基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法及应用 |
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| 申请号 | CN202410115766.8 | 申请日 | 2024-01-29 | 公开(公告)号 | CN117865726A | 公开(公告)日 | 2024-04-12 |
| 申请人 | 西安理工大学; | 发明人 | 潘峰; 魏红; 宋俊其; 黄玉龙; 高美娟; 张泽慧; 滕锐杰; 井帅帅; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、将荞麦皮用去离子 水 洗涤，干燥后 粉碎 过筛；步骤2、过筛后的荞麦皮进行色素提取；步骤3、将步骤2中处理后的的荞麦皮与无水氯化 钙 混合振荡；步骤4、步骤3混合物 热解 过筛，得到CaCl2改性荞麦皮 生物 炭 ；步骤5、将生物炭置于富磷溶液的锥形瓶中，密封振荡，然后抽滤固体并烘干，得到缓释磷肥。本发明制备简单，节约环保，同时解决 水体 中磷过量和 土壤 中磷缺失的问题，另一方面，缓释磷肥加入土壤中，缓慢释放磷，避免传统化学磷肥所出现的磷流失问题，还可以改善土壤理化性质，减少土壤容重，增加土壤有机质含量。 | ||||||
| 权利要求 | 1.基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施： |
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| 说明书全文 | 基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法及应用技术领域[0001] 本发明属于新型农业化肥制备方法技术领域，具体涉及基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，还涉及该缓释磷肥的应用。 背景技术[0002] 磷作为植物生长的必要元素，对植物生长有着重要意义。然而土壤中磷缺乏是一直存在的问题，农田施用的磷肥有70‑80％渗入地下水和地表水，导致土壤持续缺磷。与此同时，随着我国工、农业经济的快速发展和城镇化的不断推进，水体富营养化程度加重，严重危害自然环境和人类用水安全，有效回收磷是解决水体富营养化的关键。 [0003] 生物质是双碳领域的重要组成部分，利用农林废弃物如瓜果壳、皮等制备多孔生物炭，成本低，在有效回收磷的同时，还可以将回收磷后的生物炭作为缓释磷肥施用于土壤，达到改善土壤性质，增加作物产量的双重目的，同时实现了“碳”与“磷”的自然循环，有效解决水体富营养化的问题。 发明内容[0004] 本发明的目的是提供基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，能够有效解决水体中磷污染的问题。 [0005] 本发明的另一目的是提供上述缓释磷肥在农田种植中的应用。 [0006] 本发明所采用的技术方案是，基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，具体按照以下步骤实施： [0007] 步骤1、将荞麦皮用去离子水洗涤，干燥后粉碎过筛； [0008] 步骤2、过筛后的荞麦皮进行色素提取； [0009] 步骤3、将步骤2中处理后的的荞麦皮与无水氯化钙混合振荡； [0011] 步骤5、将CaCl2改性荞麦皮生物炭置于富磷溶液的锥形瓶中，密封振荡，然后抽滤固体并烘干，得到缓释磷肥。 [0012] 本发明的特点还在于， [0013] 步骤1中去离子水洗涤后的荞麦皮于105℃的烘箱中干燥，粉碎并过30目筛。 [0014] 步骤2中过筛后的荞麦皮用60％的无水乙醇进行色素提取，并重复三次，每次操作30min～60min，然后用去离子水清洗，并在烘箱105℃下干燥12h～24h。 [0015] 步骤3具体为：取无水氯化钙在105℃下烘干，直至恒重，然后将步骤2中处理后的‑1荞麦皮与无水氯化钙按照1:1的质量比混合，加水搅拌，放入恒温摇床在25℃、150r·min的条件下振荡12h，使荞麦皮充分浸渍后在105℃的条件下烘干。 [0017] 步骤5具体为：称取5g步骤4中所得到的CaCl2改性荞麦皮生物炭放入装有200ml浓‑1 ‑1度为1000mg·L 的富磷溶液锥形瓶中，用薄膜密封，在25℃、150r·min 的条件下振荡 24h，抽滤固体并在105℃下烘干12h～24h。 [0018] 步骤5中的富磷溶液为K2HPO4所配制。 [0019] 本发明的有益效果是， [0020] 1.本发明基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，制备简单，节约环保，同时解决水体中磷过量和土壤中磷缺失的问题，另一方面，缓释磷肥加入土壤中，缓慢释放磷，避免传统化学磷肥所出现的磷流失问题，还可以改善土壤理化性质，减少土壤容重，增加土壤有机质含量； [0021] 2.