一种基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法

一、技术领域

本发明涉及肥料生产技术领域，特别涉及一种基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法。

二、背景技术

化肥被誉为“植物的粮食”，已成为我国最重要的农业生产资料，在提高农田土壤肥力、保证国家粮食安全等方面做出了重大贡献。近年来，我国化肥工业发展十分迅猛，农田的化肥施用量逐年攀升。然而，我国当季化肥利用率普遍较低，高施肥量造成严重的资源浪费和巨大的经济损失。另一方面作物经多次施肥，肥料在作物根系周围积累，从而造成植物根系细胞破坏，形成盐害，破坏了土壤结构，使作物减产甚至死亡，同时对地表水和地下水造成污染，导致严重的环境问题。

缓释肥是解决这一问题的良好措施，一方面可以减缓旱地作物因肥料施用过多导致土壤板结的问题，另一方面可协调作物养分的供给，有效地减缓养分释放速度，实践证明，缓释肥料可大大提高肥料利用率，从而减少肥料的施用次数，促进农药、肥料使用零增长。国内外均在大力发展氮肥的控缓释技术，然而目前的缓释材料绝大多数为高分子聚合物，一方面这些聚合物本身难以降解，且对土壤产生二次污染；另一方面缺少补充土壤有机碳的功能，且大部分材料受资源制约、不可再生。因此，选择一种价格低廉、环境友好、无毒无害、可再生的膜材是缓释肥未来发展之路。

稻壳是我国丰富的农业副产品，稻壳表面坚硬，硅含量高，容重小，不易被细菌分解。将稻壳废弃物转化为稻壳炭，并将其应用于田间系统是一种安全有益的处理方法。稻壳炭具有高孔隙度和比表面积大的特点，其对亲水和疏水分子的吸附作用取决于生物炭的表面官能团。稻壳炭表面带有大量负电荷，并包含一系列含氧、含氮、含硫官能团，具有很大的阳离子交换量，理论上能够吸附大量可交换态阳离子。由于这些固有的理化特性，稻壳炭常用来添加到土壤，从而减少土壤养分淋失。另一方面，提高化肥的利用率，改良土壤理化特性。

目前，公开号CN 107892628 A的专利，公开了一种生物炭包膜缓释肥的制备方法及装置，该专利粘合剂的制作方法包括氢氧化钠溶液促使玉米淀粉溶解及糊化，双氧水使淀粉充分氧化，加入硼砂交联。此方法步骤较复杂，本发明公开淀粉粘合剂制备方法简单环保，成本低。公开号CN 105693433 A的专利，公开了一种生物质炭包裹缓释肥料的制备工艺，该专利采用生物质炭作为包裹材料，聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，在转鼓中物料反复滚动成粒即得生物质炭包裹缓释肥料。然而，转鼓包衣操作比表面积大，物料处于无序的状态下相互挤压容易粘连，导致包衣不完整，同时物料处于非密封状态，易出现聚乙烯醇溶液外泄，回收不便。公开号CN 109516871 A的专利，公开了一种缓释型生物炭基复混肥的制备方法，该方法将生物炭、尿素、磷酸二氢钾混合造粒干燥获得的颗粒的均一性得不到保障。也有学者以稻壳炭为基质、改性玉米淀粉为粘合剂，通过挤出造粒机得到球形生物质炭基控缓释肥，但该工艺释放速率无法达到预期。尿素作为主要的氮肥在作物增产中具有重要作用，但尿素在使用过程中存在易挥发损失、淋失、转化以及环境不友好等缺陷。因此，本专利提出以尿素作为芯材，以绿色环保、可再生资源的生物质稻壳炭为主要包膜，天然的淀粉为粘合剂，通过流化床包衣制备一种新型的控缓释肥料，以期实现颗粒养分释放速率的均一性，该技术国内外未见报道。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法，该包膜材料价格低廉、环境友好，流化床包衣工艺简单环保、安全易操作，有效地促进了包膜缓释氮肥在市场上的推广。

本发明的技术方案为：一种基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法，包括下列步骤：

1.将粒径均匀的尿素颗粒倒入流化床中进行预热及流化，然后将稻壳炭与淀粉粘合剂制备悬浮液进行第一次包衣。

2.第一次包衣干燥结束后，再利用配制的乙基纤维素包衣液进行第二次包衣，干燥结束后取出即得稻壳炭包衣缓释尿素。

本发明中，流化床设定进风温度50-60℃，风机频率20-24Hz，进料转速12-18r/min。

本发明中，所述尿素颗粒的粒度为10-20目。

本发明中，所述稻壳炭由稻壳升温炭化再粉碎制得，过筛的粒度为200-300目。

本发明中，所述粘合剂为淀粉，溶剂为水。

本发明中，所述混悬液按稻壳炭、淀粉重量比为5-7:1-1.4。

本发明中，所述粘合剂淀粉浓度为3-7％。

本发明中，所述尿素16-24份、稻壳炭5-7份、乙基纤维素0.2-0.8份。

本发明中，所述乙基纤维素使用浓度为1-5％。

本发明的有益效果是：

1.以稻壳炭与淀粉调制的粘合剂作为包膜材料，基于膜厚度的增加，水在膜中的扩散速度相较于尿素明显减慢。稻壳炭由废弃物稻壳炭化加工而成有效地实现了资源再利用，结合稻壳炭还田方式可以沉降并降低大气CO

