《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》是中國科學院合肥物質科學研究院於2012年12月27日申請的發明專利，該專利申請號為2012105778706，公布號為CN103044139A，專利公布日為2013年4月17日，發明人是姜疆、蔡冬清、余增亮、吳躍進。
《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》公開了一種活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術。輻照化學改性的凹凸棒土分散性增強，且在絮凝劑作用下可以在寡水環境中自組裝形成多層微納尺度的網路結構，同時利用高吸附性的生物碳將氮肥吸附連同未被吸附的氮肥一起嵌入該網路結構內部，將氮肥養分有效儲存於網路結構中，限制其自由遷移，實現對其環境流失的控制。該技術可以有效減少氮素遷移和流失，提高化肥的利用率，減少氮素流失對環境污染。該技術可以做到肥料減量減排、提高氮肥利用率、減少化肥施用量、環境友好、成本低廉、工藝簡單，對控制水體富營養化面源污染、保護生態環境有重要意義。
2019年5月16日，《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。
基本介紹
- 中文名：活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術
- 公布號：CN103044139A
- 公布日：2013年4月17日
- 申請號：2012105778706
- 申請日：2012年12月27日
- 申請人：中國科學院合肥物質科學研究院
- 地址：安徽省合肥市蜀山湖路350號
- 發明人：姜疆、蔡冬清、余增亮、吳躍進
- 代理機構：安徽合肥華信智慧財產權代理有限公司
- 代理人：余成俊
- Int.Cl.：C05G3/00(2006.01)I；C05G3/08(2006.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
中國是化肥生產和消費大國。截至2012年12月，中國的化肥利用率很低，氮、磷、鉀肥分別為25％至30％、10％至25％、35％至50％。截至2012年12月，中國每公頃化肥使用量達240公斤，單位面積施肥量是世界平均量的1.6倍。中國化肥利用率大大低於已開發國家水平，且化肥的使用效率呈下降的趨勢。全國每年因施肥造成氮流失達1650萬噸，經濟損失近千億元，重要的是帶來從空中到地下的嚴重的環境立體污染。對大氣，化肥對大氣的污染主要表現在施用化肥、化肥生產或貯運時排放的氨氣、溫室氣體等造成的直接污染。對土壤，土壤中的化肥在水的瀝濾作用下發生遷移從而流入江河、湖泊或進入地下水，構成水體富營養化的主要面污染源。對農產品，化肥最令人擔憂的是硝酸鹽的積累問題。生長在施用化肥土壤上的植物，可以通過根系吸收土壤中的硝酸鹽。若過度施肥，會導致大量的硝酸鹽積累於葉、莖和根中，危害取食的人類和牲畜。對土壤，化肥對土壤的污染，一方面大量施肥易引起土壤板結；另一方面大量施肥可能造成土壤中敏感生物種的減少和消滅，破壞農田生態平衡，影響生物多樣性。
一般來說，農作物對應分的吸收速度，在一個生長期中，大體呈S形，即開始較慢，隨後大大加快，以後又逐漸變慢。如果某種肥料能夠按作物的這種需肥規律供給養分，釋放出的養分很快被作物吸收，那么肥料養分損失就會大大降低，利用率就會大大提高，這就是緩釋/控釋肥料的最終目標。自從1942年脲醛肥料取得專利以來，78年來，緩釋肥料已有長足進步，近幾年又發展到控釋肥而且有一部分已經在農業生產中實際套用。特別是70年代以後，國外進行了大量研究，截至2012年12月，市場上以商業產品銷售的緩釋/控釋肥料已達數十種。 緩釋、控釋、複合高效和環境友好是肥料發展的總趨勢，研製並套用全營養控釋肥料是肥料科學的最終目標之一。美國、日本及西歐各國，正致力於套用現代技術，促進生產、研究（平衡施肥）和使用的結合，發展高濃度優質專用複合肥（已開發國家占肥料品種的80%，中國不到10%）和緩釋、控釋肥料。
20世紀60年代末，中國科學院南京土壤研究所在中國最早開始緩釋氮肥的研究。先後研製成功了碳酸氫銨粒肥以及以中國大量生產的鈣鎂磷肥為主要包膜材料的緩釋碳銨和緩釋尿素。此後，上海化工研究院、湖南、福建、山東、浙江等省農科院、瀋陽套用生態研究所、西北水保所、廣州氮肥廠和鄭州工業大學等開展了這方面的研究。近期，北京農林科學院和華南農業大學在包膜肥料方面進行了新的嘗試，已經開始中試。2004年中科院南京土壤研究所利用聚丙烯醯胺及殼聚糖包裹尿素製成的一種新型緩釋肥。中國緩釋肥料的價格一般高於普通肥料10-15%。
