CN105294324A - 一种新型炭基复合肥及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型炭基复合肥及其制备方法，包括按照重量份数配制的如下组分：生物炭30-65份，尿素35-45份，过磷酸钙5-35份，该新型炭基复合肥制备方法，包括如下步骤：将生物炭、尿素、过磷酸钙、钾肥混合、粉碎、过筛、造粒，然后烘烤，得到新型炭基复合肥。该新型炭基复合肥，合理利用农业废弃物资源生产的生物，具有固碳减排、增加土壤保水保肥能力、促进土壤可持续利用等优点。该新型炭基复合肥，作为缓释肥料，具有延长肥料的肥效性、并且可以提高氮元素利用率，解决磷元素残留问题。该发明提供的新型炭基复合肥的制备方法具有方便、简单、易于操作的优点，适合大批量生产。

Description

一种新型炭基复合肥及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物质的资源化利用领域，具体而言，涉及一种新型炭基复合肥及其制备方法。

背景技术

我国作为一个以农业支持工业的长期性发展中国家，农业种植区域较为分散，无法正常构成产业链。农业化肥利用率低，农业化肥污染较为严重成为我国农业发展中最为显著地问题。在我国，化肥总产量和总用量均居世界第一位，但是化肥利用存在严重不合理的问题，造成了化肥资源的浪费，增加了农业成本。目前，中国化肥的利用率不高，当季氮肥利用率仅为35％。肥料利用率偏低一直是中国农业施肥中存在的问题，中国农田磷肥的利用率仅为10％-25％。磷肥利用率偏低不仅造成严重的资源浪费，还会使大量的磷元素积累在土壤中，从而导致农田及环境污染。

目前，国际上也开发出一系列具有缓释功能的氮素肥料，以提高氮素养分的利用效率，但这些肥料原料成本高、工艺复杂，不利于大面积推广应用，且多数含有高分子聚合物为主的包膜材料，其中大部分不能完全降解，容易在土壤中积累，形成“次生污染”。由于菜地灌水量大、且灌水频繁，包膜材料遇水易溶解，难易起到对氮素肥料的保护作用，对养分的释放速率控制效果不明显，因此，开发低成本、适用于不同作物的环保型缓释氮素肥料成为生产中的迫切需求。

关于炭基缓释肥料的研究，主要有申请号为CN201210007362.4的发明“一种炭基人参土壤调理剂及其制备方法”和申请号为CN201410134867.6的发明“一种环保的生物炭基保水控缓释肥及其制备方法和应用”。前者提供的炭基缓释肥料，还需要使用粘结剂，粘结剂会为土壤增加负担。后者提供的炭基缓释肥料需要添加可降解的保水材料，提高了缓释肥的制备成本。申请号为CN201210295495.6的发明“一种农林废弃物炭基缓释肥及其制备方法”，该发明中，需要将营养成分配制出溶液，使活性炭充分吸附，溶剂含水量大，烘干温度要求交稿，制备工艺繁琐复杂。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种新型炭基复合肥，以解决传统化肥氮元素利用率低、磷元素污染的问题。所述的新型炭基复合肥具有有效延长肥料的肥效性、合理利用农业废弃物资源、固碳减排、增加土壤保水保肥能力、促进土壤可持续利用等优点。很好的满足植物生长的营养需求，有效的做到了一次性施肥，充分利用，少污染、低残留，可增碳培肥的效果。

本发明的第二目的在于提供一种所述的新型炭基复合肥的制备方法，该方法采用造粒机造粒的方法，具有简单，可控，易实施等优点。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种新型炭基复合肥，包括按照重量份数配制的如下组分：

生物炭30-65份，尿素35-45份，过磷酸钙5-35份。

尿素是传统化肥的重要组成，尿素是一种有机态氮肥，经过土壤中的脲酶作用，水解成碳酸铵或碳酸氢铵后，才能被作物吸收利用。过磷酸钙(水溶性速效磷肥)，又称普钙、普通过磷酸钙、过磷酸石灰、过石灰，是一种磷酸盐肥料，过磷酸钙主要成分为磷酸二氢钙Ca(H₂PO₄)₂和石膏CaSO₄·2H₂O及少量游离的磷酸，还含有无水硫酸钙组分，又称过磷酸石灰，一般能适用于各种土壤，但在石灰性或强酸性土壤中，易被土壤固定，通常制成粒状施用，以提高肥效，能促进植物的发芽、长根、分枝、结实及成熟。

