植物生长用金属氧化物和粘土的选择和应用

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月26日提交的第62/648,066号美国临时申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及水修复和植物施肥领域。更具体地说，本申请涉及从水系统中修复磷和将所述磷应用于植物施肥和生长。

背景技术

目前人类对磷的使用是不可持续的，因为它对世界上最重要水道的水生生态系统造成了破坏。此外，据一项估计，根据目前的磷去除率，全球磷储量将在不到300年内耗尽。

磷对植物生长至关重要，对协助光合作用、呼吸作用、能量储存和转移、细胞分裂和细胞增大必不可少。全球每年用5000万吨磷作为肥料，成本约为760亿美元，但研究表明，目前的工艺效率很低，超过60％的磷在使用前被冲走。磷是用于食品生产的第二大营养素，更好地利用这一关键资源的需求从未像现在这样大。虽然磷是植物生长所必需的，但植物培养基中磷的过多或过少都会损害植物的生长。因此，有利的是，肥料向植物培养基提供连续但受控的可用磷供应，从而使植物可以根据需要吸收足够的磷，但限制施用的磷的量以免由于淋溶或以不可用的形式被束缚在植物培养基中而造成浪费。

提高肥料施用中的保留量将显著减少所需的磷量，并减少排入水生生态系统的磷负荷对环境造成的影响。一些形式的肥料被认为是缓冲肥料。这些缓冲肥料包括利用金属氧化物的离子交换特性的控释机制。基于植物吸收，金属氧化物，特别是活性矾土，被施加至植物培养基后缓冲磷的能力已经被证明是有效的。

历史上人类对磷的其他使用包括在肥皂和洗衣剂中，尽管这些现在是典型的禁用成分。全球每年有6200万吨磷从人为来源排放到环境中。在水系统中甚至非常低浓度的磷的存在也可能导致该系统中藻类的爆发，并最终导致富营养化，这对该系统中的植物和动物生命可能是毁灭性的。仅美国每年就花费约50亿美元来清除磷污染，并且越来越需要在这一领域进行创新，以更有效地清除磷污染。

发明内容

示例性实施方案涉及选择磷吸附剂并将其施加到植物培养基以促进植物生长、植物肥力和/或植物健康的方法。某些材料，例如金属氧化物和/或粘土，其物理性质允许磷这种植物至关重要的常量营养素的吸附和解吸。因此，可以将金属氧化物、粘土和/或其他磷吸附剂施加到植物培养基，从而调控植物培养基中的磷的可用性和保留量。调控植物培养基中磷可用性的能力可以增加根质量、根毛发育和总根深。通过促进根生长、根深度和/或根质量，所述方法可以提升植物持久性和植物健康。此外，所述方法可以包括一种系统，其中磷吸附剂被施加到含磷的水溶液，以便溶液中的磷被部分回收用于植物施肥。

示例性实施方案采用磷吸附剂来捕获磷并将其重新施用以给植物施肥，以改善植物生长并在此过程中减少磷使用对环境的负面影响。

在一个实施方案中，植物施肥的方法包括将来自人为磷源的磷吸附到至少一种磷吸附剂的多个颗粒上，然后将多个磷吸附剂颗粒施加到植物培养基上。

在另一个实施方案中，组合物包括土壤改良剂和植物培养基。土壤改良剂包括至少一种磷吸附剂的多个颗粒和吸附在所述颗粒上的来自人为磷源的磷。

在另一个实施方案中，方法包括将来自磷源的第一量的磷吸附到至少一种磷吸附剂的多个颗粒上，使所述多个磷吸附剂颗粒被磷饱和。所述方法还包括处理颗粒以使第一量的磷保持在颗粒上，并允许额外的磷吸附到颗粒上。所述方法进一步包括将来自磷源的额外量的磷吸附到颗粒上，以使颗粒被磷饱和。

从以下示例性实施方案的更详细描述中，本发明的其他特征和优点将变得显而易见，这些示例性实施方案以示例的方式阐述了本发明的原理。

附图说明

图1示出了本公开实施方案中磷吸附剂的结合位置。

图2示出了本公开实施方案中磷吸附剂的生长位置。

图3示出了本公开实施方案中磷吸附剂的盆栽位置。

图4示出了本公开实施方案中磷吸附剂的曝气位置。

图5示出了干燥活性矾土柱前后滤液中的磷水平。

图6示出了不同样品pH值下不同平衡浓度的吸附等温线。

图7示出了吸附等温线平衡后测得的溶液pH。

具体实施方式

本公开的方法包括选择磷吸附剂的材料和/或颗粒尺寸，将磷吸附到磷吸附剂上，处理磷吸附剂以允许磷的额外吸附，和/或将磷吸附剂应用于植物培养基。处理磷吸附剂可以包括干燥和/或冲洗磷吸附剂。将磷吸附剂应用于植物培养基可包括混合、掺合、追肥、注射和/或捆扎。本公开的组合物包括磷吸附剂。在一些实施方案中，磷吸附剂从人为磷源收集磷，之后用于在植物培养基释放磷作为肥料。

在一些实施方案中，磷吸附剂是或包含至少一种金属，通常为氧化物形式。金属包括但不限于铝、铁、钙、镁和钛。在一些实施方案中，吸附剂是或包含活性矾土、活性氧化铁、活性铝土矿、活性粘土、活性高岭土或其组合。在一些实施方案中，吸附剂选为来自制造金属氧化物吸附剂、催化剂、反应试剂、研磨剂或干燥剂以用于其他商业应用的过程的废物或废料源，从而降低成本。虽然本文使用了术语“磷”，但是应当理解，被吸附和释放的磷的形式主要是正磷酸盐。