本发明基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法所制备的缓释磷肥，具有丰富的‑7孔隙结构和表面官能团，磷以CaHPO4的形式负载于生物炭表面，CaHPO4的KSP为＝1×10 ，大小适中，不会出现磷释放过快和过慢问题。此外，缓释磷肥中还富含大量的C、N、H和Ca等多种植物所必须的营养元素，为植物营造一个良好的生长环境。 附图说明 [0022] 图1是本发明的流程图； [0023] 图2是本发明缓释磷肥扫描电镜图； [0024] 图3是缓释磷肥水体释磷图； [0025] 图4是缓释磷肥和化学磷肥土壤释磷图； [0026] 图5是盆栽试验植株根长与茎长图； [0027] 图6是盆栽试验植株干重与湿重图； [0028] 图7是盆栽试验植株叶绿素a和叶绿素b含量图。 具体实施方式[0029] 下面通过具体实施方式和附图对本发明进行详细说明。 [0030] 本发明基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，如图1所示，具体按照以下步骤实施： [0031] 步骤1、将荞麦皮用去离子水洗涤，然后于105℃的烘箱中干燥，粉碎并过30目筛； [0032] 步骤2、过筛后的荞麦皮用60％的无水乙醇进行色素提取，并重复三次，每次操作30min～60min，然后用去离子水清洗，并在烘箱105℃下干燥12h～24h； [0033] 步骤3、取无水氯化钙在105℃下烘干，直至恒重，然后与步骤2中处理后的荞麦皮和烘干后的无水氯化钙按照1:1的质量比混合，加水搅拌，放入恒温摇床在25℃、150r·‑1min 的条件下振荡12h，使荞麦皮充分浸渍后在105℃下烘干； [0034] 步骤4、取适量步骤3中的混合物置于坩埚，放入马弗炉，在氮气氛围下以5℃·‑1min 升温至700℃，保温2h，待马弗炉自行冷却至室温后取出，研磨，过100目筛，即可得到 700℃条件下CaCl2改性荞麦皮生物炭； [0035] 步骤5、称取5g步骤4中的CaCl2改性荞麦皮生物炭放入装有200ml浓度为1000mg·‑1 ‑1L 的富磷溶液的锥形瓶中，用薄膜密封，在25℃、150r·min 的条件下振荡24h，抽滤固体并在105℃下烘干12h～24h，得到缓释磷肥； [0036] 步骤5中的富磷溶液为K2HPO4所配制。 [0037] 将步骤5得到的缓释磷肥在水体中的释磷效果进行测试，取1g缓释磷肥放入装有200ml去离子水的锥形瓶中，使用密封膜将其密封，连续振荡15天，每天固定时间测定锥形瓶中的磷浓度。 [0039] 缓释磷肥施加量为土壤质量的1％，荞麦植株生长指标包括荞麦植株的茎长和根长，湿重和干重，叶片叶绿素a和叶绿素b含量。 [0040] 实施例1 [0041] 基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，具体为：将市场上所购得的荞麦皮经去离子水洗涤，105℃的烘箱中干燥，粉碎并过30目筛，用60％的无水乙醇进行色素提取，重复三次，去离子水清洗，105℃条件下干燥至恒重备用。然后取适量无水氯化钙在105℃条件下烘干，直至恒重备用。将干燥后的荞麦皮和无水氯化钙按照1:1的质量比混合，放入恒温摇‑1床在25℃、150r·min 的条件下振荡12h，使荞麦皮充分浸渍后105℃烘干。取上述步骤所得‑1 的混合样品置于坩埚，放入马弗炉，氮气氛围下以5℃·min 升温至700℃，保温2h，待马弗炉自行冷却至室温后取出，研磨，过100目筛，即可得到700℃条件下CaCl2改性荞麦皮生物炭。用同样的方法将无添加CaCl2荞麦皮在700℃条件下制备无添加CaCl2生物炭。 [0042] 对添加CaCl2和无添加CaCl2生物炭进行孔隙结构和理化性质测试，如表1和表2所示： [0043] 表1生物炭的孔隙结构参数 [0044] 2 ‑1 3 ‑1样品 改性剂 SBET(m·g ) Vtot(cm·g ) Dp(nm) 1 无添加 438.66 0.28 2.45 2 CaCl2 82.76 0.20 9.21 [0045] 注：SBET：比表面积；Vtot：总孔体积；Dp：平均孔径 [0046] 表2生物炭的理化性质 [0047] [0048] 将添加CaCl2的生物炭与富磷溶液置于锥形瓶中在恒温摇床中振荡，用薄膜密封‑1在25℃、150r·min 的条件下振荡24h，抽滤固体并在105℃下烘干，得到缓释磷肥，缓释磷肥的形貌特征可以用扫描电镜观察，如图2所示。 [0049] 对所得缓释磷肥的在水体中的释磷效果进行测试，取1g缓释磷肥放入装有200ml‑1去离子水的锥形瓶中，使用密封膜将其密封，25℃、150r·min 的条件下连续振荡15天，每‑1 天固定时间测定锥形瓶中的磷浓度。