CN104529636A - 一种生物炭基缓释氮肥及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种生物炭基缓释氮肥及其制备方法，该生物炭基缓释氮肥，由如下质量份数的组分组成：45份-55份的生物炭、45份-55份的氮肥。该制备方法包括如下步骤：对生物炭和氮肥进行粉碎处理，并将粉碎处理后的生物炭和氮肥混合均匀，加热至氮肥熔化，并在加压下使所述熔化的氮肥进入生物炭的多孔结构中，混合均匀后造粒即可得到生物炭基缓释氮肥，其中，所述加压的压力为0.1Mpa-0.15Mpa。本发明的制备方法能使肥料进入生物炭的多孔结构中，具有缓释效果好，缓释时间长的优点，同时，实现了废弃物循环利用，避免了包膜材料对土壤产生的污染，可应用于大田作物、设施蔬菜、果树等施肥中，具有良好的提质增效作用。
Description
技术领域
本发明属于化学氮肥与生物炭复合技术领域，具体涉及一种生物炭基缓释氮肥及其制备方法。
背景技术
我国是世界上氮肥消费量最多的国家，并且这种消费量还在进一步增加。在高施氮量的同时，我国的氮肥利用率却一直较低，仅在30％～35％左右，而近年来，对设施蔬菜氮肥利用率的研究表明，当季氮肥利用率仅为3.70％～30.80％。过量施肥导致的结果必然是氮素淋失的加剧。缓控释肥料在提高氮肥利用率、降低土壤硝态氮累积、减轻地下水硝酸盐污染等方面的作用受到普遍关注，但传统的缓控释肥料主要由硫包衣、聚烯烃、水乳液等方法实现养分缓控释目的，硫包衣型释放期太短，容易造成土壤酸化；聚烯烃膜材不易降解，污染土壤；水乳液则生产工艺复杂，膜材消耗大，生产成本高，因此，找到一种既廉价，本身对土壤又无副作用的缓释材料是缓控释肥料进一步发展的关键。
生物炭(Biochar)是由各种动植物残体，包括动物粪便和植物残体(树叶、木屑等)，在缺氧的条件下高温热解所产生的，生物炭很稳定，不易被微生物分解，且是一种多孔体，通气性和透水性较好，容重小，表面积大，吸水和吸气能力强，有利于保水保肥，增加农作物产量，因此，生物炭作为一种新的缓控释肥料的吸附材料被人们关注。生物炭与肥料复合制备炭基肥料主要有掺混、包膜和吸附等工艺。包膜与传统缓控释肥的作用原理一样，只是在包膜尿素中加入少量生物炭；掺混和吸附主要利用生物炭的比表面吸附作用使肥料缓慢释放，但生物炭的特性之一是其多孔体结构，表面吸附作用对氮肥起到缓释作用，但并没有利用到生物炭的多孔体结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种生物炭基缓释氮肥，该生物炭基缓释氮肥是在加热条件下熔化氮肥，并通过加压使熔融状态的氮肥进入生物炭多孔结构中而制备得到。
本发明所提供的生物炭基缓释氮肥由如下质量份数的组分组成：
生物炭 45份-55份
氮肥 45份-55份
本发明所提供的生物炭基缓释氮肥具体可由50份的生物炭和50份的氮肥组成。
上述生物炭基缓释氮肥中，所述生物炭是生物质经过400～700℃裂解所得到的固体产物，所述生物质选自如下至少一种：蔬菜废弃物、农作物秸秆和园林废弃物。
所述氮肥选自如下至少一种：尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵和硝酸钠等氮肥，优选为尿素。
所述生物炭基缓释氮肥由下述生物炭基缓释氮肥的制备方法而制备得到。
本发明的另一个目的在于提供一种生物炭基缓释氮肥的制备方法。
本发明所提供的生物炭基缓释氮肥的制备方法包括如下步骤：对生物炭和氮肥进行粉碎处理，并将粉碎处理后的生物炭和氮肥混合均匀，加热至氮肥熔化，并在加压下使所述熔化的氮肥进入生物炭的多孔结构中，混合均匀后造粒即可得到生物炭基缓释氮肥。
上述制备方法中，所述粉碎处理的粉碎粒径可为10目-20目。
所述生物炭和氮肥的质量比可为(9-11):(9-11)，具体为1:1。
所述生物炭是生物质经过400～700℃裂解所得到的固体产物，所述生物质选自如下至少一种：蔬菜废弃物、农作物秸秆和园林废弃物。
所述氮肥选自如下至少一种：尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵和硝酸钠等氮肥，优选为尿素，当为尿素时，所述加热的温度为120℃-125℃，具体可为120℃，其他所述氮肥的加热的温度可根据具体氮肥的熔点确定。
所述加压的压力为0.1Mpa-0.15Mpa，具体可为0.125Mpa。
所述加压的时间为10min-30min，具体可为10min。
所述加热和加压可通过如下设备进行：小试设备可以是实验室用的高温灭菌锅，中试设备可以是肥料生产设备专用的高温高压炉。