金属吸附剂通常由天然存在且容易获得的矿物提炼和加工而成。制造过程通常需要对天然存在的且容易获得的原料进行开采，并提炼为金属水合物的形式。然后通过煅烧步骤活化金属水合物，产生所需的化学吸附性质。煅烧是在富氧环境中进行高热处理以去除化学结合水的过程。当化学结合水从金属水合物中去除时，化学结构发生变化，颗粒在水曾经占据的地方形成孔隙空间。在这些孔隙空间中，带电的结合位点保留，从而使高电荷离子如磷酸根发生半准化学吸附。阳离子和阴离子性质的结合位点的化学吸附特性都允许像磷酸根这样的离子通过平衡动力学最终解吸回溶液中(参见，例如，美国专利第5,693,119号、美国专利第6,287,357号和美国专利第7,485,171号，这些专利通过引用并入本文)。

用作磷吸附剂的固相活性矾土可以是氧化铝或更纯化的形式。活性矾土保持各种物理性质，但一般来说，活性矾土是一种多孔、粒状和/或丸状产品。活性矾土也可称为“活性矾土颗粒”，这些术语在本文中可互换使用。所述特征可以区别于其他形式的矾土，如凝胶矾土或冶炼级矾土。通过用酸如HCl或HPO

在一些实施方案中，可以基于活性矾土颗粒中氧化铝的百分比来选择活性矾土颗粒。例如，可以基于包括至少约80％、85％、90％、95％或100％的氧化铝来选择活性矾土颗粒。可选地，可以基于包括约80％-85％、80％-90％、80％-95％、80％-100％、85％-90％、85％-95％、85％-100％、90％-95％、90％-100％或95％-100％的氧化铝来选择活性矾土颗粒。

在一些实施方案中，金属氧化物包括铝、铁、镁、钙或钛等金属的水合物或氧化物形式。在一些实施方案中，金属氧化物是活性氧化铝(矾土)。可以部分地选择天然含有金属氧化物混合物且精炼较少和/或加工较少的替代基材，以大幅降低材料成本。在一些实施方案中，制造磷吸附剂的前体是铝土矿，包含约70％重量的氧化铝，且含有少量的铁氧化物、镁氧化物和钛氧化物。铝土矿可以通过类似于氧化铝活化的方式活化，形成多孔吸附性材料，该材料的吸附容量略低，但是可用供应大得多，且原材料成本极低。

在一些实施方案中，磷吸附剂包括一种或多种金属氧化物的混合物或多于一种金属氧化物的熔体。金属氧化物的熔体是指多于一种选择的金属氧化物物理地或化学地熔融在一起，以制备由多于一种金属例如铝和铁组成的稳定产物。在一些实施方案中，熔体组合物可以基于熔体组合物的相对磷吸附容量和材料成本进行选择。

用作磷吸附剂的粘土可包括矿物高岭石。矿物高岭石为硅酸铝氢氧化物，化学式为Al

在一些实施方案中，通过选择施加到植物培养基中磷吸附材料的颗粒尺寸，从而控制磷的可用性。多种植物的植物生长可以得到改善，同时也防止磷的过量淋溶。

在将磷吸附剂应用于植物培养基之前，可通过颗粒过滤方案收集适当尺寸的吸附剂颗粒。在一些实施方案中，颗粒过滤方案包括至少一个筛子或任何类型的网孔筛，固体吸附剂可以施加到该筛子，从而使吸附剂可以通过颗粒尺寸分离。筛子的开口可以是各种尺寸，包括但不限于至少约:0.037mm(Tyler Equivalent 400目)、0.044mm(TylerEquivalent 325目)、0.053mm(Tyler Equivalent270目)、0.063mm(Tyler Equivalent 250目)、0.074mm(Tyler Equivalent 200目)、0.088mm(Tyler Equivalent 170目)、0.105mm(Tyler Equivalent 150目)、0.125mm(Tyler Equivalent 115目)、0.149mm(TylerEquivalent 100目)、0.177mm(Tyler Equivalent 80目)、0.210mm(Tyler Equivalent 65目)、0.250mm(Tyler Equivalent60目)、0.297mm(Tyler Equivalent 48目)、0.354mm(Tyler Equivalent 42目)、0.420mm(Tyler Equivalent 35目)、0.500mm(TylerEquivalent 32目)、0.595mm(Tyler Equivalent 28目)、0.707mm(Tyler Equivalent 24目)、0.841mm(Tyler Equivalent 20目)、1.00mm(Tyler Equivalent 16目)、1.19mm(TylerEquivalent 14目)、1.41mm(Tyler Equivalent 12目)、1.68mm(Tyler Equivalent 10目)、2.00mm(Tyler Equivalent 9目)、2.38mm(Tyler Equivalent 8目)、2.83mm(TylerEquivalent 7目)、3.36mm(Tyler Equivalent 6目)、4.00mm(Tyler Equivalent 5目)、4.76mm(Tyler Equivalent 4目)、5.66mm(Tyler Equivalent 3.5目)、6.73mm(TylerEquivalent 3目)、8.00mm(Tyler Equivalent 2.5目)或更大。本领域技术人员可以认识到，其他筛子尺寸也可以使用。或者，磷吸附剂也可以具有0.5g/cm

在一些实施方案中，两个不同筛目尺寸的筛子可以彼此叠置，其中具有较大筛目尺寸的筛子可以放置在具有较小筛目尺寸的筛子的顶部上。如此，不同尺寸的磷吸附剂颗粒可以倾倒在顶部筛子上，在此处较小尺寸的吸附剂颗粒得以通过到达底部筛子。结果，特定尺寸的吸附剂颗粒得以被选择。可以被选择的吸附剂颗粒的尺寸可以在各种直径范围内，包括但不限于直径约0.01mm至约4.8mm或更大。