如图3所示，第1天释磷浓度为59.33mg·L ，第15天的‑1 释磷浓度为119.15mg·L ，验证了缓释磷肥在水体中缓释性能，为后续实际应用到土壤中奠定了基础。 [0050] 实施例2 [0051] 对所得缓释磷肥在土壤中的应用进行验证，设置4个组的盆栽试验，分别为空白‑1组、生物炭组、缓释磷肥组(磷含量为65.44mg·g )和化学磷肥组(P2O5,12％)。每个组设置 3个平行试验。将取回的农田土自然风干，研磨至过100目筛，每个花盆装入1.00(±0.01)kg土壤。空白组不加生物炭，生物炭组加入10g无添加CaCl2生物炭，缓释磷肥组加入10g缓释磷肥，化学磷肥组加入5.45g(该值由缓释磷肥磷含量计算得出)过磷酸钙(P2O5,12％)。将生物炭与土壤掺杂均匀后，每盆播种10粒经10％H2O2处理后的荞麦种，浇灌去离子水，置于光照充足的阳台进行培育，记录种子发芽情况；分别在播种后的第0、3、6、9、12、15天测定缓释磷肥组和化学磷肥组盆栽表层土壤磷含量变化。播种15天后收获，使用直尺测量荞麦苗茎长和根长，使用分析天平测量荞麦苗湿重和干重，使用研磨法测量4个试验组荞麦苗叶片叶绿素a和叶绿素b含量，使用环刀法测量4个试验组土壤容重。 [0052] 根据盆栽试验，测定土壤理化性质和种子发芽率，如表3所示： [0053] 表3经过不同处理方式土壤的理化性质和种子发芽率 [0054] [0055] 由表3可以看出，与空白组相比，生物炭组和缓释磷肥组的荞麦发芽率分别提高了10％和13％。主要原因是添加生物炭后土壤容重减少，生物炭组和缓释磷肥组的容重分别减少了15％和11.4％。容重越小，土壤孔隙结构越疏松多孔，能够更好地保持土壤中的水分，为种子发芽提供适宜的生长环境。化学磷肥组与空白组相比，发芽率降低33.33％，这与磷肥有利于作物生长的公认观点相悖。主要原因是施用磷肥导致土壤pH值下降(从8.69降‑3 至7.97)，土壤容重增加(从1.23升至1.58g·cm )，土壤结构变得紧密，缺乏颗粒结构，不利于种子发芽。而缓释磷肥的施加，不但对土壤pH值影响不大，而且还能减小土壤容重，增加土壤有机质含量和磷含量，在没有给土壤造成不良影响的前提下，还能增加土壤肥力，有利用作物的生长。从长期来看，缓释磷肥不会给土壤性质造成不良影响。 [0056] 实施例3 [0057] 根据荞麦盆栽试验，测定土壤磷含量变化相关数据，如图4所示，为缓释磷肥和化学磷肥土壤释磷图。分别在固定时间选取缓释磷肥组和化学磷肥组土壤进行磷释放试验，‑1 ‑1在15天内，缓释磷肥组磷释放量从0.021mg·g 到0.107mg·g ，释磷量缓慢上升，而化学‑1 ‑1 磷肥组则是由0.151mg·g 降低至0.119mg·g ，流失率达到21.2％。长期使用化学磷肥不但会加重土壤板结化，而且会导致磷流失，极大浪费了磷资源和污染水体环境，而缓释磷肥可以克服化学磷肥的这些缺点，更有助于作物的生长，是一种新型的可以完美替代传统磷肥的“磷肥”。 [0058] 根据盆栽试验种植荞麦情况，测定荞麦15天生长情况，如图5所示为盆栽试验荞麦植株根长和茎长图，图6为盆栽试验荞麦植株干重和湿重图，图7为盆栽试验荞麦植株叶绿素a和叶绿素b含量图。与空白组相比，生物炭组和缓释磷肥组的根长分别增加了0.96cm和3.46cm；茎长分别增加了3.20cm和6.10cm；湿重分别增加了0.07g和0.09g；叶绿素a含量分‑1 ‑1 ‑1 ‑1 别增加了0.08mg·g 和0.12mg·g ；叶绿素b含量分别增加了0.02mg·g 和0.03mg·g 。 生物炭组和缓释磷肥组的荞麦植株长势更好是因为经过生物炭处理的土壤拥有更高的有‑1 ‑1 ‑1 机质(SOM)含量，分别从3.62g·kg 增加到19.63g·kg 和15.83g·kg 。缓释磷肥组的植株生长得更好，这是因为缓释磷肥中的磷缓慢释放到土壤中，为植物生长提供了充足的养分。同时，也对比了空白组和化学磷肥组荞麦植株生长的相关指标，化学磷肥组荞麦植株的茎长、根长、湿重、叶绿素a和叶绿素b含量比空白组分别减少了4.93cm、0.50cm、0.05g、‑1 ‑1 0.31mg·g 和0.06mg·g 。通过盆栽试验可以得出结论：缓释磷肥组>生物炭组>空白组>化学磷肥组，证实本发明得到的缓释磷肥是一种新型的环保肥料。 [0059] 本发明基于荞麦皮为原料的缓释磷肥制备方法，同时为水体中磷过剩和土壤中磷缺失提出了解决方案。将回收磷的生物炭当做缓释磷肥用于农业荞麦再种植，同步实现污水中磷回收，土壤中磷有效利用的目的，制备的缓释磷肥可以减少土壤磷流失，降低土壤容重，增加土壤有机质和磷含量，促进荞麦生长，是一种很有前途的含磷缓释肥料，对农业废弃物资源化具有重大意义。 |
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