所述生物炭和氮肥经所述加热和加压处理后，紧接着，还包括对所述生物炭和氮肥再次粉碎的步骤，所述粉碎的目数为10目-20目。
所述造粒的粒径为3～5mm。
所述造粒之前还包括向所述生物炭和氮肥中加入占所述生物炭和氮肥总质量0.5％～1％的水的步骤。
与现有技术相比，本发明通过加热使氮肥熔化后在一定压力作用下进入生物炭的多孔结构中，实现氮肥的缓慢释放。
本发明具有如下优点：1)生物炭具有巨大的比表面积，施入土壤具有吸附固定肥料与养分的作用。与吸附制备相比，本发明的制备方法不但能利用生物炭表面吸附肥料，而且还能使肥料进入生物炭的多孔结构中，具有缓释效果好，缓释时间长的优点(见图1)；与包膜肥料相比，本发明只用生物炭作为缓释材料的载体，属于废弃物循环利用，避免了包膜材料的使用，克服了包膜材料不降解对土壤产生的污染，而且生物炭进入土壤还能改良土壤；2)生物炭基氮肥应用范围广，增产效果明显；本发明生物炭基氮肥可应用于大田作物、设施蔬菜、果树等施肥，目前在设施蔬菜应用上，对蔬菜具有良好的提质增效作用(见图2)。
附图说明
图1为实施例1中生物炭基缓释氮肥养分释放曲线。
图2为实施例2中施用生物炭基缓释氮肥后的芹菜产量。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1：生物炭基缓释氮肥的制备及其释放效率测试
一、生物炭基缓释氮肥的制备：
1)于市场上购买的农业秸秆与园林废弃物混合在400℃煅烧后所得生物炭(购于北京市大兴区魏善庄镇李家场村生物质气化工程公司，生物炭含氮量1.25％、速效钾1625mg·kg-1、速效磷238mg·kg-1、交换性钙2.36g·kg-1、交换性镁0.74g·kg-1、pH 10.84、CEC 13.0cmol·kg-1、EC(水炭比10:1)4325μs·cm-1)10kg，肥料厂购得的含氮量≥46％的尿素，将分别粉碎后的粉碎粒径为20目的生物炭和尿素等质量充分混合均匀，备用；
2)将步骤1)中混合均匀的生物炭与尿素用耐高温塑料袋装好，放入实验室用的高温灭菌锅中，设置高温灭菌锅温度为120℃，使尿素熔化，加压至压力为0.10Mpa，待温度和压力到达后，保持该温度和压力10分钟，达到时间后，冷却；
3)将步骤2)中冷却后的生物炭与尿素混合体再次粉碎，粉碎的粒径为20目，充分混匀；
4)向步骤3)中再次混匀的生物炭和尿素中用喷壶喷洒占所述生物炭和尿素总质量0.5％水分，混匀后，倒入对辊式挤压造粒机中，挤压造粒得到生物炭基缓释氮肥，过筛，粒径为3mm，把不成形或细小颗粒再次通过挤压造粒机，经过3～5次重复，所述生物炭与尿素混合体中90％以上挤压成粒，将颗粒风干，即得生物炭基缓释氮肥。
二、生物炭基缓释氮肥的释放效率测试：
通过凯氏定氮测的生生物炭基缓释氮肥含氮量为22.17％。
1)试验材料与方法：
准确称取上述实施例1中制备得到的生物炭基缓释氮肥2.5g，放入100目尼龙网纱做成的小袋中，另外称取足够量的风干土装入自封袋中，将装有肥料的尼龙网纱小袋放入土壤中，使土壤完全包裹住尼龙网纱小袋，加入一定量的蒸馏水，使其含水量达30％(相当于田间持水量100％)，分别在第1天、第3天、第5天，第7天、第10天、第14天、第28天、第42天、第56天、第84天和第100天取样，每次取3袋，取样后擦去尼龙网纱外面的土壤，取出尼龙网袋里的肥料研磨，并分别全部转移到溶液里，测定溶液试样中的尿素态氮。
2)结果与分析：
生物炭基缓释氮肥中氮素释放随着时间推移养分释放增逐渐增加(见图1)，培养24小时后养分释放率达到25％，第14天后养分释放率接近50％；20天后养分释放缓慢，在84天后养分释放达到83％，第100天氮素释放达到86％，可见生物炭基缓释氮肥肥效能维持到100天左右。
实施例2：生物炭基缓释氮肥的制备及其施肥效果测试
一、生物炭基缓释氮肥的制备：
1)于市场上购买的农业秸秆与园林废弃物混合在700℃煅烧后所得生物炭(购于北京市大兴区魏善庄镇李家场村生物质气化工程公司，生物炭含氮量1.25％、速效钾1625mg·kg-1、速效磷238mg·kg-1、交换性钙2.36g·kg-1、交换性镁0.74g·kg-1、pH 10.84、CEC 13.0cmol·kg-1、EC(水炭比10:1)4325μs·cm-1)10kg，肥料厂购得的含氮量≥46％的尿素，将分别粉碎后的粉碎粒径为20目的生物炭和尿素等质量充分混合均匀，备用；
2)将步骤1)中混合均匀的生物炭与尿素用耐高温塑料袋装好，放入实验室用的高温灭菌锅中，设置高温灭菌锅温度为125℃，使尿素熔化，加压至压力为0.15MPa，待温度和压力到达后，保持该温度和压力10分钟，达到时间后，冷却；