生物炭是生物质在低氧环境下，经高温热解产生的一类多孔隙结构、高比表面积、吸附能力强的富碳类物质。制备生物炭的生物质原料包括各种天然物质及其衍生物，如木屑、农业和工业活动产生的有机废弃物、城市固体垃圾、畜禽粪便、水生植物和藻类等，但大多数原料来源于农业废弃物。原料来源广泛，生产成本低廉。生物炭的孔隙对其保持氮素养分离子的能力有重要作用，主要通过对水分的保持实现。生物炭孔隙结构能减小水分的渗滤速度，增强土壤对溶液中移动性很强和容易淋失养分元素的吸附能力，如高pH条件下的硝态氮的吸附和低pH值条件下的盐基阳离子的吸附。此外，生物炭对土壤的改良和肥力保持作用已被证实。生物炭作为填充材料，利用了农业废弃物资源，有效排除了农业的耕作障碍，减少了病虫害的传播，固碳减排，增加土壤保水保肥能力，促进土壤可持续利用。同时，生物炭作为炭基肥料的填充物质，有效的补充了传统肥料中微量元素的不足，有效的补充了植物营养微量元素需求。生物炭的缓释作用，很好的满足植物的营养需求，有效的做到了一次性施肥，充分利用，少污染低残留，可起到增碳培肥、增加土壤质量效果。

优选的，所述的新型炭基复合肥，具体包括按照重量份数配制的如下组分：生物炭40-55份，尿素38-42份，过磷酸钙15-25份。

此范围为新型炭基复合肥达到更好肥效的优选范围。

优选的，所述的新型炭基复合肥，还包括按照重量份数配制的如下组分：氯化钾1-5份，硫酸钾5-10份。

氯化钾施入土壤后很快溶解，并立即解离，使局部土壤溶液中的钾离子和氯离子浓度明显提高，形成浓度梯度，钾离子和氯离子开始向外扩散。一部分钾离子被作物直接吸收利用，一部分于土壤胶体上的阳离子进行代换作用而被土壤胶体吸附。残留的氯离子与钾离子代换出来的阳离子进入土壤溶液。在中性及石灰性土壤上施入氯化钾后形成氯化钙，生成的氯化钙易溶于水，在多雨地区、多雨季节或灌溉的条件下，易引起土壤中钙的淋失而导致土壤板结，同时还会造成土壤逐步酸化，因此在施用氯化钾时还要配合施用有机肥料或钙质肥料。氯化钾施用后，钾离子容易被土壤胶体吸附，移动性小，因此氯化钾最好用做基肥，也可作追肥，但不能作种肥，否则大量的氯离子会危害种子发芽和幼苗生长。在中性或酸性土壤上施用氯化钾最好与有机肥或磷矿粉配合施用，一方面可以防止土壤酸化，另一方面还能促进磷的有效化。但在盐碱土和忌氯作物上不易施用。硫酸钾外观呈白色或带颜色的结晶或颗粒，特点是吸湿小，贮藏时不易结块，易溶于水。适于各种作物，可作基肥、追肥、和根外追肥。钾素一般可被土壤吸附，不会流失，但在保肥能力差的沙土上要采取“少量多餐”的原则。这两种肥料一般在薯类、瓜类等喜钾作物上使用效果最佳。

一种所述的新型炭基复合肥的制备方法，包括如下步骤：将生物炭、尿素、过磷酸钙混合、粉碎、过筛、造粒，然后烘烤，得到新型炭基复合肥。

通过简单的混合、粉碎、造粒、烘烤，就可以得到新型炭基复合肥。生物炭和肥料均匀混合后，并不影响肥效，生物炭还能起到缓释作用。

优选的，所述的新型炭基复合肥的制备方法，具体包括如下步骤：

(1)将生物炭、尿素、过磷酸钙、氯化钾、硫酸钾混合、粉碎；

(2)将步骤(1)中所造颗粒倒入铁筛中过筛，根据过筛后颗粒的粒径大小造粒，然后烘烤，得到新型炭基复合肥。

本发明提供的新型炭基复合肥，还包括氯化钾肥和硫酸钾肥，采用改造后的造粒机造粒的方法，中间适当喷水，提高造粒过程中粉末的粘性。本发明采用的造粒机为自行设计造粒筛分成型桶，造粒机分为两结构：一部分结构为改制的旋转蒸发器，另一部分结构为花生油油桶改装制成的造粒分筛成型桶。粉碎后，颗粒不圆，施肥不流畅，会影响肥效。

