小麦秸秆基新型缓控释肥料的制备及其性能研究

【摘要】：随着人口、资源、环境问题的日益突出,农业生产必须在保障高产的同时从经济和环境的角度优化养分利用效率。缓控释肥料可以显著提高肥料的利用率、减少养分的挥发和淋溶损失、减轻过度施肥对环境的污染,因而受到了研究人员的广泛关注。 小麦秸秆是自然界中数量极大的可再生资源,它富含纤维素成分,可以在许多领域发挥重要作用。但是现有的利用状况是相当一部分的小麦秸秆低值利用或直接废弃、焚烧,这既是对资源的巨大浪费,又是对环境的严重污染。将成本低廉的小麦秸秆引入高吸水树脂的制备中,然后与肥料复合,制备具有吸水保水功能的新型缓控释肥料,不仅环境友好,而且可有效降低缓控释肥料成本。因此,无论从高效利用天然再生资源,还是从提高肥料利用效率,达到材料与生态环境的和谐等角度考虑,研发小麦秸秆基新型缓控释肥料,对于发展可持续高效农业具有重要而现实的意义。 本论文以小麦秸秆为基材,经过预处理,与阴离子型、非离子型和阳离子型单体共聚,合成了一系列高吸水树脂,采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线粉末衍射仪(XRD)对其结构进行了表征,通过扫描电镜(SEM)观察了其形貌。通过吸附法和包膜法使秸秆基高吸水树脂与肥料养分复合,制备了小麦秸秆基新型吸水保水缓控释肥料,测定了肥料的组成,观察了其形貌,考察了肥料养分在土壤中的缓释性,考察了肥料施入对土壤持水量和保水性能的影响,考察了高吸水树脂的降解性。具体内容如下： 1.制得预处理小麦秸秆-g-聚(丙烯酸-co-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸)高吸水树脂,对NH4+的吸附动力学和吸附热力学进行了研究,结果表明,该树脂对NH4+的吸附40min可达到平衡,最佳吸附量为7.15mmol L-1。通过对NH4+吸附所制得的肥料有较好的缓释性能,可以提高土壤的持水量,调节土壤的酸碱度。但是所制得的肥料含量较低,氮含量为11.2%。 2.通过接枝聚合和半互穿网络技术,制备了预处理小麦秸秆-g-聚(丙烯酸-Co-丙烯酰胺)／聚二甲基二烯丙基氯化铵半互穿网络两性高吸水树脂。分别对NH4+和PO43-的吸附动力学和吸附热力学进行了研究,结果表明,该树脂对NH4+和PO43-的吸附均较快,对NH4+和PO43-的吸附是自发进行的,吸附过程以物理吸附为主。通过吸附法制得的肥料氮(N)含量为10.0%,磷(P2O5)含量为15.9%,且所负载的氮和磷在土壤中有较好的缓释性能。 3.以包埋有尿素的凹凸棒土和海藻酸钠基质为肥料内核,以含有尿素和硼砂的羧甲基化改性小麦秸秆-g-聚丙烯酸／凹凸棒土复合高吸水树脂为包膜材料,制备了一种包膜缓释氮硼肥。所制得肥料具有核-壳结构,氮含量为23.3%,硼含量为0.65%,有较好的缓释效果。肥料包膜层为复合高吸水树脂,能有效提高土壤持水能力。引入天然资源小麦秸秆和凹凸棒土,显著降低了生产成本,有望应用于农林业,特别是对于干旱地区马铃薯等作物的种植更具有实际应用意义。 4.以尿素和磷酸氢钙包埋于凹凸棒土中为肥料内核,以小麦秸秆／海藻酸钠共混物为内层包膜材料,以聚(丙烯酸-co-N-羟甲基丙烯酰胺)／小麦秸秆复合高吸水树脂为外层包膜材料,制备了一种双层包膜的保水性氮磷缓释肥料。肥料样品中氮(N)和磷(P2O5)的含量分别为20.6%和9.9%,具有较好的缓释性能。高吸水树脂作为肥料的外包膜材料,既可以使肥料养分缓释,又可以有效提高土壤的持水量。农作物小麦秸秆的引入以及N-羟甲基丙烯酰胺作交联剂可以改善高吸水树脂的降解性能。肥料双层包膜材料都选用了农作物秸秆,可以显著降低缓释肥料的生产成本,具有环境友好性,同时为农作物资源的利用提供了一条途径。 5.设计合成了一种新型的大分子肥料聚二羟甲脲磷酸钾(PDUP),并以PDUP和尿素包埋于羧甲基纤维素基质中为肥料内核,聚(丙烯酸-co-2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸-co-N-羟甲基丙烯酰胺)／小麦秸秆复合高吸水树脂为包膜材料,制备了一种具有保水功能的包膜控释肥料,氮含量为18.1%,具有较好的缓释性和吸水保水性,不仅可以有效提高肥料利用率,而且可以有效提高土壤的持水量和抗旱能力。农作物小麦秸秆的引入以及N-羟甲基丙烯酰胺作交联剂可以改善包膜材料的降解性能,在提高肥料利用率的同时,可避免对土壤和环境的二次污染。 【关键词】：小麦秸秆 缓控释肥料 高吸水树脂 吸附 包膜
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ449.1
【目录】：

• 中文摘要3-5
• Abstract5-13
• 第一章 文献综述13-42
• 1.1 研究背景与意义13
• 1.2 缓控释肥料的研究概况13-19
• 1.2.1 缓控释肥料的定义13-14
• 1.2.2 国内外缓控释肥料的类型14-15
• 1.2.3 缓控释肥料的评价方法15-16
• 1.2.4 缓控释肥料国内外研究概述16-18
• 1.2.5 缓控释肥料存在的问题及展望18-19
• 1.3 高吸水树脂在农业中的应用19-25
• 1.3.1 高吸水树脂的概念及特性19-20
• 1.3.2 高吸水树脂在肥料缓释与复合技术中的应用20-23