在一些实施方案中，可以一起使用2.38mm筛目尺寸的筛子(Tyler Equivalent8目)和1.19mm筛目尺寸的筛子(Tyler Equivalent 14目)来收集磷吸附剂颗粒。如此，可以以介于直径约为1.19mm与直径约为2.38mm之间的尺寸收集吸附剂颗粒。在一些实施方案中，尺寸是或介于直径约1.19mm和直径约2.38mm之间的吸附剂颗粒可以施加到可用于草皮和/或如大麻等观赏植物的植物培养基，因为相对较大颗粒尺寸的颗粒相对重且易于施加到可用于这类植物的植物培养基中。

在一些实施方案中，可以一起使用具有1.19mm开口的筛子(Tyler Equivalent14目)和具有0.297mm开口的筛子(Tyler Equivalent 48目)来收集磷吸附剂颗粒。如此，可以以是或介于直径约0.297mm和直径约1.19mm之间尺寸收集吸附剂颗粒。尺寸是或介于直径约0.297mm和直径约1.19mm之间的磷吸附剂颗粒可施加到用于任何田间种植植物和树木的植物培养基，包括但不限于可用于作物、蔬菜和/或林业目的的植物培养基，因为相对较轻和较小颗粒尺寸的颗粒集合允许更高的磷吸附亲和力。

在一些实施方案中，磷吸附剂颗粒由来自另一个制造过程的废物提供，其中所提供的颗粒尺寸小于1.19mm。之后将所提供的磷吸附剂颗粒施加到具有0.297mm开口的筛子上，以除去通过筛子的颗粒，并将剩余的颗粒用作磷吸附剂。

选定了磷吸附剂的颗粒尺寸之后，吸附剂颗粒可以以这样的方式施加到植物培养基，所述方式使得施加到植物培养基的吸附剂颗粒减少至少约：1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％或更多，其中一定比例的吸附剂颗粒具有较小的尺寸。或者，应用于植物培养基的吸附剂的减少百分比可以是范围的形式，包括但不限于至少约:1％-5％、1％-10％、1％-15％、1％-20％、1％-25％、1％-30％、1％-35％、1％-40％、1％-45％、1％-50％、1％-55％、1％-60％、5％-10％、5％-15％、5％-20％、5％-25％、5％-30％、5％-35％、5％-40％、5％-45％、5％-50％、5％-55％、5％-60％、10％-15％、10％-20％、10％-25％、10％-30％、10％-35％、10％-40％、10％-45％、10％-50％、10％-55％、10％-60％、15％-20％、15％-25％、15％-30％、15％-35％、15％-40％、15％-45％、15％-50％、15％-55％、15％-60％、20％-25％、20％-30％、20％-35％、20％-40％、20％-45％、20％-50％、20％-55％、20％-60％、25％-30％、25％-35％、25％-40％、25％-45％、25％-50％、25％-55％、25％-60％、30％-35％、30％-40％、30％-45％、30％-50％、30％-55％、30％-60％、35％-40％、35％-45％、35％-50％、35％-55％、35％-60％、40％-45％、40％-50％、40％-55％、40％-60％、45％-50％、45％-55％、45％-60％、50％-55％、50％-60％、55％-60％或更多的吸附剂减少，其中一定比例的吸附剂颗粒尺寸较小。

颗粒过滤方案也可有效减少可能由将磷吸附剂颗粒施加到植物培养基而产生的浮空的颗粒物质，如灰尘。浮空的颗粒物质至少因为两个原因可能有问题。首先，浮空的颗粒物质，如灰尘，对吸入有害。第二，源自吸附剂的浮空颗粒物会导致产品损失。然而，这些潜在的问题可以通过将吸附剂颗粒应用于颗粒过滤方案来避免，该颗粒过滤方案包括至少一个网状筛。因此，收集不同颗粒尺寸的能力可导致浮空的颗粒物质减少，包括但不限于吸附剂中的浮空颗粒物质减少至少约:1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％或更多，其中一定比例的吸附剂颗粒具有较小的尺寸。或者，收集不同颗粒尺寸的能力也可导致浮空颗粒物质的减少，吸附剂中的浮空颗粒物质减少包括但不限于至少约:1％-5％、1％-10％、1％-15％、1％-20％、1％-25％、1％-30％、1％-35％、1％-40％、1％-45％、1％-50％、1％-55％、1％-60％、5％-10％、5％-15％、5％-20％、5％-25％、5％-30％、5％-35％、5％-40％、5％-45％、5％-50％、5％-55％、5％-60％、10％-15％、10％-20％、10％-25％、10％-30％、10％-35％、10％-40％、10％-45％、10％-50％、10％-55％、10％-60％、15％-20％、15％-25％、15％-30％、15％-35％、15％-40％、15％-45％、15％-50％、15％-55％、15％-60％、20％-25％、20％-30％、20％-35％、20％-40％、20％-45％、20％-50％、20％-55％、20％-60％、25％-30％、25％-35％、25％-40％、25％-45％、25％-50％、25％-55％、25％-60％、30％-35％、30％-40％、30％-45％、30％-50％、30％-55％、30％-60％、35％-40％、35％-45％、35％-50％、35％-55％、35％-60％、40％-45％、40％-50％、40％-55％、40％-60％、45％-50％、45％-55％、45％-60％、50％-55％、50％-60％、55％-60％或更多，其中一定比例的吸附剂颗粒具有较小的尺寸。

选择磷吸附剂颗粒后，除了土壤改良剂和肥料产品、植物产品和/或肥料产品之外，还可以将颗粒添加到不同的植物培养基中。可掺入所选吸附剂的合适植物培养基和/或产品可包括但不限于：土壤混合物，包括但不限于泥炭、椰壳纤维、再生纸、树皮、堆肥、蛭石、珍珠岩、沙子、沸石、粘土和/或表层土。其他产品或改良剂包括颗粒肥料、有机肥料、微量营养素肥料、钙改良剂、骨粉、鱼乳剂、草皮混合物和/或用于草皮、农艺、观赏或其他植物生长需求的根区混合物。

