钙基膨润土对磷酸二氢铵的挟带特性研究

2011-07-25吴林超毕亚凡何宝儒

化学与生物工程 2011年4期

关键词：晶核原矿矿浆

吴林超，毕亚凡，何宝儒

(武汉工程大学环境与城市建设学院，湖北武汉 430073)

磷酸二氢铵作为中国磷肥的主要品种，无论是北方石灰性土壤还是南方酸性土壤，当季利用率均不足20%，不仅造成了资源的巨大浪费[1]，而且对地表水环境构成威胁。

目前，利用高分子聚合物的包裹作用来阻滞肥料中养分释放的研究已开展得较多，并得到了较广泛的应用[2]。国内学者对于膨润土类矿物用作尿素缓/控释肥料的载体原料已有初步的研究[3，4]。但尚未见文献报道膨润土用作氮磷复合肥缓释载体的研究。

作者在此采用低品位钙基膨润土与磷酸二氢铵在一定条件下交换结晶，探讨了磷酸二氢铵挟带于钙基膨润土的多层结构中的特性，为膨润土作为磷酸二氢铵的缓释载体提供了理论依据。

1 实验

1.1 原料

膨润土原矿由湖北某矿业公司提供，其阳离子交换容量(CEC)为69.02 mmol·(100 g)-1、膨胀容(Vs)为9 mL·g-1。原矿的多元素分析结果见表1，X-射线衍射图谱见图1，图谱分析见表2。

表1 原矿多元素分析

图1 原矿X-射线衍射图谱

表2 原矿X-衍射图谱分析

由表2可知，膨润土原矿中蒙脱石含量为51.70%，含有方石英、石英、长石等杂质矿物，属低品位膨润土；膨润土的d001值为1.56 nm，为典型低品位钙基膨润土。

1.2 试剂与仪器

过硫酸钾(上海市化学试剂三厂)、氢氧化钠、盐酸(优级纯)、硝酸钾(优级纯)，实验用水均为无氨水。

LDZX-40KB型立式压力蒸气灭菌器；WFZ800-D3B型紫外分光光度计。

1.3 方法

以钙基膨润土为研究对象，在一定条件下将除杂后的浆状膨润土与磷酸二氢铵进行处理，并分别测定离心后和洗涤后的上清液总氮含量，计算进入到膨润土层间挟带的磷酸二氢铵质量。

称取10.0 g磷酸二氢铵于50.0 g膨润土中，加入250 mL纯水，在60℃水浴中于一定转速下搅拌30 min，再在冷水浴中低速搅拌1 h，同时加入微量的表面活性剂以防止晶核的团聚。混合液经离心后测定上清液总氮含量，然后在滤饼中加入100 mL纯水充分搅拌5 min，离心后测定上清液总氮含量，依下式计算进入到膨润土层间挟带的磷酸二氢铵质量。

M=10.0-0.00205c1-0.0008c2

式中：M为50.0 g膨润土挟带的磷酸二氢铵质量，g；c1为一次洗出液浓度，mg·L-1；c2为滤饼洗出液浓度，mg·L-1。

固定其它条件，探讨矿浆质量浓度、搅拌时间、搅拌速度、过饱和度等因素对膨润土挟带磷酸二氢铵效果的影响，通过计算膨润土层间结晶挟带的磷酸二氢铵质量，得到合适的参数；并在单因素实验的基础上，进行L16(44)正交实验，得到最优的工艺参数。

1.4 分析测试

2 结果与讨论

2.1 矿浆质量浓度对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

将膨润土原矿分别配制成质量浓度为5%、10%、15%、20%、25%的悬浮液，调节矿浆pH值，在搅拌时间为80 min、搅拌速度为900 r·min-1、过饱和度为0.5的条件下，考察矿浆质量浓度对挟带效果的影响，结果见图2。

图2 矿浆质量浓度对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

2.2 搅拌速度对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

搅拌速度对磷酸二氢铵插入膨润土层间的结晶挟带量有很大的影响，原因在于搅拌速度不同时其提供的能量也不同。在矿浆质量浓度为15%、搅拌时间为80 min、过饱和度为0.5的条件下，考察搅拌速度对挟带效果的影响，结果见图3。

图3 搅拌速度对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

由图3可知，一次洗出液中磷酸二氢铵质量在900 r·min-1以前随着搅拌速度的加快变化不大，但900 r·min-1后随搅拌速度的加快而迅速增加。这表明，随着搅拌速度的加快，溶解于水溶液中的磷酸二氢铵质量也呈增加的趋势。通过洗涤滤饼发现，滤饼中磷酸二氢铵的质量随搅拌速度的加快呈下降趋势。磷酸二氢铵层间挟带量在搅拌速度为900 r·min-1时最大，达到2.31 g。

2.3 搅拌时间对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

在矿浆质量浓度为15%、搅拌速度为900 r·min-1、过饱和度为0.5的条件下，考察搅拌时间对挟带效果的影响，结果见图4。

图4 搅拌时间对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

由图4可知，一次洗出液中磷酸二氢铵质量随搅拌时间的延长总体上呈一定的下降趋势，但幅度不是很明显。当搅拌时间超过60 min后，进入到膨润土层间挟带的磷酸二氢铵质量相差不大，约为1.9 g左右。

2.4 过饱和度对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

在矿浆质量浓度为15%、搅拌时间为80 min、搅拌速度为900 r·min-1的条件下，考察过饱和度对挟带效果的影响，结果见图5。

图5 过饱和度对磷酸二氢铵层间挟带量的影响

过饱和度对形成的晶核数量有较大的影响，过饱和度较高时，几秒钟内即可形成大量的晶核，从而导致团聚现象，形成大颗粒沉淀析出，不能顺利地进入到膨润土层间；而过饱和度较低时，顺利进入到膨润土层间结晶的磷酸二氢铵含量偏低。本实验在搅拌矿浆由60℃进入到冷水浴中时形成了大量的磷酸二氢铵晶核，为有效阻止晶核之间的团聚，需调节矿浆的过饱和度。由图5可以看出，当过饱和度为0.5时，进入到膨润土层间结晶挟带的磷酸二氢铵质量最大，达1.82 g。

2.5 正交实验结果与分析(表3)

表3 L16(44)正交实验结果与分析

由表3可知，各因素对磷酸二氢铵层间挟带量的影响大小依次为A>C>D>B，即对磷酸二氢铵在膨润土层间挟带量影响最大的是矿浆质量浓度，其次为搅拌速度、过饱和度和搅拌时间。膨润土挟带磷酸二氢铵的最佳工艺参数是A3B4C4D3，即矿浆质量浓度为15%、搅拌时间为80 min、搅拌速度为1100 r·min-1、过饱和度为0.5。在此条件下，50.0 g钙基膨润土挟带的磷酸二氢铵达2.31 g。