3)将步骤2)中冷却后的生物炭与尿素混合体再次粉碎，粉碎的粒径为20目，充分混匀；
4)向步骤3)中再次混匀的生物炭和尿素中用喷壶喷洒占所述生物炭和尿素总质量0.5％水分，混匀后，倒入对辊式挤压造粒机中，挤压造粒得到生物炭基缓释氮肥，过筛，粒径为5mm，把不成形或细小颗粒再次通过挤压造粒机，经过3～5次重复，所述生物炭与尿素混合体中90％以上挤压成粒，将颗粒风干，即得生物炭基缓释氮肥。
二、生物炭基缓释氮肥的施肥效果测试：
通过凯氏定氮测得生物炭基缓释氮肥含氮量为22.17％。
1)材料与方法：
试验于2013年4-6月在北京市大兴区长子营镇河津营村北京绿福蔬菜产销专业合作社进行，试验地为南北向春秋大棚，前茬为生菜，0～20cm土壤的基本理化性质为：硝态氮149.78mg·kg-1、速效钾144mg·kg-1、速效磷45.53mg·kg-1、pH5.7、有机质21.3g·kg-1。
试验设置4个氮肥处理，分别为：不施氮肥对照处理(CK)、普通尿素(购买于大兴区长子营镇首都农资青云店三村店，含氮量≥46％)(U)、包衣尿素(购买于顺义区南彩镇富特来复合肥料有限公司，含氮量≥42％)(SU)、本发明实施例2中制备得到的生物炭基缓释氮肥(YA)。除对照外，各肥料处理量为等氮量，氮肥施用量为300kg·hm-2，各处理磷、钾肥施用量一致，分别为磷(P2O5)75kg·hm-2、钾(K2O)150kg·hm-2，其中，磷肥全部作基肥一次性施入，氮、钾肥分基肥和两次追肥，基施与追施比例5:3:2，其中，两次氮肥追肥用普通尿素。每个处理设置3次重复，共12个小区，小区面积27m2(1.5m×18m)，每个小区随机区组。
2)结果与分析：
生物炭基缓释氮肥促进芹菜生长与产量增加，芹菜的产量见图2所示，与不施氮肥(CK)、普通尿素(U)、和包衣尿素(SU)相比，施用生物炭基缓释氮肥的芹菜产量分别增加25.5％、14.9％和7.7％。
Claims (10)
1.一种生物炭基缓释氮肥，由如下质量份数的组分组成：
生物炭 45份-55份
氮肥 45份-55份。
2.根据权利要求1所述的生物炭基缓释氮肥，其特征在于：所述生物炭是生物质经过400～700℃裂解所得到的固体产物；
所述生物质选自如下至少一种：蔬菜废弃物、农作物秸秆和园林废弃物；
所述氮肥选自如下至少一种：尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵和硝酸钠。
3.根据权利要求1或2所述的生物炭基缓释氮肥，其特征在于：所述生物炭基缓释氮肥由如下权利要求4-10中任一项所述的制备方法而制备得到。
4.权利要求1-3中任一项所述的生物炭基缓释氮肥的制备方法，包括如下步骤：对生物炭和氮肥进行粉碎处理，并将粉碎处理后的生物炭和氮肥混合均匀，加热至氮肥熔化，并在加压下使所述熔化的氮肥进入生物炭的多孔结构中，混合均匀造粒即可得到生物炭基缓释氮肥。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述粉碎处理后的生物炭粒径为10目-20目。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于：所述生物炭和氮肥的质量比为(9-11):(9-11)；
所述生物炭是生物质经过400～700℃裂解所得到的固体产物，所述生物质选自如下至少一种：蔬菜废弃物、农作物秸秆和园林废弃物；
所述氮肥选自如下至少一种：尿素、硝酸铵、碳酸氢铵、硫酸铵、氯化铵和硝酸钠。
7.根据权利要求4-6中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述加压的压力为0.1Mpa-0.15Mpa；
所述加压的时间为10min-30min。
8.根据权利要求4-7中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述生物炭和氮肥经所述加热和加压处理后，还包括对所述生物炭和氮肥再次粉碎的步骤；
所述粉碎的目数为10目-20目。
9.根据权利要求4-8中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述造粒的粒径为3～5mm。
10.根据权利要求4-9中任一项所述的制备方法，其特征在于：所述造粒之前还包括向所述生物炭和氮肥中加入占所述生物炭和氮肥总质量0.5％～1％的水的步骤。
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