在一些实施方案中，磷吸附剂被用作土壤改良剂来吸附和控制磷的释放，因为磷随着时间的推移被分别施加从而减少淋溶并改善植物吸收。用作土壤改良剂的磷吸附剂也可以吸附植物培养基中天然存在的磷，以减少淋溶并改善植物吸收。最后，磷吸附剂可用于提高磷饱和土壤的饱和点，这常见于高密度动物生产中随时间施用过量粪肥的地区。更有效地管理土壤中的磷还带来额外的好处，例如，根系发育增加、抗逆性提高和更高的产量。磷吸附剂可以用作土壤改良剂，或者作为增值成分掺入肥料混合物、土壤混合物或专业产品系列中。土壤改良剂可以提供给未负载、部分预负载或高度预负载磷的土壤。

在草皮和装饰行业中，土壤中通常含有丰富的磷，因此当土壤改良剂以未负载状态施用以简单吸收和控制土壤中已存在的磷时更具性价比。在其他实施方案中，土壤改良剂可以通过美国专利第6,287,357号或美国专利第7,485,171号中描述的方法预负载磷，这两个专利均通过引用并入本文。

对包括磷吸附剂的土壤改良剂预负载磷的制造工艺已经进行了进一步开发。在一些实施方案中，该工艺包括选择最具性价比的磷源以在吸附材料上预负载最大量的磷，改进负载方案，并改进最终产品的化学性质，以按照特定作物所需的速率将磷释放回土壤中。用于预负载磷吸附剂的磷源包括但不限于不同浓度的磷酸、磷酸一铵(MAP)、磷酸二铵(DAP)、磷酸一钾(MKP)、磷酸二钾(DKP)或重过磷酸钙(TSP)。用于预负载磷吸附剂的磷源可以包括一种或多种磷源的混合物，以增加或减少负载到磷吸附剂上的磷的量，改变负载磷吸附剂的pH，和/或降低与磷吸附剂负载相关的成本。用于预载磷吸附剂的磷源可用于包含额外的植物营养素，例如氮、钾、铁和植物生长所需的其他微量营养素。为了在磷吸附剂用作土壤改良剂之前对其进行预载，除了人为磷源，还可使用一种或多种这些其他磷源，或联合使用。

在一些实施方案中，磷吸附剂的负载容量，即在恒定流速下从已知水溶液中吸附的磷的最大重量，通过对吸附剂在接近或达到初始负载容量后干透处理而显著增加。在一些实施方案中，干燥持续至少12小时，或者12至24小时，或者至少24小时，或者其间的任何值、范围或子范围。干燥后的吸附剂再次暴露于含水磷源，使其超过吸附剂的初始负载容量之外额外吸附负载磷。不希望受理论约束，拒信允许吸附剂在一段时间内干透使得水溶液中的磷在孔隙空间内扩散更深，从而允许更多的磷被吸附在磷吸附剂的表面上。

在一些实施方案中，当含水磷源含有中等至高水平的盐且在性质上是微咸的(brackish)时，例如水产养殖生产中的污水，高浓度的盐，例如钠盐，降低吸附容量，因为盐干扰结合有磷的磷吸附剂的表面上和孔隙空间内发生的吸附。在一些实施方案中，微咸的含水磷源的钠含量为至少百万分之100(ppm)，或者至少250ppm，或者至少500ppm，或者至少750ppm，或者至少1000ppm。用淡水冲洗吸附剂能冲洗掉盐而冲洗不掉大部分已经吸附的磷，从而清洁孔隙空间，以增加吸附容量，并通过吸附剂的吸附作用继续除磷。

在一些实施方案中，用于预负载磷吸附剂的磷来自人为磷源。在一些实施方案中，人为磷源是人为污染源。在一些实施方案中，人为磷源是人为修复源。在一些实施方案中，人为磷源是直接或间接排放到环境中的水溶液，并且在排放发生之前可以合法地要求处理。合适的人为磷源可包括但不限于雨水、废水、农业径流、运河水、蓄水池、粪池、水产养殖废水、来自磷矿开采和加工的废水，或可能存在磷的其他工业废水。磷吸附剂也可用于处理人为磷源最终去往的水体，包括但不限于湖泊、池塘、河流、运河和水坝。

在一些实施方案中，修复过程以被排放到环境中的一种或多种特定人为磷源为目标。相同或相似的磷吸附剂可用于从各种污染源中去除磷。吸附剂是不可溶的固相基质，可过滤富磷溶液，且随着时间的推移，溶液中的磷酸盐与吸附剂材料接触，从而被其吸附。目标人为磷源可包括但不限于雨水、废水、农业径流、运河水、蓄水池、粪池、水产养殖废水或工业废水，例如来自磷矿开采和加工的工业废水。这些处理应用可涉及静水/积水、流水或二次处理。静水/积水源包括几乎不移动的水，例如池塘、泻湖或湖泊。流水源包括任何具有明显移动的溶液，例如，雨水、河流或运河水。二次处理水源需要一次处理，以去除干扰吸附潜力的污染物或固体，例如农业径流、工业废水、粪水或废水。顾名思义，去除磷的解决方案是作为二次处理或精加工步骤实施的，旨在捕获一次处理技术未捕获的剩余溶解磷。每种类型的处理应用可能需要稍微不同的实施策略。

最终，将每年排放到环境中的6200万吨磷中的大部分捕获，并重新用于生产以尽可能多地替代每年用作肥料的5000万吨磷，能够减少全球对有限储量的磷的依赖，而全球磷储量目前正以惊人速度枯竭。在这样的实施方案中，从污染源捕获磷的相同的一种或多种磷吸附剂可以将磷输送到需要磷作为肥料的位置。吸附剂作为载体，从富磷溶液中捕获和回收磷，并将其输送到土壤中，在土壤中，磷以受控的速率释放，显示可减少最多88％的磷淋溶回到环境中。

