复合肥防结块性能快速测试方法探讨

董 旭，董茂忠，董 茜，张新宇，侯文静，高雪梅，刘 英，张金娥*

(1.山东师范大学 化学化工与材料科学学院，山东 济南 250014；2.山东师范大学 后勤管理处，山东 济南 250014；3.上海化工研究院 检测中心，上海 200062；4.山东城市建设职业学院 环境工程系，山东 济南 250103)

复合肥是指在氮、磷、钾三种元素中，其中任意两种或三种养分，由物理混合或化学反应方法加工而成的肥料[1]。因其养分含量高、成分复杂等因素，常导致原料肥不易配伍，致使在储存和使用过程中，出现结块和养分释放不合理等现象。不仅给农业用肥带来不便，而且成为影响我国化肥质量的主要因素之一[2-3]。

加入防结块剂的种类和配方不同，会直接影响肥料的防结块性能。如何评价肥料防结块性能优劣，显得尤为重要[4]。虽然有不少传统的防结块剂性能测试方法，但耗时长，过程复杂，受环境温度、湿度变化影响较大，而且难以科学评价肥料的防结块性能[5]。

肥料结块现象常伴随着复杂的物理和化学过程，影响肥料结块的内部和外部，通常有水分、温度、存储压力和时间、颗粒的形状和粒度及杂质含量等[6]。本实验以温度、湿度以及存储时间为变量，探究温度和湿度对化肥吸湿性和结块性能的影响，给出温度和湿度随时间变化与复合肥的吸湿率、结块率之间的关系，从而探讨出一种强化温度和湿度快速测试复合肥防结块性能的方法。为化肥加入防结块剂后的防结块性能评价，提供一种科学快速的实验方法。

1 实验部分

1.1 主要仪器及样品

仪器：真空干燥箱(DZF-6050)，上海博迅实业有限公司；鼓风干燥箱(GZX-9246MBE)，上海博迅实业有限公司；电子分析天平(PL203)，梅特勒·托利多仪器(上海)有限公司；电子计价秤(ACS-6)武义志瑜电器有限公司；恒温恒湿培养箱(LRHS-250F)，上海龙跃仪器设备有限公司。

样品：采自某企业工业级高塔尿基复合肥 (30-5-5) 。

1.2 实验原理

研究温度和湿度对复合肥结块率的影响时均以存放时间为变量，采用在恒温恒湿培养箱中加温加湿的方法来加速实验，采用在复合肥上加砝码的方式模拟现实生活中的化肥堆包实验。设计一个正交实验，温度选取30、35、40、45℃四个温度点，湿度选取70%、80%、90%三个湿度点，一共做12组实验，同时为了减小实验的偶然误差，每组做两个平行实验。将所得结果数据列表并画图分析，进而选取合适的测试复合肥防结块性能的湿度和温度。

1.3 实验步骤

用电子计价秤称取约200 g样品于500 mL烧杯中，放入鼓风干燥箱(设置温度为50℃)中，干燥1 h。取10个培养皿，编号，称取每个空白培养皿的质量，并记录。将干燥好的每份样品，精密称取约20 g，分别放入培养皿中，盖上铁丝网，放入恒温恒湿培养箱中并压上100 g砝码，记录时间，取样1次/h，连续测5个时间点。取出培养皿后，取下铁丝网称取化肥和培养皿质量，计算吸湿率。然后，将之放入真空干燥箱，保持0.03 MPa真空度干燥。取出培养皿，在离培养皿高度约5 cm处使其自由落下，用标准检验筛筛分化肥颗粒和结块，测其结块率。

2 结果与讨论

按以上步骤进行正交实验，记录数据，根据下列公式计算吸湿率和结块率。

2.1 温度对吸湿率和结块率的影响

为了考察外界温度对复合肥的吸湿率和结块率的影响，在相对湿度为70%时，分别选用了30、35、40、45℃共4个温度点，测其吸湿率和结块率的影响，数据见表 1、吸湿率曲线见图 1、结块率曲线图 2。在相对湿度为80%时，温度对吸湿率和结块率的影响，数据和曲线分别见表 2和图 3、图 4。相对湿度为90%时，温度对吸湿率和结块率的影响，分别见表 3和图 5、图 6。

