出现了大气污染、土地荒漠化、水土流失等一系列环境问题,导致人们密切关注环境保护、人类健康等问题,因此,绿色安全、环保无毒的缓控释肥料成为了科学家们关注的热点。淀粉,一种常见的天然高分子,在自然界中大量存在,具有来源广泛、价格实惠、安全环保等优势,是制备可降解的缓控释肥料的理想材料。淀粉分子是通过连接α-D-葡萄糖之间的糖苷键形成的,存在丰富的羟基官能团,通过对官能团的修饰,可对淀粉进行改性,从而使淀粉具备理想的性能。本学位论文对淀粉分子进行了修饰,以改性后的淀粉作为原料,合成了三种新型的缓控释肥料,并分别对这三种缓控释肥料养分的释放行为进行了研究。具体研究内容和结果如下:1.采用异丙醇体系制备了羧甲基淀粉,以羧甲基淀粉为原料,N,N-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂,通过自由基聚合,制备了羧甲基淀粉接枝丙烯酸、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的保水剂。以尿素颗粒为肥料内核,乙基纤维素为内层包膜,所制备的羧甲基淀粉保水剂作为外层包膜,制备了一种双重包膜的缓释氮肥。实验结果表明,该羧甲基淀粉保水剂在自来水中的吸水率可达298 g/g,施用于酸性土壤和碱性土壤均可提高土壤湿度,有效地提高了土壤的保水能力。肥料在两种土壤中的缓释行为结果表明,所制备的缓释肥料可减缓尿素的释放,具有一定的缓释能力。此外,在酸性土壤和碱性土壤溶液中的降解实验表明,外层羧甲基淀粉保水剂具有良好的降解能力。2.以玉米淀粉为原料,制备了羧甲基淀粉和双醛淀粉。将氨基化改性后的二苯并-18-冠-6醚分别与羧甲基淀粉和双醛淀粉反应,利用二氨基-二苯并-18-冠-6醚的孔腔螯合钾离子,制备了两类叶面钾肥。通过元素分析、等离子电感耦合分析等方法对两类叶面钾肥的性能进行了研究。在不同pH值的溶液中,研究了这两类叶面钾肥的缓释行为。实验结果表明,两类肥料都可以缓慢释放肥料中的养分。其中双醛淀粉类叶面钾肥由于引入了动态席夫碱键,具有pH敏感性,可根据不同的pH环境调控养分的释放行为。羧甲基淀粉叶面钾肥可不受环境pH值的影响,长期稳定地释放钾离子。盆栽实验结果表明,两种肥料都可以促进黄豆苗的生长和发育。3.以玉米淀粉为原料,采用酶水解法,制备了多孔羧甲基淀粉,用多孔羧甲基淀粉吸附硝酸铁,同时将蒙脱土通过离子交换包裹在淀粉外层,制备了一种纳米铁肥,并考察了所制备的纳米铁肥的缓释性能。扫描电子显微镜照片显示了酶水解的多孔羧甲基淀粉具有多孔结构,孔径大小均一。多孔羧甲基淀粉具有优异的吸附性能,可吸附大量的铁离子。分别在不同pH值溶液和不同类型的土壤中对所制备的纳米铁肥的养分释放行为进行了研究。结果表明,该纳米铁肥在不同pH值条件下都具有一定的缓释能力。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ449.1
【图文】：

尿素,分析纯,有限公司,医药化学

图 2-1 尿素在土壤中的转化途径2.2 实验部分2.2.1 实验原料及试剂玉米淀粉，食品级，中国甘肃腾盛农产品集团；氢氧化钠(NaOH)，工业级，青海宜化化工有限责任公司；一氯乙酸(MCA)，分析纯，西安化学试剂厂；异丙醇，分析纯，天津化学试剂有限公司；乙醇，工业级，中国天津化学试剂有限公司；冰醋酸，分析纯，利安隆博华（天津）医药化学有限公司；丙烯酸，化学纯，天津市科密欧化学试剂有限公司；2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸（AMPS）和乙基纤维素，分析纯，北京百灵威试剂公司；过硫酸钾（KPS），分析纯，利安隆博华（天津）医药化学有限公司。2.2.2 仪器与设备电热鼓风干燥箱，上海一恒科学仪器有限公司；高速粉碎机，RRHP-10 型，

示意图,保水剂,示意图,链段

兰州大学硕士研究生学位论文淀粉基缓控释肥料的制备及其性能研究2.3 结果与讨论2.3.1 CMS/AA/AMPS 保水剂的制备及条件优化CMS/AA/AMPS 外层保水剂是通过自由基聚合反应制备的，其制备机理如图2-2 所示。CMS 在 KPS 的引发下，生成自由基，引发 AA、AMPS 中的双键进行自由基聚合，使 PAA、PAMPS、P(AA-co-AMPS)接枝到 CMS 的骨架上，并且这些聚合物在交联剂 MBA 作用下发生交联，从而形成三维网络结构，同时，链段与链段之间相互缠结，使生成的聚合物网络结构更为紧密。

保水剂,单体配比,吸水率,吸水性能

图 2-3 单体配比对 CMS/AA/AMPS 保水剂吸水率的影响从图 2-3 中可以看出，当 AMPS 单体用量较少时，增加 AMPS 单体的用量MS/AA/AMPS 保水剂的吸水率也随之增加，且增加程度明显。当 AMPS 单用量增加到 AA 的两倍时，CMS/AA/AMPS 保水剂的吸水性能达到最大，约20 g/g。当 AMPS 单体的用量超过 AA 的两倍时，随着单体 AMPS 含量增加MS/AA/AMPS 保水剂的吸水性能反而减小。这是因为 AMPS 内含有可参与基聚合的乙烯基官能团[16, 17]，能与 AA 发生聚合，从而增加链段的长度，此外MPS 具有良好的抗盐性[18, 19]。当 AMPS 单体用量较少时，随着 AMPS 的增加MS/AA/AMPS 保水剂的网络结构逐渐完善，抗盐性增强，从而增加了保水剂水性。但是 AMPS 的亲水性不如 AA[20]，所以后期随着 AMPS 用量的进一加，保水剂的吸水性能降低。.3.1.2 交联剂用量对 CMS/AA/AMPS 吸水率的影响交联剂是影响保水剂吸水性能的关键因素，本章工作中，我们考察了交联

【参考文献】