在一些实施方案中，水过滤系统提供足够的磷源和磷吸附剂之间的接触时间，使得磷能被吸附到磷吸附剂上并最终用于植物施肥。通过将磷吸附剂添加到含磷的水中，磷吸附剂被水中的磷负载。在一些实施方案中，将吸附剂添加到废物料流、矿区、污染的废物料流和/或具有含高水平磷的水的田地中，以从土壤和/或水中捕获和/或去除磷。因此，水过滤提供了一种给植物施肥的方法，同时还具有提高水和/或土壤质量以备将来使用的能力。

在一些实施方案中，磷吸附剂以未负载的状态提供到植物培养基中，而磷已经存在于植物培养基中，或者由磷肥或另一种磷源如有机材料或生物制剂分别供应。

在一些实施方案中，将一种固相磷吸附剂提供给植物培养基，以使植物培养基中的磷可用性正常化。术语“植物培养基”应作广义解释，应理解该术语包括但不限于天然土壤、含有添加剂的土壤或其混合物，以及水培和气培培养基。天然土壤的常见例子包括但不限于沙土、粉土、粘土、泥炭土、盐渍土和壤土。这些土壤可以在各种可能出现植物生长的地理位置找到，如田地、花园和高尔夫球场。土壤添加剂的例子可以包括无机土壤改良剂，如石灰、硫磺、石膏、珍珠岩和蛭石。水培培养基的常见例子包括岩棉、轻质膨胀粘土集料、椰子纤维/椰子碎片、生长石、珍珠岩、泥炭和蛭石。

磷吸附剂可以在种植前或种植后添加到植物培养基中，尽管种植前施加可能更容易。例如，在由于以前大量施用磷肥和/或动物粪肥而具有高磷浓度的植物培养基中，或者如果植物由于生长阶段或环境条件而生长缓慢，固体吸附剂可以持续的方式吸收过量的磷，以使土壤中的磷水平正常化和/或促进正常的植物生长。除了降低具有高浓度磷的植物培养基中磷的可用性之外，植物培养基和固体吸附剂之间的交换平衡可以随着时间的推移提供足够的磷营养，而不需要种植者监测，有时不需要任何额外的磷施肥。

在另一个例子中，如果植物培养基中磷的浓度是最佳的，植物培养基和磷吸附剂之间的化学平衡可能会向土壤中释放更多的磷，因为随着时间的推移，植物吸收会使可用磷的储备池贫化。以此方式，从吸附剂中释放的磷可以与植物的磷需求成比例。

在植物培养基中营养素保持能力低的区域，磷吸附剂可以通过增加营养素保持能力和减少淋溶来增加植物培养基中的总磷浓度。一旦达到优选的浓度，这种浓度可以根据植物的需求长期保持。在需要额外的磷的情况下，吸附剂可以通过随后的肥料施用来补充，例如，使用包含与标准农业施肥系统兼容的磷酸浓度范围的含磷液体。含磷液体应与贫化的吸附剂保持接触足以恢复吸附剂所需的磷浓度的时间。

将磷吸附剂施加至植物培养基以影响植物培养基中磷的浓度和/或磷的可用性可以追溯到吸附剂将磷吸附到其表面的能力。吸附剂化学结合磷的能力在各种情况下是有利的。例如，在含有高浓度磷的植物培养中，吸附剂可以通过吸附磷来防止磷淋溶，从而防止磷从植物培养基中淋溶。此外，磷的吸附可以控制植物培养基中磷的水平，这有利于植物更好的生长，更具体地说是根的生长。在已经存在目标浓度磷的植物培养基中，结合到吸附剂上的磷可以缓慢地解吸并以持续的方式释放到植物培养基中，这取决于植物培养基中可用磷储备池的贫化。在磷浓度低的植物培养基中，吸附剂可以通过吸附来增加磷的浓度，一旦达到目标浓度，就可以根据植物的需要通过额外施用磷肥来长期保持这样的磷浓度。

在植物培养基中缓冲磷的能力是吸附剂的有利方面，因为控制植物培养基中磷的可用性可以促进根的生长。磷在土壤中是相对固定的营养素，这意味着根通过拦截磷源来获取磷。如果植物培养基中磷过量且易得，则根可以容易地获得磷，而根不必延伸通过植物培养基。然而，如果磷的可用性以这样的方式被控制，即根必须进一步延伸到整个植物培养基中以拦截足够的磷来维持植物生长，那么植物将消耗资源用于根发育，导致根的质量增加、根毛发育如长度和密度和/或根深度的增加，以拦截额外的磷来吸收。增加根的生长、根的质量和/或根深对植物是有利的，原因有很多，包括但不限于提高耐旱性、增加抗病性、更好的获取营养素和水分、增加移植成功率、增加幼苗存活率和增加种子发芽率。控制磷可用性的其他好处包括植物生长调节，如减少节间长度和更均匀的开花，这两者对消费者来说都是更理想的品质性状，尤其是对观赏植物而言。

本领域技术人员认识到磷淋溶对环境的负面影响。从土壤或其他植物培养基中流失的磷有可能在地表水中积累。磷的积累会导致藻类和蓝细菌的过度生长，从而导致可用溶解氧减少、产生有害毒素和富营养化。这些情况对水生生物非常有害。