截至2012年12月，中國控釋肥的研究水平、生產及套用規模與美、日等國差距較大。多聚物包膜/脲酶抑制劑和硝化抑制劑組合，無論從農學還是環境觀點看，都不失為調節尿素N轉化的有效的生物化學途徑。但是，緩釋肥製作工藝複雜或生產成本太高限制其大面積推廣。因此，有必要發展一種新型、高效、低成本、工藝簡單、環境友好的化肥養分固定技術，彌補傳統緩釋肥料的不足，做到易為用戶接受，可大面積推廣，從而有利於緩解化肥流失對環境的污染。
發明內容
專利目的
《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》的目的是提供一種活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術。該技術可以有效減少氮素遷移和流失，提高化肥的利用率，減少氮素流失對環境污染。具體原理為：輻照化學改性的凹凸棒土分散性增強，且在絮凝劑作用下可以在寡水環境中自組裝形成多層微納尺度的網路結構，同時利用高吸附性的生物碳將氮肥吸附連同未被吸附的氮肥一起嵌入該網路結構內部，將氮肥養分有效儲存於網路結構中，限制其自由遷移，實現對其環境流失的控制。
技術方案
《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》包括以下步驟：
（1）將100-800目膠體級凹凸棒土與氫氧化鎂按照90-95:10-5質量比混合均勻，然後利用能量為1-5兆電子伏特和劑量為5-50千戈瑞的伽馬射線輻照5-30分鐘，實現凹凸棒土棒晶解離，以提高其比表面積，得到改性凹凸棒土；
（2）然後將步驟（1）中得到的改性凹凸棒土與丙烯酸按照95-99:5-1質量比混合
均勻，然後利用波長為354納米的紫外射線輻照10-30分鐘，混合物離光源5-10厘米，使凹凸棒土與丙烯酸接枝，同時使丙烯酸聚合，形成凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物；
（3）將凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物與100-500目秸稈灰按照60-80:40-20質量比混合均勻，然後用105-110℃的水熱處理10-20分鐘，一方面增加凹凸棒土分散性，另一方面使秸稈灰中生物碳納米顆粒進入凹凸棒土-聚丙烯酸網路，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物；
（4）將凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物與聚丙烯醯胺、殼聚糖以及三聚磷酸鈉按照90-95:1-2:1-8:1-2質量比混合均勻，然後以10000-12000轉/分鐘高速剪下1-5分鐘，即得氮肥固定化助劑；
（5）將氮肥固定化助劑按照2-15%質量分數添加到氮肥中，造粒即得該發明固定化氮肥。
所述的氮肥為氯化銨、尿素或碳酸氫銨，其粒度為100-150目。
改善效果
《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》有益效果：
- 該技術可以有效將氮肥固定在耕作層（1-50厘米），減少其在土壤中向下遷移速率和量，提高氮素利用率，減少施肥量和次數；
- 秸稈灰的資源化利用，不僅實現了秸稈還田，而且達到了固碳的目的，對溫室氣體的減排具有潛在意義；
- 該肥料助劑原料環境友好，而且對土壤具有改良作用。
技術領域
《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》涉及一種新型氮肥長效固定化的方法，具體涉及一種活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術。
權利要求
1.活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化方法，其特徵在於包括以下步驟：
（1）將100-800目膠體級凹凸棒土與氫氧化鎂按照90-95:10-5質量比混合均勻，然後利用能量為1-5兆電子伏特和劑量為5-50千戈瑞的伽馬射線輻照5-30分鐘，實現凹凸棒土棒晶解離，以提高其比表面積，得到改性凹凸棒土；
（2）然後將步驟（1）中得到的改性凹凸棒土與丙烯酸按照95-99:5-1質量比混合均勻，
然後利用波長為354納米的紫外射線輻照10-30分鐘，混合物離光源5-10厘米，使凹凸棒土與丙烯酸接枝，同時使丙烯酸聚合，形成凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物；
