膨润土载体缓释肥料的制备工艺优化

黄程程，李旺旺，谢慧星，毕亚凡

(武汉工程大学环境与城市建设学院,湖北 武汉 430074)

改革开放以来，我国农业得到了快速发展。粮食产量大幅增长，同时，化学肥料的大量使用也带来了诸多严重的问题，如低利用率造成资源浪费、环境污染、种植成本增加、农产品品质下降、粮食安全问题等。自20世纪70年代以来，缓/控释肥(SRFS/CRFS)的研制和应用为解决上述问题提供了崭新的思路[1～4]。缓/控释肥能有效地控制养分的释放，延长肥效期，满足作物整个生育期对肥料养分的需要，可最大限度地提高肥料的利用率，减少资源浪费和环境污染，对促进粮食增产、农民增收、农业可持续发展有着重要作用，是21世纪肥料产业的重要发展方向[5～10]。

因此，加强缓/控释肥控释机理与技术的研究，开发符合国际上“缓效化、流体化、复合化、专用化、高效化”发展趋势的新型缓/控释肥料[11～14]，意义重大。作者在此以天然廉价的多孔矿物膨润土作为载体制备缓释肥料，并对制备工艺进行了优化。

1 实验

1.1 膨润土性能参数

以钙基原矿土、钙基提纯土和钠基膨润土作为肥料制备的载体。按照国标检测方法，对实验用膨润土进行吸蓝量、膨胀容、胶质价、阳离子交换容量检测，结果见表1。

1.2 试剂与仪器

甲醛、磷酸二氢铵、无水乙醇，国药集团化学试剂有限公司；脲醛树脂粉、东莞荣达粘合制品厂；碳酸镁，河北隆尧一诺化工有限责任公司；酚酞、氢氧化钠、甲基红、邻苯二甲酸氢钾，天津博迪化工有限公司。所用试剂均为分析纯。

表1 实验用膨润土基本性能参数

HI8424型电子天平，北京哈纳科仪科技有限公司；FW135型中草药粉碎机，天津泰斯特食品有限公司；TDP-1.5型电动压片机，长沙中南制药机械厂；HPX-150BS型离心机，上海新苗医疗器械有限公司；101-3-BS型电热恒温鼓风干燥箱，上海跃进医疗器械厂。

1.3 方法

1.3.1 膨润土的提纯

实验用膨润土的蒙脱石含量在30%～80%之间，对其采用湿法提纯，工艺流程如图1所示。

1.3.2 膨润土载体缓释肥的制备

膨润土载体缓释肥制备工艺流程如图2所示。

图1 膨润土提纯工艺流程图

图2 膨润土载体缓释肥制备工艺流程图

将提纯的膨润土与磷酸二氢铵、碳酸镁按一定比例粉碎混匀，向混合物中添加适量的糊状脲醛树脂胶粘剂，再次倒入粉碎机中混匀，室温晾干到一定含水量时用电动压片机压片，于湿度80%条件下自然吸湿12 h，即得缓释肥样品。

1.4 缓释肥性能评价

采用水中溶出率法评价缓释肥的缓释性能。称取2粒(约5 g)制备的膨润土载体缓释肥于自制的300目滤布袋内，置于250 mL磨口锥形瓶中，加入100 mL蒸馏水，25 ℃恒温培养箱中培养。分别在培养的第1 d 、2 d 、3 d 、4 d 、5 d 、6 d 、7 d 、15 d提取浸提液，提取后往锥形瓶中补加等体积的蒸馏水，继续培养、浸提。浸提液经中速定量滤纸过滤后，测定滤液中总氮的含量，绘制养分累计溶出率与水浸时间的关系曲线。每组实验重复2次进行平行测定。

1.5 浸出液中氮的测定

若试样中含有游离酸，加甲醛之前应先以甲基红为指示剂，用NaOH溶液预中和至甲基红变为黄色，再加入甲醛，以酚酞为指示剂，用NaOH标准溶液滴定浸提液，根据所消耗NaOH标准溶液的体积计算浸提液中氮的含量。

2 结果与讨论

2.1 膨润土类型对肥料缓释效果的影响

分别以钙基原矿土、钙基提纯土和钠基膨润土作为肥料制备的载体，在土肥比(膨润土与磷酸二氢铵的质量比，下同)为8∶2、碳酸镁用量(以土肥总量计，下同)为9%、脲醛树脂用量(以土肥总量计，下同)为20%的条件下制备缓释肥料，在静水环境中进行溶出和淋溶实验，考察不同种类的膨润土对肥料缓释放性能的影响。静水环境中氮素累计释放率见表2。

