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《中北大学》 2018年
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新型有机高分子缓控释肥制备、降解机理以及应用效果研究

向阳  
【摘要】:与速效肥相比,缓控释化肥可以显著提高肥料利用效率、减轻环境污染、提高作物产量。目前国内外的市售缓控释化肥通常为包膜肥和脲醛肥。包膜肥的膜壳通常难以降解,残留在土壤中可能引发二次污染,此外,其包膜工艺复杂,生产成本较高。脲醛肥的养分缓释周期过长,目前仅用于森林、草坪等长年生植物。本论文研发出三种类型环保、低成本且高效的新型有机高分子缓控释化肥。它们的合成机理完全不同于目前国内外已有的各种肥料品种,并且可以有效解决现有缓控释化肥的各种缺陷。此外,本团队前期成功制备了一系列具有缓控释多种营养元素功效的生物降解有机高分子缓控释化肥,但是,它们的应用效果、降解机理以及在分子结构层面的缓释机理仍无明确定论。本论文采用番茄盆栽实验对这些肥料的肥效进行了系统研究,并以含NPK营养元素的生物降解有机高分子缓控释化肥为代表,研究了降解机理以及分子结构和养分缓释性能之间的关系。本论文的具体研究内容如下:(1)以脲甲醛为基体、聚磷酸铵和无定型硅凝胶为改性剂,采用常规挤出工艺制备了一种新型可挤出造粒的脲醛有机高分子缓控释化肥。测试结果表明:脲甲醛、聚磷酸铵和无定型硅凝胶三者之间存在较强的氢键作用,当把聚磷酸铵和无定型硅凝胶加入到脲醛肥中后,脲醛有机高分子缓控释化肥的机械性能和养分释放速度得到显著提升。油菜盆栽实验也证实,该挤出造粒的有机脲醛缓控释化肥可以显著提升肥料氮素利用效率,促进油菜的生长。更为重要的是,常温挤出作为一种经济、高效和环保的新技术,可以被广泛应用于农业和园艺领域。期待此种制备工艺可以为设计新型的具有优异缓释性能的肥料提供一个新的思路。(2)通过简单的溶液聚合工艺制备了一种新型具有半互穿网络结构的吸水保水型有机高分子缓控释化肥。该有机高分子缓控释化肥的半互穿网络结构的具体组成为:线型脲醛分子链穿插在高岭土-g-聚(丙烯酸-co-丙烯酰胺)网络中。通过一系列的分析测试方法表征并研究了该有机高分子缓控释化肥的结构和性能。结果表明:该有机高分子缓控释化肥具有优异的缓控释N、P、K养分的能力,其在自来水中的吸水倍率为68 g·g~(-1),吸水保水性能非常优异,可广泛应用于农业和园艺领域。准二级动力学模型可以很好的描述该有机高分子缓控释化肥的溶胀过程。(3)以磷酸脲作为反应原料,将其与脲醛预聚体进行缩聚反应,制备得到一种新型的含NP生物降解有机高分子缓控释化肥。研究结果表明:该有机高分子缓控释化肥的氮、磷养分的缓释性能优异,是提升土壤长期肥力的一类新型高分子缓控释化肥。(4)利用番茄盆栽实验系统研究了不同种类生物降解有机高分子缓控释化肥的肥效,对土壤理化性质的测试数据进行了主成分分析和聚类分析,并对土壤肥力水平进行定量化打分,以评价不同施肥处理的培肥效果。结果表明:不同生物降解有机高分子缓控释化肥在提高番茄叶片叶绿素含量、改善番茄品质和提高番茄产量方面具有显著作用。其中,含Si生物降解有机高分子缓控释化肥(GRF)处理的番茄产量最高,含NPK生物降解有机高分子缓控释化肥(PRF)处理的番茄果实品质最优。通过主成分分析、聚类分析可以将土壤质量水平划分为3个等级。高质量土壤为含Fe-Mn-Cu-Zn生物降解有机高分子缓控释化肥(WRF)和GRF处理盆栽土壤;中等质量土壤为PRF、脲醛肥(UF)和含B生物降解有机高分子缓控释化肥(BRF)处理盆栽土壤;低质量土壤为空白(CK)和常规有机无机复混肥(OM+CCF)处理盆栽土壤。表明生物降解有机高分子缓控释化肥确实可以有效增加土壤养分含量,调节土壤养分平衡,高效提升土壤肥力水平和养分供应能力。(5)含NPK生物降解有机高分子缓控释化肥的本质是磷酸二氢钾分子(KDP)改性脲醛肥(KDP-UF),该化肥可以显著提升肥料养分缓释性能,增加土壤肥力并提升作物产量,近几年陆续有文献报道。但是,到目前为止,该肥料的降解机理以及分子结构对养分缓释性能的影响仍无明确定论。本研究通过红外光谱、X射线衍射、X射线光电子能谱和扫描电子显微镜等测试与表征手段,证实了大量的磷酸二氢钾分子本质上是和脲醛肥分子链通过氢键相互作用,这种相互作用提升了脲醛肥基体的降解速率,并进一步促进了肥料N养分的缓释。表明该类肥料的功能化不仅仅是已有文献报道的磷酸二氢钾和脲醛肥分子之间的共聚作用,磷酸二氢钾和脲醛肥分子之间的氢键相互作用也是另一主要因素。
【学位授予单位】:中北大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ449.1

【参考文献】
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