（3）將凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物與100-500目秸稈灰按照60-80:40-20質量比混合均勻，然後用105-110℃的水熱處理10-20分鐘，一方面增加凹凸棒土分散性，另一方面使秸稈灰中生物碳納米顆粒進入凹凸棒土-聚丙烯酸網路，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物；
（4）將凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物與聚丙烯醯胺、殼聚糖以及三聚磷酸鈉按照90-95:1-2:1-8:1-2質量比混合均勻，然後以10000-12000轉/分鐘高速剪下1-5分鐘，即得氮肥固定化助劑；
（5）將氮肥固定化助劑按照2-15%質量分數添加到氮肥中，造粒即得固定化氮肥。
2.根據權利要求1所述的活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化方法，其特徵在於，所述的氮肥為氯化銨、尿素或碳酸氫銨，其粒度為100-150目。
實施方式
- 實施例1
活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術，包括以下步驟：
- 將300目膠體級凹凸棒土與氫氧化鎂按照95:5質量比混合均勻，然後利用能量為5兆電子伏特和劑量為20千戈瑞的伽馬射線輻照30分鐘，得到改性凹凸棒土；
- 將改性凹凸棒土與丙烯酸按照97:3質量比混合均勻，然後利用波長為354納米紫外射線輻照30分鐘，混合物離光源5厘米，形成凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物；
- 將凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物與300目秸稈灰按照70:30質量比混合均勻，然後用110℃的水熱處理10分鐘，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物；
- 將凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物與聚丙烯醯胺、殼聚糖以及三聚磷酸鈉按照95:1:3:1質量比混合均勻，然後以12000轉/分鐘高速剪下1分鐘，即得氮肥固定化助劑；
- 將氮肥固定化助劑按照10%質量分數添加到尿素粉（150-200目）中，擠壓造粒即得固定化尿素。
- 實施例2
- 將200目膠體級凹凸棒土與氫氧化鎂按照90:10質量比混合均勻，然後利用能量為5兆電子伏特和劑量為50千戈瑞的伽馬射線輻照30分鐘，得到改性凹凸棒土；
- 將改性凹凸棒土與丙烯酸按照95:5質量比混合均勻，然後利用波長為354納米的紫外射線輻照20分鐘，混合物離光源5厘米，形成凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物；
- 將凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物與200目秸稈灰按照60:40質量比混合均勻，然後用110℃的水熱處理15分鐘，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物；
- 將凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物與聚丙烯醯胺、殼聚糖以及三聚磷酸鈉按照95:1:3:1質量比混合均勻，然後以12000轉/分鐘高速剪下2分鐘，即得氮肥固定化助劑；
- 將氮肥固定化助劑按照8%質量分數添加到氯化銨粉（150-200目）中，擠壓造粒即得該發明固定化氯化銨。
- 實施例3
- 將200目膠體級凹凸棒土與氫氧化鎂按照93:7質量比混合均勻，然後利用能量為5兆電子伏特和劑量為30千戈瑞的伽馬射線輻照20分鐘，得到改性凹凸棒土；
- 將改性凹凸棒土與丙烯酸按照97:3質量比混合均勻，然後利用波長為354納米的紫外射線輻照15分鐘，混合物離光源5厘米，形成凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物；
- 將凹凸棒土-聚丙烯酸網路化複合物與200目秸稈灰按照70:30質量比混合均勻，然後用110℃的水熱處理20分鐘，形成凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物；
- 將凹凸棒土-聚丙烯酸-生物碳三元複合物與聚丙烯醯胺、殼聚糖以及三聚磷酸鈉按照95:1:2:2質量比混合均勻，然後以12000轉/分鐘高速剪下1分鐘，即得氮肥固定化助劑；
- 將氮肥固定化助劑按照15%質量分數添加到碳酸氫銨粉（150-200目）中，混勻即得該發明固定化碳酸氫銨。
榮譽表彰
2019年5月16日，《活性土和絮凝劑、吸附劑複合材料氮肥固定化技術》獲得安徽省第六屆專利獎優秀獎。