表 1 相对湿度为70%时温度对吸湿率和结块率的影响

图1 相对湿度为70%时温度对吸湿率的影响

Fig.1 Effect of temperature on moisture rate with 70% relative humidity

图2 相对湿度为70%时温度对结块率的影响

Fig.2 Effect of temperature on blocking rate with 70% relative humidity

由图 1、图 2可以看出，在70%相对湿度下，复合肥的吸湿率和结块率均随时间延长而升高。温度为30℃和35℃时吸湿率和结块率都相对较低，便于复合肥的生产和存放。在存放约4 h，复合肥的吸湿率和结块率变化不明显，在45℃时的吸湿率约为35℃时的1.6倍，结块率约为1.3倍。

表2 相对湿度为80%时温度对吸湿率和结块率的影响

图3 相对湿度为80%时温度对吸湿率的影响

Fig.3 Effect of temperature on moisture rate with 80% relative humidity

图4 相对湿度为80%时温度对结块率的影响

Fig.4 Effect of temperature on blocking rate with 80% relative humidity

由图 3、图 4可以看出，在80%相对湿度下，温度为30℃时吸湿率和结块率都较低，吸湿率约为3%，结块率约为在50%。在存放4 h，复合肥的吸湿率和结块率均变化不明显，45℃的吸湿率约为30℃的3倍，结块率约为2倍。

表3 相对湿度为90%时温度对吸湿率和结块率的影响

图5 相对湿度为90%时温度对吸湿率的影响

Fig. 5 Effect of temperature on moisture rate with 90% relative humidity

图6 相对湿度为90%时温度对结块率的影响

Fig.6 Effect of temperature on blocking rate with 90% relative humidity

由图 5、图 6可以看出，在90%相对湿度下，复合肥的吸湿率和结块率随温度升高而升高，在4.5 h，45℃时的吸湿率约为30℃的2倍。在45℃时，存放3 h结块率即达到100%。显然，高温高湿不利于复合肥的储存。在90%相对湿度条件下，同样存放4 h后，化肥的吸湿率和结块率变化不明显。

综合结块率曲线，由图 2、图 4、图 6可以看出在相对湿度为70%时，在35℃恒温恒湿培养箱中存放4 h后，结块率从46.1%上升到70.4%；在相对湿度为80%时，在35℃恒温恒湿培养箱中存放4 h后，结块率从40.3%上升到100%；在相对湿度为90%时，在35℃恒温恒湿培养箱中存放4 h后，结块率从53.4%上升到100%。由此可见，在35℃条件下，复合肥的结块现象比较明显，而且考虑到复合肥的实际存储和使用条件，夏季温度最高在35℃左右，所以在以后的复合肥防结块性能快速测试试验中，主要考察在35℃温度下复合肥的吸湿率和结块率。

2.2 湿度对吸湿率和结块率的影响

尿基复合肥是一种水溶性复合肥，尿基复合肥的吸湿存在最大相对湿度，当空气湿度等于尿基复合肥的最大相对湿度时，称为临界相对湿度。当空气湿度达到复合肥的临界相对湿度时，复合肥开始吸水，吸附的水会形成溶液，直至达到饱和。本实验设计的外界相对湿度为70%、80%、90%。温度为30℃时，相对湿度对吸湿率和结块率的影响见表4，此时相对湿度对吸湿率和结块率的影响曲线见图 7、图 8。温度为35℃时，相对湿度对吸湿率和结块率的影响见表 5，此时相对湿度对吸湿率和结块率的影响曲线见图 9、图 10。温度为40℃时，相对湿度对吸湿率和结块率的影响见表 6，此时相对湿度对吸湿率和结块率的影响曲线见图 11、图 12。温度为45℃时，相对湿度对吸湿率和结块率的影响见表 7，此时相对湿度对吸湿率和结块率的影响曲线见图 13、图 14。