• 1.3.3 高吸水树脂在土壤改良方面的应用23-24
• 1.3.4 农业用高吸水树脂的发展方向24-25
• 1.4 农作物秸秆资源25-31
• 1.4.1 我国农作物秸秆资源利用现状25-26
• 1.4.2 农作物秸秆组分26-29
• 1.4.3 农作物秸秆纤维改性研究29-30
• 1.4.4 农作物秸秆基高吸水树脂30-31
• 1.5 本学位论文选题指导思想31-34
• 参考文献34-42
• 第二章 基于秸秆吸附性能的多功能缓释氮肥的制备及性能研究42-62
• 2.1 引言42-43
• 2.2 实验部分43-46
• 2.2.1 主要原料和仪器43
• 2.2.2 小麦秸秆预处理(PTWS)43-44
• 2.2.3 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)高吸水树脂的制备44
• 2.2.4 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)高吸水树脂的表征和形貌观察44
• 2.2.5 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)高吸水树脂吸水率的测定44-45
• 2.2.6 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)高吸水树脂对铵离子的吸附45
• 2.2.7 多功能缓释氮肥(MSNF)的制备45
• 2.2.8 MSNF在土壤中的缓释行为45-46
• 2.2.9 MSNF对土壤持水量的影响46
• 2.2.10 MSNF对土壤酸碱性的影响46
• 2.3 结果与讨论46-56
• 2.3.1 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)的表征和形貌观察46-48
• 2.3.2 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)高吸水树脂制备条件优化48
• 2.3.3 PTWS含量对PTWS-g-P(AA-co-AMPS)高吸水树脂吸附量的影响48-49
• 2.3.4 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)吸附动力学49-51
• 2.3.5 PTWS-g-P(AA-co-AMPS)吸附热力学51-53
• 2.3.6 MSNF在土壤中的缓释性能53-55
• 2.3.7 MSNF对土壤持水量的影响55-56
• 2.3.8 MSNF对土壤酸碱性的影响56
• 2.4 结论56-58
• 参考文献58-62
• 第三章 秸秆基两性高吸水树脂肥料缓释载体的制备及性能研究62-81
• 3.1 引言62-63
• 3.2 实验部分63-66
• 3.2.1 主要原料和仪器63
• 3.2.2 小麦秸秆预处理63
• 3.2.3 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂的制备63-64
• 3.2.4 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂的表征和形貌观察64
• 3.2.5 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂吸水率的测定64
• 3.2.6 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性离子高吸水树脂对NH_4~+和PO_4~(3-)的吸附64-65
• 3.2.7 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC负载氮和磷后在土壤中的释放行为65
• 3.2.8 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC对土壤持水量的影响65-66
• 3.3 结果与讨论66-75
• 3.3.1 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性离子高吸水树脂的表征和形貌观察66-68
• 3.3.2 PDADMAC含量对PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂吸水率的影响68
• 3.3.3 pH对PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂吸水率的影响68-69
• 3.3.4 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂吸附动力学69-71
• 3.3.5 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂吸附热力学71-74
• 3.3.6 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC所负载肥料在土壤中的释放行为74-75
• 3.3.7 PTWS-g-P(AA-co-AM)/PDADMAC两性高吸水树脂对土壤持水量的影响75