优选的，所述的新型炭基复合肥的制备方法，在步骤(1)中，所述的造粒的转速为35-45转/分，造粒的时间为25-35分钟。

充足的造粒时间，有助于颗粒的形成。

优选的，所述的新型炭基复合肥的制备方法，在步骤(1)中，所述的喷水的方式为间歇喷水三次，喷水的总质量与所述的生物炭的质量比为1：(2-6.5)。

本发明提供的制备方法分三次喷水，避免喷水量过多，水分分散不均匀，同时，生物炭具有吸水性，可以增加颗粒形成的粘性。

优选的，所述的新型炭基复合肥的制备方法，在步骤(2)中，所述的过筛分为两层，从上至下依次为4目和10目。

本发明提供的制备方法分别筛选的炭基化肥，根据目数大小进行造粒。其中，小于4目的颗粒需要再经过粉碎后与大于10目的一起造粒，4-10目之间的不需要进行造粒，可以直接作为复合肥料使用。这样可以保证新型炭基复合肥粒径均匀、释放速度一致，使用方便，不卡肥，充分发挥肥效。

优选的，所述的新型炭基复合肥的制备方法，在步骤(2)中，所述的烘烤的时间为11-12小时，烘烤的温度为35-40℃。

本发明提供的制备方法，低温烘烤11-12个小时，烘干水分，有助于长期保存。

优选的，所述的新型炭基复合肥的制备方法，在步骤(2)中，所述的烘烤具体是烘烤到含水率降至30％以下。

本发明提供的新型炭基复合肥，需烘烤到含水量降低到30％以下，有助于肥料长期保存，避免肥料颗粒相互粘连。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明提供的新型炭基复合肥，具有缓释功能的生物炭，合理利用农业废弃物资源、固碳减排、增加土壤保水保肥能力、促进土壤可持续利用等优点。

(2)本发明提供的新型炭基复合肥，作为缓释肥料，具有延长肥料的肥效性、并且可以提高氮元素利用率，解决磷元素残留问题。

(3)本发明提供的新型炭基复合肥的制备方法，方便、简单、易于操作，适合大批量生产，广泛使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了实施例1例提供的新型炭基复合肥的放大250倍后的扫描电子显微镜图；

图2示出了实施例1例提供的新型炭基复合肥放大5000倍后的扫描电子显微镜图；

图3示出了实施例1-6提供的新型炭基复合肥与对比例的红外光谱图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中未注明具体条件者，

按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1-9新型炭基复合肥原料组成(以质量份数计)及制备方法

其中，实施例1-6为玉米专用肥，实施例7-9为大豆专用肥，实施例10-13为马铃薯专用肥。

实施例14提供的新型炭基复合肥的制备方法如下：

将生物炭、尿素、过磷酸钙混合、粉碎、造粒、过筛，然后烘烤，得到新型炭基复合肥。

实施例1-3提供的新型炭基复合肥的制备方法如下：

(1)将生物炭、尿素、过磷酸钙、氯化钾混合、粉碎，将粉末加入造粒机中造粒，转速为35转/分钟，造粒时间25分钟，间歇喷水三次，喷水总质量与生物炭质量的比为1:2；

(2)将步骤(1)中所造颗粒倒入铁筛中过筛，筛子从上至下依次为4目和10目，其中，小于4目的颗粒需要再经过粉碎后与大于10目的一起造粒，4-10目之间的不需要进行造粒，可以直接作为复合肥料使用，然后在35℃下烘烤11小时，烘烤至含水率降至30％，得到新型炭基复合肥。

实施例4-9提供的新型炭基复合肥的制备方法如下：

(1)将生物炭、尿素、过磷酸钙、氯化钾、硫酸钾混合、粉碎，将粉末加入造粒机中造粒，转速为40转/分钟，造粒时间30分钟，间歇喷水三次，喷水总质量与生物炭质量的比为1:4；

(2)将步骤(1)中所造颗粒倒入铁筛中过筛，筛子从上至下依次为4目和10目，其中，小于4目的颗粒需要再经过粉碎后与大于10目的一起造粒，4-10目之间的不需要进行造粒，可以直接作为复合肥料使用，然后在40℃下烘烤11.5小时，烘烤至含水率降至20％，得到新型炭基复合肥。