关于在为目标植物提供营养的同时缓冲磷的淋溶，沙质土壤和磷保持特性较低的其他土壤通常需要较多的磷吸附剂，而磷保持特性较高的粘土和磷饱和土壤通常需要较少的磷吸附剂。因此，吸附剂可施加至各种植物培养基，导致植物培养基中的游离磷水平降低至少约：1％、5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％或更多，其中一部分吸附剂颗粒具有较小的直径。或者，吸附剂可以应用于各种植物培养基，导致植物培养基中的游离磷水平降低至少约:1％-5％、1％-10％、1％-15％、1％-20％、1％-25％、1％-30％、1％-35％、1％-40％、1％-45％、1％-50％、1％-55％、1％-60％、5％-10％、5％-15％、5％-20％、5％-25％、5％-30％、5％-35％、5％-40％、5％-45％、5％-50％、5％-55％、5％-60％、10％-15％、10％-20％、10％-25％、10％-30％、10％-35％、10％-40％、10％-45％、10％-50％、10％-55％、10％-60％、15％-20％、15％-25％、15％-30％、15％-35％、15％-40％、15％-45％、15％-50％、15％-55％、15％-60％、20％-25％、20％-30％、20％-35％、20％-40％、20％-45％、20％-50％、20％-55％、20％-60％、25％-30％、25％-35％、25％-40％、25％-45％、25％-50％、25％-55％、25％-60％、30％-35％、30％-40％、30％-45％、30％-50％、30％-55％、30％-60％、35％-40％、35％-45％、35％-50％、35％-55％、35％-60％、40％-45％、40％-50％、40％-55％、40％-60％、45％-50％、45％-55％、45％-60％、50％-55％、50％-60％、55％-60％或更多，其中一定比例的吸附颗粒具有小的直径。

磷吸附剂可以通过将已知量的吸附剂分布在植物培养基的表面，然后将吸附剂掺入或混合在植物培养基中来施加。将吸附剂分布到植物培养基通常包括使用本领域技术人员已知的方法计算待处理的植物培养基的体积，测量待进入用于分布干肥料的农业设备例如撒播机的吸附剂的体积，并以计算的速率将吸附剂输送到植物培养基中。所需吸附剂的量可由本领域技术人员计算，并根据植物培养基的特性和植物种类的需要而变化。在一些实施方案中，在植物培养基表面施加吸附剂的方法对多种植物品种有益，包括但不限于金盏花、凤仙花、杜鹃花、连翘、番茄、普通豆类、菊花、草皮和/或辣椒。结果，植物可以维持增加的根生长、增加的水分和营养素获取、更好的耐旱性、更快的建立和恢复、减少的营养素淋溶、更高的产量、增加的移植成功率和存活率、更快的发芽率和增加的生物量。

预计较小尺寸的磷吸附剂颗粒，例如尺寸为1.19mm或更小或尺寸为0.297mm至1.19mm，在含高浓度磷的植物培养基中特别有效，例如用于在粪肥和肥料产生大量磷处的作物生长用植物培养基。对本领域技术人员来说，磷的淋溶是众所周知的问题，通过施加较小尺寸的吸附剂颗粒，单位重量的表面积增加有望促进更有效的磷吸附。如上所述，将吸附剂施加至植物培养基不仅可以防止磷的淋溶，还可以提供一种缓冲，在必要时允许磷解吸到植物中。

在一些实施方案中，较大的磷吸附剂颗粒，例如尺寸为1.19mm或更大或尺寸为1.19mm至2.38mm，可以与上述较小的磷吸附剂颗粒结合提供或代替其提供。尽管较大的颗粒尺寸具有较低的单位重量表面积，从而需要额外量的磷酸盐吸附剂来提供相同的磷吸附能力，但是较大的颗粒相比较小的颗粒具有一定的优势，即可能保障其夹杂物。例如，较大的磷吸附剂颗粒允许较多的氧，并在根区内提供更好的排水。

将磷吸附剂掺入植物培养基中可以通过多种方法完成，包括但不限于犁、实心叉、耕、追肥、垂直切割、干注入、湿注入或使用本领域技术人员已知的方法将植物培养基曝气至所需深度。磷吸附剂可以通过使用本领域技术人员已知的方法掺入土壤混合物、肥料混合物、特殊产品和改良剂中，以确保均匀混合发生。掺入方法应该将吸附剂均匀地分布在植物培养基中，优选的，将吸附剂在发芽种子或植物的根区中和根区下方最普遍。也可以使用本文所述将吸附剂颗粒掺入植物培养基的相同方法，在已种植的作物田中于增加的收割周期之间或期间进行吸附剂的掺入，注意不要破坏作物的根结构。在生长的植物之间施用植物培养基可以起到缓冲磷从暴露的植物培养基中淋溶和径流的作用。由于吸附剂颗粒因溶解度低而不太可能降解，因此掺入一些植物培养基中的吸附剂将保留原地多年，以随着时间的推移继续缓冲磷。

在一些实施方案中，磷吸附剂可以施加在植物培养基的顶部上或特定深度处，包括在植物培养基内以捆扎方式和/或以各种空间定位施加吸附剂。吸附剂所施加到植物培养基中的捆扎和/或空间定位允许磷吸附，并且因此允许植物培养基内的某些深度的磷供应。吸附剂的捆扎可以促进所需植物物种的根生长和/或允许通过将磷置于某些入侵物种不能获得营养素的根区中的特定位置来选择某些植物物种。因此，通过在一定深度处捆扎吸附剂，有可能将磷的可用性局部化在一定深度处。

磷可用性的局部化可以允许根生长的局部化，因为许多植物物种的根生长可以响应磷的可用性。与常规的施肥方法相比，使用捆扎和/或空间局部化磷可以允许产生较深的生根。图1示出了结合位置10中的磷吸附剂，该位置从表面12向下延伸经过根系14的底部。图2示出了在表面12以下的增长位置20中的磷吸附剂，增长位置20在根系14的中途并向下延伸至根系14的底部。较深的生根有多种好处，包括提高营养素利用效率，减少硝酸盐淋溶，提高植物对温度和干旱胁迫的耐受性。图3示出了盆栽位置30中的磷吸附剂，该位置开始于根系14的底部附近，并进一步在表面12之下向更远处延伸，以促进向下的根生长。

