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富钾岩石植物营养组分活化机理与应用研究

端木合顺  
【摘要】: 我国是一个缺乏可溶性钾矿资源的国家。世界化肥消费的养分比例,在发达国家为m(N):m(P_2O_5):m(K_2O)为1:0.42:0.42,而我国仅为1:0.40:0.16。随着农业种植结构的变化,经济作物迅速发展,将需要更高的钾氮比。就合理使用肥料来讲,钾肥已成为我国农业发展的瓶颈。综合分析我国钾矿资源特点,从某种意义上来说,要彻底解决我国钾肥自给,唯一的出路是在利用富钾岩石开发钾肥上取得突破性进展。提高产品有效组分含量,同时使固态残余物具有生物地球化学活性,是富钾岩石全组分农业利用的技术关键。农业的发展关系到国家之存亡,矿业工作者关注农业的可持续发展,是一个值得重视的研究领域。 本文对含钾硅酸盐矿物在焙烧条件下的矿物结构变化进行了试验研究和表征,厘清了矿物之间的转变关系和转变条件。XRD和IR图谱以及有效组分含量变化表明,单纯焙烧含钾岩石尽管可以改变矿物的结构,但由于有效组分低而不能作为硅钾肥使用,为使钾长石和伊利石转变为枸溶性(或水溶性)矿物,必须加入适当的辅料和矿化剂。 对选定熟料矿物的配方进行了相图分析和热力学计算,并对影响反应进行的诸要素(温度、物料粒度、保温时间以及矿化剂浓度)进行了动力学试验。笔者首次提出了建立在玻璃网络结构概念基础上的热法制作硅钾肥的配方理论,即将系统内氧化物组分按照其在玻璃网络体中的作用,划分为网络形成体和网络改性或修饰体,根据它们之间的量比关系(既模数)进行配料计算。试验研究表明,笔者提出的“模数”与物料的烧成温度具有明显的对应关系;同时,配方“模数”可以表征玻璃态产品的网络结构解聚程度、相关系数R达0.8995;另外,酸溶试验表明模数值与产品溶解率(总有效组分含量)对应关系良好,相关系数n=0.9792。该配方理论的建立,为提高热法制作硅钾肥的有效组分以及产品工艺制度的制订提供了一揽子解决方案。 熟料单矿物(硅灰石)在酸溶液中的化学行为研究表明,硅钾肥矿物在有机弱酸中的化学活性较好,影响硅钾肥肥效发挥的因素是土壤pH值和土壤的去硅化程度,还有土壤有机质的含量与种类;硅灰石在盐酸溶液中化学行为表明,在反应体系pH不小于2的情况下,硅钾肥矿物大量溶出硅酸根组分;溶解残余物表观密度降低、DBP吸着率和比表面积增加表明水合二氧化硅是以多孔形式存在,为硅钾肥具有保水保肥、改良土壤结构的提供了矿物学依据。 通过模拟植物根际酸性环境制得的硅钾矿肥不溶残余物矿物组合为:水钙沸石、片沸石、羟钙石和无定形物。研究了pH值对Cd~(2+)、Zn~(2+)吸附性能的影响和吸附机理。结果表明,受无定形SiO_2影响,当pH大于7时,残余物对Cd~(2+)吸附量明显下降;不溶残余物对Cd~(2+)的吸附符合Freundlich吸附等温式,吸附符合二级吸附动力学。残余物吸附Cd~(2+)的过程由颗粒内扩散控制,有效扩散系数为8.95×10~(-12)cm~2·s~(-1);实验温度下的吉布斯自由能变化(△G)变化范围为-1.203~-1.554(kJ·mol~(-1)),熵变△S为7.8(J·mol~(-1)·k~(-1)),焓变△H为872.1(J·mol~(-1)),表明残余物对重金属离子的吸附是一个吸热反应过程。 本文的结论对富钾岩石开发来讲具有一定实用性,对类似产品长期使用对土壤结构的影响也具有一定理论指导意义。


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