2.乙基纤维素是一种来源于纤维素的线性多糖，有良好的成膜性、优异的物理化学稳定性，生成的薄膜韧性好、不易磨损，疏水性好可达到预期缓释效果，根据GB/T 23348-2009测定得3％乙基纤维素包衣液二次包衣缓释肥料在培养中第28天养分累积释放量约为85％。

3.两次包衣从预热、包膜、干燥成形均在床内完成，包衣材料经压缩空气雾化后喷至流化态颗粒表面形成衣膜，反复喷涂，形成连续、致密的膜层。流化床包衣工艺流程简单易操作，降低农业生产成本，有效地促进了包膜缓释氮肥在市场上的推广。

四、附图说明

图1为养分累积释放速率曲线图

五、具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明的具体实施方式作进一步说明。以下实施例仅用于更清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

除非特别说明，以下实施例所用材料均为市售产品。

实施例1：

实施例1的基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法，包括下列步骤：

按尿素、稻壳炭的重量比16:5称取物料，将粒径均匀的尿素颗粒倒入流化床中设定进风温度50-60℃，风机频率20-24Hz进行预热及流化；然后将称取的稻壳炭边搅拌边加入3％淀粉粘合剂中制得第一层包衣液进行雾化包衣；再用1％乙基纤维素的包衣液进行第二次雾化包衣，其中流化床设定进料转速均为12-18r/min，喷涂结束后取出即得稻壳炭包衣的缓释尿素。

实施例2：

实施例2的基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法，包括下列步骤：

按尿素、稻壳炭的重量比24:7称取物料，将粒径均匀的尿素颗粒倒入流化床中设定进风温度50-60℃，风机频率20-24Hz进行预热及流化；然后将称取的稻壳炭边搅拌边加入7％淀粉粘结剂中制得第一层包衣液进行雾化喷涂；再用5％乙基纤维素的包衣液进行第二次雾化喷涂，其中流化床设定进料转速均为12-18r/min，喷涂结束后取出即得稻壳炭包衣的缓释尿素。

实施例3：

实施例3的基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法，包括下列步骤：

按尿素、稻壳炭的重量比10:3称取物料，将粒径均匀的尿素颗粒倒入流化床中设定进风温度50-60℃，风机频率20-24Hz进行预热及流化；然后将称取的稻壳炭边搅拌边加入5％淀粉粘结剂中制得第一层包衣液进行雾化喷涂；再用3％乙基纤维素的包衣液进行第二次雾化喷涂，其中流化床设定进料转速均为12-18r/min，喷涂结束后取出即得稻壳炭包衣的缓释尿素。

实施例4：

实施例4的基于流化床技术的稻壳炭包衣缓释尿素制备方法，包括下列步骤：

按尿素、稻壳炭的重量比10:3称取物料，将粒径均匀的尿素颗粒倒入流化床中设定进风温度50-60℃，风机频率20-24Hz进行预热及流化；然后将称取的稻壳炭边搅拌边加入4％淀粉粘结剂中制得第一层包衣液进行雾化喷涂；再用3％乙基纤维素的包衣液进行第二次雾化喷涂，其中流化床设定进料转速均为12-18r/min，喷涂结束后取出即得稻壳炭包衣的缓释尿素。

对比实验：

快速测定尿素与稻壳炭包衣制备的缓释尿素的累积释放率进行缓释效果对比实验。实验设置4个：小颗粒尿素(A)、稻壳炭一层包衣尿素(B)、1％乙基纤维素包衣液二次包衣稻壳炭缓释尿素(C)、3％乙基纤维素包衣液二次包衣稻壳炭缓释尿素(D),实验重复3次，具体步骤如下：

1.态氮总量的测定：称取一定量的尿素/缓释尿素，将其溶解于400mL蒸馏水的烧杯中，取样4mL用0.45μm的有机系滤膜进行过滤，量取滤液2mL，置于10mL容量瓶中加入2mL对二甲氨基苯甲醛溶液后加入蒸馏水定容，室温静置10min后用分光光度仪于430nm处测量待测液吸光度Abs。

2.累积释放速率的测定：称取一定量的尿素/缓释尿素将其至于透析袋中，置于装有400mL蒸馏水的烧杯中，采用磁力搅拌器搅拌，并于4、8、12、20、30、40、60、90、120、150min中取样4mL，并用0.45μm的有机系滤膜进行过滤，量取滤液2mL，置于10mL容量瓶中加入2mL对二甲氨基苯甲醛溶液后加入蒸馏水定容，室温静置10min后于430nm处测量吸光度Abs。以态氮含量计算累积释放度。

包衣材料均能形成相对完整的包膜层包裹于尿素表面，如图1所述，以稻壳炭一层包膜尿素处理的养分累积释放速率相较于尿素减少约20％；基于乙基纤维素疏水性好的特点，其包衣缓释尿素缓释效果显著，C处理的累积释放率为76.63％，D处理为32.04％，并随着乙基纤维素含量增加，养分累积释放速率越小。乙基纤维素二次包衣相比于稻壳炭一层包衣尿素可以有效降低养分累积释放率，根据GB/T 23348-2009测定得3％乙基纤维素包衣液二次包衣缓释肥料在培养中第28天养分累积释放量约为85％。

以上所述的具体实施方式只是本发明的优选方案，在权利要求所记载的技术方案前提下还可以加以改进，改进内容应视为本发明的保护范围。