实施例10-12提供的新型炭基复合肥的制备方法如下：

(1)将生物炭、尿素、过磷酸钙、氯化钾、硫酸钾混合、粉碎，将粉末加入造粒机中造粒，转速为45转/分钟，造粒时间35分钟，间歇喷水三次，喷水总质量与生物炭质量的比为1:6.5；

(2)将步骤(1)中所造颗粒倒入铁筛中过筛，筛子从上至下依次为4目和10目，其中，小于4目的颗粒需要再经过粉碎后与大于10目的一起造粒，4-10目之间的不需要进行造粒，可以直接作为复合肥料使用，然后在45℃下烘烤12小时，烘烤至含水率降至10％，得到新型炭基复合肥。

实验例1不同配方炭基肥的成型率分析、pH分析、净重分析

实验测得实施例1-12所提供的新型炭基复合肥的pH、净含量、过筛质量。

pH的测试方法：用天平称取各样品0.1g，配制10ml溶液，并过滤，取得清夜，用pH计测各溶液，测得其pH。

净重测试方法：称取各种试样1g于蒸发皿中，在40摄氏度的烘烤箱中烘干24h，用台式天平测其净含量，并记录数据。实验结果如表1所示：

表1：实施例1-12所提供的复合肥的净重、pH、过筛情况

实验证实，肥料偏酸性pH均小于6。生物炭大多呈碱性，施入土壤可提高酸性土壤pH值，这主要是因为生物炭灰分中含有较多的盐基离子，如钙、镁、钾等，这些盐基离子可交换降低氢离子和交换性铝离子水平，生物炭灰分中盐基离子含量愈高:生物炭碱性愈大。表1中可以清晰的看出肥料的酸碱性普遍呈弱酸性，且玉米专用肥料的pH随着玉米秸秆碳含量增多pH值增加，由此可以推知玉米秸秆碳的碱性比N、P、K复合肥强，可以通过改变生物炭的含量改变肥料的酸碱度，以适应不同酸碱度的土壤。

实验例2实施例1的新型炭基复合肥微观结构

取规格1mm左右实施例1的新型炭基复合肥于扫描电子显微镜托盘上，在1um-2um范围内观测扫描并记录SEM图。

在炭基肥电子扫描显微镜图(图1和图2)中可以看到球状碳基肥、以及蜂窝状生物炭表面附着的柱状、颗粒状的结晶物。这些结晶物为氮肥、钾肥、磷肥的结晶物。

因此，实验可以证明，加入生物炭造粒后，并没有影响原N、P、K肥料的肥性，该肥料可以正常使用。

实验例3IR分析

将烘干的新型炭基复合肥磨成粉末，称取1-2mg，分别与KBr压片制成红外扫描样品，用尼高力5700型号傅立叶变换红外光谱仪于波数4000-400cm^-1范围内扫描并记录红外透光率光谱图。

对实施例1-6所提供的新型炭基复合肥进行IR测试，并对比生物炭、过磷酸钙、尿素、硫酸钾、氯化钾、过磷酸钙的IR测试。

由图3可见，由上至下依次为尿素、过磷酸钾、硫酸钾、生物炭以及实施例1-6的红外光谱图。炭基肥几个主要吸收峰的位置出现在3400、1590、1500、800cm^-1附近，吸收峰中均见到生物炭，氯化钾，尿素，过磷酸钙吸收峰，且每种专用肥之间吸收峰相似度极高，炭基肥中有大量的生物炭，仍保持原有分子的特性，碳大多以芳香环存在，其结构很稳定。炭基肥中含有大量的亲水基团，这些官能团的存在使得炭基肥具有较强的吸附性能。

实验例4实施例1-12新型炭基复合肥的N、P、K含量及缓释性

碱解氮测定：碱解氮的含量和有机质含量及质量关,有机质含量高，熟化程度高，有效性氮含量也高；反之，有机质含量低，熟化程度低，有效性氮的含量也低。碱解氮含量作为植物氮素营养较无机氮有更好的相关性,所以测定碱解氮比测定氨态氮和硝态氮更能确切的反映出近期内土壤的供氮水平。用碱液处理土壤时,易水解的有机氮及铵态氮转化为氨,硝态氮则先经硫酸亚铁转化为铵。以硼酸吸收氨,再用标准酸滴定,计算水解性氮含量。