在一些实施方案中，植物培养基可以通过刺穿表面至特定深度来曝气，以产生具有特定间距的特定齿直径的小孔。随后，磷吸附剂可以施加到这些孔。图4示出了施加至离散曝气位置40的磷吸附剂，该位置从表面12向下延伸经过根系40的底部。这些孔可以制成于距植物培养基表面至少约：0.5cm、0.75cm、1cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm、55cm、60cm或更深处。或者，这些曝气孔可以制成于距植物培养基表面的至少约：0cm-1cm、1cm-5cm、1cm-5cm、1cm-15cm、1cm-20cm、1cm-25cm、1cm-30cm、1cm-35cm、1cm-40cm、1cm-45cm、1cm-50cm、1cm-55cm、1cm-60cm、5cm-10cm、5cm-15cm、5cm-20cm、5cm-25cm、5cm-30cm、5cm-35cm、5cm-40cm、5cm-45cm、5cm-50cm、5cm-55cm、5cm-60cm、10cm-15cm、10cm-20cm、10cm-25cm、10cm-30cm、10cm-35cm、10cm-40cm、10cm-45cm、10cm-50cm、10cm-55cm、10cm-60cm、15cm-20cm、15cm-25cm、15cm-30cm、15cm-35cm、15cm-40cm、15cm-45cm、15cm-50cm、15cm-55cm、15cm-60cm、20cm-25cm、20cm-30cm、20cm-35cm、20cm-40cm、20cm-45cm、20cm-50cm、20cm-55cm、20cm-60cm、25cm-30cm、25cm-35cm、25cm-40cm、25cm-45cm、25cm-50cm、25cm-55cm、25cm-60cm、30cm-35cm、30cm-40cm、30cm-45cm、30cm-50cm、30cm-55cm、30cm-60cm、35cm-40cm、35cm-45cm、35cm-50cm、35cm-55cm、35cm-60cm、40cm-45cm、40cm-50cm、40cm-55cm、40cm-60cm、45cm-50cm、45cm-55cm、45cm-60cm、50cm-55cm、50cm-60cm、或55cm-60cm或更深的范围内。将吸附剂施加至曝气孔可能导致孔更快地关闭，这可能有助于高尔夫球场关闭高尔夫草坪中的曝气孔。

磷吸附剂可以在距植物培养基表面至少约：0cm、1cm、5cm、10cm、15cm、20cm、25cm、30cm、35cm、40cm、45cm、50cm、55cm、60cm或更深处以捆扎和/或以空间定位施加到植物培养基。或者，磷吸附剂可以在距植物培养基表面至少约：0cm-1cm、1cm-5cm、1cm-5cm、1cm-15cm、1cm-20cm、1cm-25cm、1cm-30cm、1cm-35cm、1cm-40cm、1cm-45cm、1cm-50cm、1cm-55cm、1cm-60cm、5cm-10cm、5cm-15cm、5cm-20cm、5cm-25cm、5cm-30cm、5cm-35cm、5cm-40cm、5cm-45cm、5cm-50cm、5cm-55cm、5cm-60cm、10cm-15cm、10cm-20cm、10cm-25cm、10cm-30cm、10cm-35cm、10cm-40cm、10cm-45cm、10cm-50cm、10cm-55cm、10cm-60cm、15cm-20cm、15cm-25cm、15cm-30cm、15cm-35cm、15cm-40cm、15cm-45cm、15cm-50cm、15cm-55cm、15cm-60cm、20cm-25cm、20cm-30cm、20cm-35cm、20cm-40cm、20cm-45cm、20cm-50cm、20cm-55cm、20cm-60cm、25cm-30cm、25cm-35cm、25cm-40cm、25cm-45cm、25cm-50cm、25cm-55cm、25cm-60cm、30cm-35cm、30cm-40cm、30cm-45cm、30cm-50cm、30cm-55cm、30cm-60cm、35cm-40cm、35cm-45cm、35cm-50cm、35cm-55cm、35cm-60cm、40cm-45cm、40cm-50cm、40cm-55cm、40cm-60cm、45cm-50cm、45cm-55cm、45cm-60cm、50cm-55cm、50cm-60cm、或55cm-60cm或更深处以捆扎和/或以空间定位中施加到植物培养基。

磷吸附剂可施用于容器栽培植物或田间生长植物，例如谷物、作物、蔬菜、草、医用大麻、大麻、树木、灌木等。所述吸附剂对于温室和苗圃植物、观赏繁殖、蔬菜和苗床移植，以及对于用于运动场、草皮农场、公园、高尔夫球场、草坪等的草皮可以是特别有用的，这些地方的磷淋溶是监管机构的特别关注点。所述吸附剂对移植可以特别有用，因为它促进根生长，从而提高移植成功率。

在一些实施方案中，可以根据磷吸附剂的pH来选择其应用。吸附剂及掺入吸附剂的生长培养基的pH，影响磷的吸附/解吸动力学。在一些实施方案中，选择吸附剂的pH以平衡磷吸附和磷释放控制相关的多种因素。吸附剂还自然地缓冲土壤pH，使土壤能够抵抗pH随时间的变化。土壤pH的变化可以是因为多种原因，包括但不限于季节/天气变化、肥料或其他产品的施加或灌溉用水。缓冲土壤pH的能力是吸附剂的额外优势，但也可能是确定用于最有效缓冲磷并符合植物需求的优选产品pH的因素。

在一些实施方案中，磷吸附剂具有碱性的pH。例如，选择磷吸附剂的pH为至少约：8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0或更高的酸碱度。或者，选择磷吸附剂的pH为至少约:8.0-8.5、8.0-9.0、8.0-9.5、8.0-10.0、8.0-10.5、8.0-11.0、8.5-9.0、8.5-9.5、8.5-10.0、8.5-10.5、8.5-11.0、9.0-9.5、9.0-10.0、9.0-10.5、9.0-11.0、9.5-10.0、9.5-10.5、9.5-11.0、10.0-10.5、10.0-11.0、10.5-11.0或更高的酸碱度。具有碱性pH的磷吸附剂允许所吸附磷较快且较容易地解吸。

