环保型薄膜材料及包膜肥料制备与释放性能研究

发布时间：2020-08-19 11:03

【摘要】：缓/控释肥料由于可以显著提高传统肥料的利用率、减少环境污染、提高作物产量和品质受到了研究人员的广泛关注。生产和施用缓/控释肥料已经成为目前化肥工业发展的主要趋势之一,也是发展绿色农业的必然要求。目前市场上为数不多的缓/控释肥料以脲甲醛缓/控释肥料为主,但是脲甲醛缓/控释肥料的养分释放周期长、无法实现养分控释。可降解高分子聚合物缓/控释肥料不仅可以调节养分的释放速率,而且在土壤中不造成二次污染。本学位论文着眼于开发高效、环保型缓/控释肥料,以聚乳酸(PLA)、淀粉及腐植酸等原料制备包膜材料,设计了新型分段式流化床包膜装置,并制备了聚乳酸包膜缓/控释肥料;测试计算了包膜材料的渗透系数,建立了基于温差分段模拟的Shaviv模型预测包膜缓/控释肥料田间释放性能;分别研究了聚乳酸包膜肥料在水中和土壤中的缓释行为,考察了聚乳酸包膜肥料的应用效果。具体内容如下:(1)制备了PLA、PLA/PS、PLA/HA复合薄膜,测定了288K、298K和308K温度和不同膜材料条件下尿素、磷酸二氢钠、氯化钾饱和溶液中水蒸气和氮磷钾养分的渗透系数,并讨论了包膜材料的厚度和成膜温度对水蒸气和养分渗透性能的影响。(2)通过Novezyme435催化的淀粉酯化反应,成功合成了葵酸酯淀粉、月桂酸酯淀粉和棕榈酸酯淀粉。添加PEG-400可以提高DES的取代度,最佳酯化温度为338K。与原始淀粉相比,改性后淀粉的溶解、糊化、再结晶和酯化程度较小。随着脂肪酸中碳链长度的增加,淀粉颗粒间的聚集率提高,结晶度降低;同时研究了淀粉的成膜性能。(3)设计了覆膜段与成膜段分开的流化包膜工艺及装置。覆膜段采用全封闭带气流循环的伍斯特流化床,在常温下操作;成膜段采用沸腾流化床,在高温下操作。覆膜段与成膜段间物料的输送采用气力输送方式,可以减少颗粒之间的接触几率与接触时间,从而减少包膜颗粒之间的粘连。提高了包膜材料的利用率和包膜的均匀性。(4)制备了聚乳酸包膜尿素颗粒,测定计算了氮养分和水蒸气的渗透系数。优化了Shaviv等数学模型模拟条件,研究建立了以温差为依据的分段数学模拟方法,能较好地预测包膜尿素氮养分累积释放性能。分段数学模拟预测结果与田间试验结果相比,平均绝对偏差为1.74,平均相对偏差为3.01%。采用Shaviv等提出的数学模型并分段模拟的方法可较好地预测包膜肥料养分释放特征。(5)根据前面研究成果,针对棉花选择了合理的包膜材料,制备了聚乳酸包膜缓/控释尿素,通过对聚乳酸包膜缓/控释尿素和普通尿素对比试验,研究了两种尿素对棉花产量、N素利用率和环境的影响结果表明聚乳酸包膜缓/控释尿素能有效提高氮素利用率,减少面源污染。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ449.1
【图文】：

过程图,包膜肥料,养分释放,过程图

由于这些因素，使用硫作为包膜材料的缓/控释肥料已经减少，研究人员已经开始使用各种有机聚合物作为包膜材料，许多研究人员报告了基于聚合物缓/控释肥料的模型。Shaviv 等学者针对包膜缓/控释肥料养分释放方式不同开发了一种新型的聚合物包膜肥料数学模型，该模型的主要特点是它是非 fickian 模型，使其在数学上是非线性的[39]，其释放过程阶段分为三个阶段，释放过程机理如图 1.1所示。当包膜肥料颗粒内部形成一定的饱和溶液时肥料养分开始释放，随着肥料养分的不断释放，膜层内外部的渗透压力会逐渐地降低。包膜肥料内核中的养分释放过程包含三个阶段：初期几乎没有养分释放阶段（滞后期），中期养分线性释放阶段（匀速期）和后期释放速率降低阶段（衰减期）。聚合物包膜肥料的养分随时间的释放模式通常是 S 形的，这种模式是比较适合植物吸收养分的，因此在减少环境污染方面有很大的潜力。过去大部分的建模工作是基于假设营养物质从薄膜中释放出来，由肥料中的简单溶质扩散控制的，忽略肥料或其他过程对水分的吸收，这使得过程变得复杂和非线性。Shaviv[39]等人探求聚合物包膜释放机理，均可用以下释放过程描述，如图 1.1 所示。

包衣机,基本原理,包膜,转鼓

合肥工业大学博士研究生学位论文生产效率，适用于连续大规模生产。但是转鼓包衣工肥料，包衣肥料的养分控释性能主要受转鼓转速、转包衣液雾化过程、包衣层厚度的影响聚合物包膜肥料包括造粒塔喷雾法、转鼓/转盘包膜工艺和流化床包膜主要应用于尿素造粒塔中的尿素颗粒的硫包膜。而聚鼓/转盘包膜工艺和流化床包膜工艺。图 1.2 显示了转

流化床,包膜

图 1.3 常用流化床的结构与原理Figure 1.3 Structure and principle of commonly used fluidized bed其中，底喷包衣床又称为伍斯特（Wurster）流化床。伍斯特（Wurster）流化床更适合于颗粒包膜或制备小尺寸颗粒材料。该流化床的主要特点在于：1）导流管，2）不同孔径的筛板（导管之内对应的筛板孔径较大，导管之外对应的筛板孔径较小）。在包膜过程中，首先使用通过孔板的气流将肥料颗粒流化和悬浮，然后通过喷嘴喷入包膜聚合物的熔体或包膜溶液在颗粒上形成液体覆膜，最后在气流的作用下覆膜聚合物熔体冷却固化或包膜溶液溶剂蒸发在颗粒表面成膜。包膜过程中每个颗粒都在循环轨迹上移动和翻转，因此与转鼓包衣工艺相比，流化床包膜工艺，尤其是伍斯特流化床工艺，具有多种优势，包括：1）包膜均匀，2）颗粒之间粘连较少，3）颗粒包裹率较高等。是当前研究的热点领域。当然，该工艺也存在一些缺点，包括：1）流化床中的高温环境使未直接喷涂在颗粒表面的膜材料迅速固化导致膜材料损失，2）气流对包膜液液滴的夹带导致包膜材料的损失等

【参考文献】