CN101367689A

CN101367689A - 控制氮肥流失的环境友好复合材料及制备方法、使用方法

Info

Publication number: CN101367689A
Application number: CNA2007100260653A
Authority: CN
Inventors: 乔菊; 蔡冬清; 卞坡; 姜疆; 余增亮; 吴跃进
Original assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Current assignee: Institute of Plasma Physics of CAS
Priority date: 2007-08-17
Filing date: 2007-08-17
Publication date: 2009-02-18

Abstract

本发明公开了一种控制氮肥流失的环境友好复合材料，其原料组分为活性矿物土和高分子材料、磷酸一铵，所述的活性矿物土是指凹凸棒土、海泡石、粉煤灰或与之类似的廉价活性材料或者其任意混合物，所述的高分子材料指：壳聚糖、聚丙烯酰胺、植物淀粉及来源于自然、可降解的对环境友好且具有絮凝、吸附作用的材料或者其任意混合物，复合材料对氮素固定化期与作物生长需肥相一致，氮素充分被农作物吸收，减少了化肥施用量，进一步降低了氮素的流失或挥发的风险。该方法使用的所有材料环境友好，不会引起环境污染或健康问题，包括对野生动物、有益昆虫或植物造成损害。

Description

控制氮肥流失的环境友好复合材料及制备方法、使用方法

技术领域

本发明涉及一种环境友好复配材料及生产技术，减少来源于化肥的温室气体排放和水体富营养化面源污染。

背景技术

2002年，***环境规划署发表《全球环境展望》报告，将大气和水污染恶化列为八大环境问题之首。大气污染最重要的诱因是温室气体排放，水污染主要是氮、磷等进入水体致使水体富营养化。一项研究表明，由于化肥的大量使用和使用不当，我国每年有123.5万吨氮通过地表水泾流到江河湖泊，49.4万吨进入地下水，299万吨进入大气。氮经径流、淋洗等途径进入水体，导致江河湖海富营养化，挥发物以N₂O形式进入大气，导致温室气体增加。可见，氮肥的大量使用形成了“从地下到空中”的立体污染，造成的损失是触目惊心的。

我国湖泊众多，分布广泛，是陆地生态***的重要组成部分。但是，由于人为和自然原因，排入江河湖海的氮、磷等营养物质不断增加，富营养化的进程大大加快。根据全国水环境监测网2000年的水质监测资料和国家《地面水环境质量标准》(GB3838-88)，对全国九大流域片的700多条河流的水质进行了评价。在评价的11.4万km河长中，I类水占4.9％，II类水占24.0％，III类水占29.8％，IV类水占16.1％，V类水占8.1％，劣V类水占17.1％。枯、丰水期水质变化不大。另外，我国已有约20万km²的近海海域受到污染影响，约4万km²的海域水质已不能满足水产养殖、海水浴场、海上运动娱乐以及滨海旅游的要求。据统计，2003年我国近海共发生119次赤潮，面积累计超过1万km²；2004年我国遭受赤潮灾害97次，累计面积达23400km²。

水体中的氮磷来源很多，其中有外源性负荷和内源性负荷。外源性的氮磷有面源污染和点源污染。面源污染主要来源于农业，约占70％，点源污染主要来源于生活污水和工业废水，内源性负荷有沉积物中氮和磷的释放、水生动植物新陈代谢分解等。据Isermann(1990)估计，在西欧，农业土壤中占37％～82％的氮和27～38％的磷释放到地表水。对Danish的270条小河的营养监测表明，其中94％的氮和52％的磷，主要来自农业活动的非点源污染。在我国，最近20～30年间，每年流失到农田之外的氮、磷超过1000多万吨，直接经济损失约300亿元。

温室气体是导致全球变暖的罪魁祸首，不仅对环境、农业造成灾难性影响，而且也成为人类健康造成了直接杀手。科学家甚至预测，未来温室气体造成的空气污染所导致的死亡人数，将超过死于交通事故的人数。按照《京都议定书》规定，二氧化碳(CO₂)、甲烷(CH₄)和氧化亚氮(N₂O)排在6大减排温室气体的前三位，其中N₂O主要来源于氮肥分解挥发。