在一些实施方案中，磷吸附剂具有酸性的pH。例如，选择磷吸附剂的pH为至多约:6.0、5.5、5.0、4.5、4.0、3.5、3.0或更低的酸碱度。或者，可以选择所选磷吸附剂的pH为至多约:5.5-6.0、5.0-6.0、4.5-6.0、4.0-6.0、3.5-6.0、3.0-6.0、5.0-5.5、4.5-5.5、4.0-5.5、3.5-5.5、3.0-5.5、4.5-5.0、4.0-5.0、3.5-5.0、3.0-5.0、4.0-4.5、3.5-4.5、3.0-4.5、3.5-4.0、3.0-4.0、3.0-3.5或更低的酸碱度。具有酸性pH的磷吸附剂使所吸附的磷较慢且较不易地解吸。

磷吸附剂的施用不限于作为磷的缓冲剂。所述吸附剂可以作为多种植物在植物培养基中生长所必需的任何营养物的直接和/或间接缓冲剂。向植物培养基中施加至吸附剂可能影响的营养素包括但不限于氮、钾、铁、钙、镁和硫。所述吸附剂还可以缓冲植物生长所需的其他微量营养素，包括硼、锰、氯、铜、锌和钼。

实施例

本发明在以下实施例的上下文中进一步描述，这些实施例以说明的方式提出，而非限制。

实施例1

将活性矾土作为磷吸附剂装载到柱子上。将含有7.87mg/g溶解磷的水溶液连续加到柱的顶部，并通过重力流过该柱。在柱的底部按照预定的体积收集流出物，并测试磷含量。最初的35升连续流动并收集，然后停止，使柱子干燥过夜。第二天，继续流动和收集，以收集另外8升流出物。

图5显示了在不同收集阶段流出物中所测的磷含量。从收集第2升到收集第35升，所测磷含量增加到超过3000ppm。然而，干燥后，所测磷含量下降到500ppm以下，然后又缓慢增加。干燥后再次暴露于含水磷源允许超过吸附剂初始负载容量的额外的磷吸附负载。

实施例2

将来自佛罗里达州南部大沼泽地农业区(EAA)的运河水作为人为磷源来测试磷吸附剂的收集情况，并与含磷的去离子(DI)水进行比较。

随着样品pH的增加，DI水和运河水之间的最大吸附容量(q

实施例3

一般来说，在存在磷吸附剂的情况下，来自DI水和运河水的所有样品都会趋向中性。图7示出了运河水的这种趋势。这说明了磷吸附剂对体系的缓冲能力。对于运河水来说，这种中和作用更加平衡，三种最碱性的土壤变得更加酸性，而三种最酸性的土壤趋向于更高的pH。在水分的存在下，氧化铝发生羟基化变成Al(OH)

实施例4

测定了磷吸附剂对DI水和运河水中磷的吸附率和解吸率。表1显示了在不同的pH下，矾土对DI水中磷的吸附率和解吸率。表2显示了在不同的pH下，矾土对运河水中磷的吸附率和解吸率。

表1.

表2.

令人惊讶的是，在相同的pH下，与从DI水中吸附的磷相比，从运河水中吸附的磷被解吸/释放的百分比更高。这表明来自人为磷源的磷的另一个优势，即与DI溶液相比，用运河水中的磷负载矾土时再循环潜力更大。

实施例5

还测定了磷吸附过滤器的位置(深度)和液体流速对吸附运河水中的磷和过滤器寿命的影响。

对于过滤器的可变深度，使用3.6mg/L的固定输入磷浓度和1.0mL/min的固定流速。6cm的过滤器深度需要9天达到柱培养基的90％的耗尽，而9cm的过滤器深度需要14天，12cm的过滤器深度需要17天。6cm的过滤器深度在第1天发生磷穿透，9cm的过滤器深度在第3天，12cm的过滤器深度在第4天。排气和床深度之间的关系似乎相当一致，培养基深度越大，吸附容量递增。6cm的过滤器深度提供每g矾土6.61mg的磷去除，对于9cm的过滤器深度，增加至每g矾土7.32mg磷，对于最大过滤器深度12cm，增加至每g矾土8.21mg磷。

对于可变流速，使用固定的3.6mg/L输入磷浓度和9cm过滤器深度。0.5mL/min的流速在24天内达到90％的耗尽，而1.0mL/min的流速只需要17天就达到90％的耗尽，2.0mL/min的流速需要7天。对于0.5mL/min的流速，磷穿透发生于第9天，对于1.0mL/min的流速在第3天，对于2.0mL/min的流速在第1天。最高流速具有最低的磷吸附，这表明在暴雨事件期间EAA高容量抽水时，对可溶性磷的吸附可能不显著。从最低流速0.5mg/min观察到最高的磷吸附率，为9.36mg/g。

对于1.0mL/min的流速，吸附减少到7.32mg/g，对于最高(2.0mL/min)的流速，吸附减少到1.34mg/g。在较高的流速下，磷和磷吸附剂之间的接触时间较短，提供的吸附容量较小。在高流速下，在磷获得较低流速下所能达到的相同吸附率之前，吸附位点可能被其他离子占据。

综上所述，过滤器越深，持续时间越长，且水流穿过滤器越慢，过滤器持续时间越长。虽然流速越慢，过滤器持续的时间越长，但流速越慢导致吸附容量越高，意味着总磷的去除百分比越高。最终，以相同的速度和深度流过的磷浓度越高，导致过滤器耗尽得越快。综合流速、深度和磷浓度很重要，因为在现实世界条件下，运河水会受到影响，原因是，在暴雨事件期间磷浓度较高时，较大比例的磷被吸附，这可能会部分或完全抵消高流速期间接触时间较短的影响。

虽然前面的说明书说明和描述了示例性实施方案，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行各种改变，并且等同物可以替代其元件。此外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，根据本发明的教导，可以进行许多修改以适应特定的情况或材料。因此，意图是本发明不限于作为实施本发明的最佳方式公开的特定实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施方案。