表2 不同类型膨润土缓释肥25 ℃静水培养中养分累积释放率/%

从表2可以看出，在静水溶出淋溶环境中，缓释效果较好的为钠基膨润土和钙基提纯土，钙基原矿土较差。这主要是因为，钙基原矿土中含有较多的砂粒以及其它的杂质，导致膨润土的品质下降，不利于磷酸二氢铵中的含氮单元进入膨润土的层间结构形成肥料的缓释成分，经过提纯后，原矿土的品质得到了较大程度的提高；钠基膨润土品位较钙基提纯土要高，具有结构分散性能好、离子吸附性能强的优势，因而具有更好的缓释效果。因此，选择钠基膨润土进行后续实验。

2.2 土肥比对肥料缓释效果的影响

以钠基膨润土为载体、脲醛树脂用量为20%、碳酸镁用量为9%，按土肥比为8∶2、7∶3、6∶4、5∶5分别制备缓释肥，在静水环境中进行溶出和淋溶实验，考察土肥比对肥料缓释性能的影响。静水环境中氮素累计释放率见表3。

从表3可以看出，缓释肥氮素累积释放率随着土肥比的减小而呈逐渐增大的趋势，即混入的磷酸二氢铵越多，在相同的培养条件下，其溶出的氮也越多。说明当缓释肥中磷酸二氢铵含量增大到一定量时，过量的磷酸二氢铵不能有效吸附在膨润土载体上，易被水溶出。因此在制备缓释肥时，应选择合适的土肥比，使其既能满足作物生长对氮的需求量，又能充分发挥膨润土对氮肥的缓释作用。本实验条件下，选择适宜的土肥比为8∶2。

表3 不同土肥比缓释肥25 ℃静水培养中养分累积释放率/%

2.3 脲醛树脂用量对肥料缓释效果的影响

以钠基膨润土为载体，土肥比为8∶2、碳酸镁用量为9%，按脲醛树脂用量为5%、10%、15%、20%、25%分别制备缓释肥，在静水环境中进行溶出和淋溶实验，考察脲醛树脂用量对肥料缓释性能的影响。静水环境中氮素累计释放率见表4。

表4 不同脲醛树脂用量缓释肥25 ℃静水培养中养分累积释放率/%

从表4可以看出，缓释肥氮素累积释放率随着脲醛树脂用量的增大而呈减小的趋势，即脲醛树脂用量越大肥料的缓释性能越好，养分的有效利用率越高，但当树脂用量增加到20%后，差异并不显著。综合考虑技术、经济性，选择适宜的脲醛树脂用量为20%。

2.4 碳酸镁用量对肥料缓释效果的影响

以钠基膨润土为载体，土肥比为8∶2、脲醛树脂用量为20%，按碳酸镁用量为6%、7%、8%、9%、10%分别制备缓释肥，在静水环境中进行溶出和淋溶实验，考察碳酸镁用量对肥料缓释性能的影响。静水环境中氮素累计释放率见表5。

表5 不同碳酸镁用量缓释肥25 ℃静水培养中养分累积释放率/%

从表5可以看出，随着碳酸镁用量的增大，缓释性能逐渐变好；碳酸镁用量为9%时，缓释效果最好。这可能是因为，缓释体的形成需要复杂的条件，加入碳酸镁过少时，不能形成足够多的有效缓释体，缓释效果不佳；而加入碳酸镁过多后，反应又产生了过多副产物，也导致没有足够多的有效缓释体，缓释效果不佳。后期低释放速率证实加入碳酸镁后，缓释体的形成能起到一定的缓释作用。因此，选择适宜的碳酸镁用量为9%。

3 结论

以天然廉价的多孔矿物膨润土作为磷酸二氢铵的载体，再加入脲醛树脂胶粘剂制备膨润土载体缓释肥。

(1)膨润土类型对缓释肥的缓释性能有一定的影响，钠基膨润土较钙基原矿土和钙基提纯土具有更好的缓释效果。

(2)随着土肥比的减小，缓释肥的氮素累积释放率呈增大的趋势，即膨润土占的比例越大，缓释肥的缓释性能越好，养分的有效利用率就越高。

(3)脲醛树脂用量对缓释肥的缓释性能影响较大，氮素累积释放率随着树脂用量的增加而减小，但当树脂用量超过20%后差异不大。

(4)随着碳酸镁用量的增大，缓释效果逐渐变好；而碳酸镁用量过多(超过9%)后反应产生过多副产物，导致没有足够多的有效缓释体，缓释效果不佳。

(5)在以钠基膨润土为载体、土肥比为8∶2、脲醛树脂用量为20%、碳酸镁用量为9%的条件下，所制得的膨润土载体缓释肥料的缓释效果最好。

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