可见，减少氮肥用量，控制氮的流失和挥发，成为温室气体减排和降低水体富营养化的首要问题，是我国社会可持续发展的必由之路。然而，我国人口众多，粮食等农产品消耗巨大。“庄稼一枝花，全靠肥当家”。我国耕地肥力下降已经是不争的事实，单位面积化肥施用量超过世界平均水平的一倍。如何解决这个矛盾，在保证粮食稳产高产的同时，控制氮的损失，提高氮的利用率，减少氮肥用量，进而达到N₂O减排和降低水体总氮含量，是本发明要解决的关键问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制氮肥流失的环境友好复合材料及制备方法、使用方法，在保证粮食稳产高产的同时，减少氮肥用量，提高氮的利用率，降低氮损失的风险，达到遏制大气和水污染的目的。

本发明的技术方案如下：

一种控制氮肥流失的环境友好复合材料，其特征在于其原料组分为活性矿物土和高分子材料、磷酸一铵，所述的活性矿物土是指凹凸棒土、海泡石、粉煤灰或与之类似的廉价活性材料或者其任意混合物，所述的高分子材料指：壳聚糖、聚丙烯酰胺、植物淀粉及来源于自然、可降解的对环境友好且具有絮凝、吸附作用的材料或者其任意混合物，所述的活性矿物土、高分子材料、磷酸一铵的重量比为100-300：1-20：5-20。

所述的活性矿物土、高分子材料、磷酸一铵的重量比为100-150：1-5：5-10。

所述的控制氮肥流失的环境友好复合材料的制备方法，其特征在于是将活性矿物土和高分子材料、磷酸一铵复配、造粒、包装。

所述的控制氮肥流失的环境友好复合材料的使用方法，其特征在于是将活性矿物土和高分子材料、磷酸一铵造粒或者直接和氮肥混匀使用，可以作为基肥和追肥使用，使用范围为水田、旱地及无土栽培。

本发明的主要内容是利用活性矿物土(凹凸棒土)、高分子材料(聚丙烯酰胺)和磷酸一铵，与氮肥复配，将氮素固定在植物根际附近。所谓‘固定’就是利用上述材料的协同作用，胶联、卷扫、网捕及电荷吸附使潮湿的土壤形成分子网格吸附和固定氨态氮离子、硝酸根离子及尿素分子，阻止其流失或挥发而被农作物有序吸收，减少对水体和大气的污染。

本发明所用的活性矿物土凹凸棒土，它是一种具有层链状结构的含水富镁铝的硅酸盐矿物，常与蒙脱土、石英、白云石等矿物混杂共生，目前我国发现的具有工业价值的凹凸棒土主要位于苏皖交界的三角地带，如江苏的盱眙、六合，安徽的明光、全椒等地，在我国是一种非常重要的非金属矿资源.其主要成分的分子式为Mg₅(H₂O)₄(Si₄O₁₀)₂(OH)₂。

凹凸棒土的基本结构单位为两层硅氧四面体与一层镁(铝)氧八面体构成，其中含有结晶水和处于结构内部的羟基，各基本结构单位通过四角的公共氧原子相互联结，构成与链平行的孔道，孔道的截面积约为0.37nm×0.60nm，具有层链状结构的过渡型特征，有较高的形状比。凹凸棒土的显微结构由三个层次构成，一是其基本结构单元—棒晶。棒晶呈针状，长约1μm～2μm，直径为0.01μm，属一维纳米材料。二是由棒晶紧密平行聚集而成的棒晶束。三是由晶束间相互聚集而成的各种聚集体。