表 4 温度为30℃时相对湿度对吸湿率和结块率的影响

由图 7、图 8可以看出在温度为30℃时，复合肥的吸湿率和结块率随湿度变化情况较复杂，规律不明显。总体来看，相对湿度为80%时吸湿率和结块率都相对较低。

图7 温度为30℃时湿度对吸湿率的影响

图8 温度为30℃时湿度对结块率的影响

表5 温度为35℃时相对湿度对吸湿率和结块率的影响

图9 温度为35℃时湿度对吸湿率的影响

Fig.9 Effect of humidity on moisture rate at 35℃

图10 温度为35℃时湿度对结块率的影响

Fig.10 Effect of humidity on blocking rate at 35℃

由图 9、图 10可以看出，在温度为35℃时，虽然复合肥的吸湿率和结块率随湿度变化情况较复杂，规律不明显。但在相对湿度为80%时，存放4 h后，复合肥的吸湿率从1.2%升高到8%，结块率从40.3%升高到100%。可见在温度为35℃，相对湿度为80%时，复合肥的吸湿率和结块率随着存放时间的变化，变化明显。

表 6 温度为40℃时相对湿度对吸湿率和结块率的影响

图11 温度为40℃时湿度对吸湿率的影响

Fig.11 Effect of humidity on moisture rate at 40℃

图12 温度为40℃时湿度对结块率的影响

Fig.12 Effect of humidity on blocking rate at 40℃

由图 11、图 12可以看出，在温度为40℃时，复合肥的吸湿率和结块率随相对湿度的增大而增大。其中在相对湿度为80%时，存放4 h后，复合肥的吸湿率从2.7%升高到7.4%，结块率从61.5%升高到100%，可见在温度为40℃，相对湿度为80%时，复合肥的吸湿率和结块率随着存放时间的变化比较明显。

表 7 温度为45℃时相对湿度对吸湿率和结块率的影响

图13 温度为45℃时湿度对吸湿率的影响

Fig.13 Effect of humidity on moisture rate at 45℃

图14 温度为45℃时湿度对结块率的影响

Fig.14 Effect of humidity on blocking rate at 45℃

由图 13、图 14可以看出，在温度为45℃时，复合肥的吸湿率和结块率随相对湿度的增大而增大。其中在相对湿度为80%时，存放4 h后，复合肥的吸湿率从2.7%升高到8.8%，结块率从68.9%升高到100%。

在讨论温度的影响时，我们已经得出35℃是尿基复合肥的一个快速测试的温度。同时在图 9、图 10可以得出，在温度为35℃，相对湿度为80%时，复合肥的吸湿率和结块率随时间变化比较明显，所以得出结论：在复合肥防结块性能快速测试试验中选用的合适温度为35℃，相对湿度为80%。

2.3 存储时间对吸湿率和结块率的影响

复合肥在生产出来后，由于季节交换、昼夜温差以及天气变化，温度、湿度也随之变化，随着存储时间的延长，化肥颗粒表面就会重复地出现溶解、结晶、再溶解、再结晶的现象，从而造成化肥的结块。

在以上的温度和湿度对吸湿率和结块率的影响的讨论中，可以看出吸湿率和结块率均随着存储时间的延长而增加。但是在存放4 h后，吸湿率和结块率达到稳定，随时间延长变化不再明显，因此选择存放时间为4 h比较合理。

3 结论

本实验以尿基复合肥为代表，其目的是探索复合肥防结块性能的一种快速测试方法。采用不同的温度、湿度进行正交实

验，通过分析实验数据，结合图表，得出结论，在复合肥防结块性能快速测试中，温度为35℃，相对湿度为80%、存储时间为4 h为最佳选择。

4 展望

通过本实验，成功探索了尿基复合肥防结块性能的一种快速测试方法。此法为尿基复合肥的防结块性能快速测试，提供了一种科学、可靠的依据。

由于复合肥成分复杂，结块机理也较为复杂，每种复合肥的防结块性能测试方法不可能千篇一律，充分探究每种复合肥的结块规律，进行归纳总结，探究出每种类型的复合肥的防结块性能快速测试方法十分必要，这对提高市面上复合肥的质量以及对于防结块剂生产厂家，快速测试其助剂的防结块性能具有非常重要的现实意义，同时，对于化肥的生产、运输、存储、贸易等都很有价值。