PK养分测定：①称取0.191g氯化钾肥，0.387g磷酸二氢钠肥加水稀释配制成10ppm、7ppm、5ppm、3ppm、1ppm的混标溶液。②分别称取所有肥料0.1g加水20ml溶解，并用离心机离心4h，过滤取得上清液，再取1ml的上清液于50ml容量瓶中定容。

分别测得实施例1-12所提供的新型炭基复合肥的NPK含量及他们的缓释性。实验结果如表2所示：

表2不同炭基肥的N、P、K养分情况

实验证明，N、P、K是实际溶解浓度要低于理论值，表2中，玉米专用肥中实施例1、2、3的K浓度依次降低，实施例2的P浓度最低，实施例4、5、6中实施例5的P、K浓度最高。大豆专用肥中，实施例7中P、K含量最高，但相差不大。马铃薯专用肥中实施例11的P、K浓度最高。从表中还可以看出P养分理论含量高于K理论含量，但实际水溶性K高于水溶性P，这一现象与生物炭具有吸附性有关，即在溶解炭基肥过程中大量的K被生物炭吸附，并被过滤丢失，因此生物炭对K有较强的吸附性，对P吸附性能弱一些。总体来说生物炭对离子有较强的吸附能力，对不同离子吸附性能不同，生物炭吸附离子后，使溶解的金属离子较少，对肥料起到缓释效果。

实验例5实施例1-6肥效实验

将栽培两周的玉米苗进行对比，测试玉米炭基肥料对玉米植株性状和产量的影响，研究肥效，并与不添加任何肥料的空白实验、只添加普通化肥和只添加生物炭的实验进行对比。其中，化肥中N、P、K的比例为35:5:5。实验结果如表3所示：

表3炭基肥料对玉米植株性状和产量的影响

实验证明，与对比实验比较，采用本发明提供的新型炭基复合肥，玉米植株长势最好、产量最高。

综上所述，本发明提供的新型炭基复合肥，添加了具有缓释功能的生物炭，合理利用农业废弃物资源，减少秸秆等生物质燃烧带来的污染，固碳减排、增加土壤保水保肥能力、促进土壤可持续利用。本发明提供的新型炭基复合肥，可以作为缓释肥料使用，具有延长肥料的肥效性、并且可以提高氮元素利用率，避免过多施用而不被植物吸收的磷元素残留在土壤中造成污染。本发明提供的新型炭基复合肥的制备方法，方便、简单、易于操作，适合大批量生产，使用广泛。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种新型炭基复合肥，其特征在于，包括按照重量份数配制的如下组分：

生物炭30-65份，尿素35-45份，过磷酸钙5-35份。

2.根据权利要求1所述的新型炭基复合肥，其特征在于，具体包括按照重量份数配制的如下组分：

生物炭40-55份，尿素38-42份，过磷酸钙15-25份。

3.根据权利要求1或2所述的新型炭基复合肥，其特征在于，还包括按照重量份数配制的如下组分：

氯化钾1-5份，硫酸钾5-10份。

4.一种根据权利要求1-3任一项所述的新型炭基复合肥的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将生物炭、尿素、过磷酸钙混合、粉碎、过筛、造粒，然后烘烤，得到新型炭基复合肥。

5.根据权利要求4所述的新型炭基复合肥的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

(1)将生物炭、尿素、过磷酸钙、氯化钾、硫酸钾混合、粉碎；

(2)将步骤(1)中所造颗粒倒入铁筛中过筛，根据过筛后颗粒的粒径大小造粒，然后烘烤，得到新型炭基复合肥。

6.根据权利要求5所述的新型炭基复合肥的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的造粒的转速为35-45转/分，造粒的时间为25-35分钟。

7.根据权利要求5所述的新型炭基复合肥的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的喷水的方式为间歇喷水三次，喷水的总质量与所述的生物炭的质量比为1：(2-6.5)。

8.根据权利要求5所述的新型炭基复合肥的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的过筛分为两层，从上至下依次为4目和10目。

9.根据权利要求5所述的新型炭基复合肥的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的烘烤的时间为11-12小时，烘烤的温度为35-40℃。

10.根据权利要求5所述的新型炭基复合肥的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述的烘烤具体是烘烤到含水率降至30％以下。