其来源广、价格低廉，并具有良好的物化性质：

(1).它在潮湿的土壤中会形成网络结构，将高分子聚合物壳聚糖和水分子固定在一个个网格中，在阻止壳聚糖流失的同时，可以有效地减少水分散失，有利于节水农业。

(2).良好的触变性，例如下雨或灌溉不会影响其分布和作用，这样可以一定程度上缓解大雨或不良灌溉造成的肥料流失。

凹凸棒土取之于土壤，使用并不会造成二次污染，或破坏土壤的微结构。

聚丙烯酰胺是一种线性水溶性聚合物，是水溶性聚合物中应用最广泛的品种之一。它由丙烯酰胺等单体聚合而成，其分子链很长，这就使它在粒子之间架桥，将它们拉在一起而形成絮体。另外，其分子的主链上带有大量侧基—酰胺基。酰胺基的活性很大，可以和多种化合物反应而产生许多聚丙烯酰胺的衍生物。这样，聚丙烯酰胺不仅具有一系列衍生物，而且具有多种宝贵的性能，如：絮凝、增粘(稠)、表面活性等。由于其生产工艺比较成熟、价格较低、本身没有毒性，所以目前已作为絮凝剂被广泛应用。

本发明所用的磷酸一铵是水溶性氮磷二元复合肥，含氮11％，五氧化二磷42-44％。

本发明将复合材料按一定比例与化肥复配，将氮肥中氨态氮吸附固定在分子网络中，有效阻止氮素进入地下、地表水及大气，供作物生长需要吸收。

本发明的优点：

1、本发明使用凹凸棒土、聚丙烯酰胺都是来源自然和生物材料。施用后在土壤中可以生物降解，其代谢产物对环境友好并可以改变土壤的理化性质，增加土壤的保肥保水能力。

2、试验结果表明：加入复合材料的肥料，其氮素在水中的溶出率、土壤溶出率分别减少20％、30％—60％，向大气挥发率减少30％。这就有效阻止化肥中氮的流失和向大气释放，控制了温室气体N₂O的排放和地下及地表水富营养化面污染源，具有极为显著的环境效益。

3、试验结果表明：加入改性复合材料的肥料与传统化肥相比，土壤持续供肥能力提高50％—70％，肥效利用率提高50％—90％，有利于作物生长发育不同阶段对氮素的需求。一般情况下，按该比例每亩施肥量减少为传统肥料用量的30％—60％；成本降低为传统的40％—60％；肥效时间延长为传统肥料的2至5倍；灌溉用水量比传统方式减少40％—80％，经济效益显著。

综上，本发明不但能有效减少水体富营养化的面污染源，减少温室气体排放，而且在农作物稳产高产前提下，可以大大降低化肥施用量和灌溉用水量，节约成本减少劳力。该技术复配物所用材料均为环境友好型，各组分可以降解被植物微生物利用，产品本身不会引起环境污染或健康问题。

具体实施方式

1、将凹凸棒土：磷酸一铵：聚丙烯酰胺按(100—300)：(5—16)：(2—10)的配比，混匀造粒制成控制氮肥流失的环境友好复合材料作为肥料添加剂，粒径控制在2—6mm。将该添加剂和尿素或硫酸铵按1：(4—9)的比例混合按常规氮肥施用方法及使用量施用既可。

2、将凹凸棒土：磷酸一铵：聚丙烯酰胺按1中的配比混匀，然后与氮肥搅拌混匀，作为氮肥增效剂使用。

Claims

1.一种控制氮肥流失的环境友好复合材料，其特征在于其原料组分为活性矿物土和高分子材料、磷酸一铵，所述的活性矿物土是指凹凸棒土、海泡石、粉煤灰或与之类似的廉价活性材料或者其任意混合物，所述的高分子材料指：壳聚糖、聚丙烯酰胺、植物淀粉及来源于自然、可降解的对环境友好且具有絮凝、吸附作用的材料或者其任意混合物，所述的活性矿物土、高分子材料、磷酸一铵的重量比为100-300：1-20：5-20。

2.根据权利要求1所述的控制氮肥流失的环境友好复合材料，其特征在于所述的活性矿物土、高分子材料、磷酸一铵的重量比为100-150：1-5：5-10。

3.根据权利要求1或2所述的控制氮肥流失的环境友好复合材料的制备方法，其特征在于是将活性矿物土和高分子材料、磷酸一铵复配、造粒、包装。

4.根据权利要求1或2所述的控制氮肥流失的环境友好复合材料的使用方法，其特征在于是将活性矿物土和高分子材料、磷酸一铵造粒或者直接和氮肥混匀使用，可以作为基肥和追肥使用，使用范围为水田、旱地及无土栽培。