• 3.4 结论75-77
• 参考文献77-81
• 第四章 基于秸秆和凹凸棒土包膜多功能缓释氮硼肥的制备及性能研究81-96
• 4.1 引言81-82
• 4.2 实验部分82-85
• 4.2.1 主要原料和仪器82
• 4.2.2 小麦秸秆的羧甲基化改性82-83
• 4.2.3 CMWS-g-PAA/APT复合高吸水树脂的制备83
• 4.2.4 缓释氮硼肥(SNBF)的制备83
• 4.2.5 CMWS-g-PAA/APT复合高吸水树脂的红外光谱分析83-84
• 4.2.6 CMWS-g-PAA/APT复合高吸水树脂吸水率的测定84
• 4.2.7 SNBF的养分含量测定84
• 4.2.8 SNBF的形貌观察84
• 4.2.9 SNBF在土壤中的缓释行为84
• 4.2.10 SNBF对土壤持水量的影响84-85
• 4.3 结果与讨论85-92
• 4.3.1 SNBF的形貌及组成分析85-86
• 4.3.2 CMWS-g-PAA/APT的表征86-87
• 4.3.3 NNMBA用量对CMWS-g-PAA/APT吸水率的影响87-88
• 4.3.4 APS用量对CMWS-g-PAA/APT吸水率的影响88-89
• 4.3.5 CMWS用量对CMWS-g-PAA/APT吸水率的影响89-90
• 4.3.6 APT用量对CMWS-g-PAA/APT吸水率的影响90-91
• 4.3.7 SNBF在土壤中的缓释行为91-92
• 4.3.8 SNBF对土壤持水量的影响92
• 4.4 结论92-93
• 参考文献93-96
• 第五章 基于小麦秸秆双层包膜多功能缓释肥料的制备及性能研究96-116
• 5.1 引言96-97
• 5.2 实验部分97-100
• 5.2.1 主要原料和仪器97
• 5.2.2 P(AA-co-NHMAAm)/WS复合高吸水树脂的制备97-98
• 5.2.3 WS/SA混合物的制备98
• 5.2.4 缓释肥料(SRF)的制备98
• 5.2.5 P(AA-co-NHMAAm)/WS高吸水树脂的红外光谱分析98
• 5.2.6 P(AA-co-NHMAAm)/WS吸水率的测定98-99
• 5.2.7 P(AA-co-NHAAm)/WS的降解行为考察99
• 5.2.8 SRF中营养元素含量分析99
• 5.2.9 形态观察99-100
• 5.2.10 SRF在土壤中的缓释性能测定100
• 5.2.11 土壤最大持水率的测定100
• 5.3 结果和讨论100-111
• 5.3.1 P(AA-co-NHMAAm)/WS复合高吸水树脂的表征100-102
• 5.3.2 NHMAAm的含量对P(AA-co-NHMAAm)/WS吸水率的影响102-103
• 5.3.3 WS含量对P(AA-co-NHMAAm)/WS吸水率的影响103-104
• 5.3.4 SRF的组成和表征104-106
• 5.3.5 SRF在土壤中的缓释行为106-109
• 5.3.6 SRF对土壤持水量的影响109
• 5.3.7 包膜层P(AA-co-NHMAAm)/WS的降解行为研究109-111
• 5.4 结论111-112
• 参考文献112-116
• 第六章 秸秆基吸水保水包膜控释肥料的制备及性能研究116-136
• 6.1 引言116-117
• 6.2 实验部分117-120
• 6.2.1 主要原料和仪器117
• 6.2.2 聚二羟甲脲磷酸钾(PDUP)的合成117
• 6.2.3 聚(丙烯酸-co-2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸-co-N-羟甲基丙烯胺酰胺)/小麦秸秆(P(AA-co-AMPS-co-NHMAAm)/WS)的制备117-118
• 6.2.4 包膜控释肥料(CRF)的制备118
• 6.2.5 样品的表征和测定118
• 6.2.6 P(AA-co-AMPS-co-NHMAAm)/WS吸水率的测定118-119
• 6.2.7 包膜CRF在土壤中的缓释行为119
• 6.2.8 土壤最大持水率和保水性的测定119
• 6.2.9 膜材料P(AA-co-AMPS-co-NHMAAm)/WS复合高吸水树脂的降解行为119-120
• 6.3 结果与讨论120-130
• 6.3.1 聚二羟甲脲磷酸钾的表征120-121
• 6.3.2 P(AA-co-AMPS-co-NHMAAm)/WS的红外光谱和XRD表征121-123
• 6.3.3 化学组成对P(AA-co-AMPS-co-NHMAAm)/WS吸水率的影响123-126
• 6.3.4 包膜CRF的组成及特性126
• 6.3.5 包膜CRF在土壤中的缓释性能126-127
• 6.3.6 包膜CRF对土壤保水能力的影响127-129
• 6.3.7 包膜层P(AA-co-AMPS-co-NHMAAm)/WS的降解性129-130
• 6.4 结论130-132
• 参考文献132-136
• 全文总结136-139
• 攻读博士学位期间已发表和待发表的论文139-141
• 致谢141

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