鈣基膨潤土對(duì)磷酸二氫銨的挾帶特性研究

吳林超，畢亞凡，何寶儒

(武漢工程大學(xué)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430073)

磷酸二氫銨作為中國磷肥的主要品種，無論是北方石灰性土壤還是南方酸性土壤，當(dāng)季利用率均不足20%，不僅造成了資源的巨大浪費(fèi)[1]，而且對(duì)地表水環(huán)境構(gòu)成威脅。

目前，利用高分子聚合物的包裹作用來阻滯肥料中養(yǎng)分釋放的研究已開展得較多，并得到了較廣泛的應(yīng)用[2]。國內(nèi)學(xué)者對(duì)于膨潤土類礦物用作尿素緩/控釋肥料的載體原料已有初步的研究[3，4]。但尚未見文獻(xiàn)報(bào)道膨潤土用作氮磷復(fù)合肥緩釋載體的研究。

作者在此采用低品位鈣基膨潤土與磷酸二氫銨在一定條件下交換結(jié)晶，探討了磷酸二氫銨挾帶于鈣基膨潤土的多層結(jié)構(gòu)中的特性，為膨潤土作為磷酸二氫銨的緩釋載體提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料

膨潤土原礦由湖北某礦業(yè)公司提供，其陽離子交換容量(CEC)為69.02 mmol·(100 g)-1、膨脹容(Vs)為9 mL·g-1。原礦的多元素分析結(jié)果見表1，X-射線衍射圖譜見圖1，圖譜分析見表2。

表1 原礦多元素分析

圖1 原礦X-射線衍射圖譜

表2 原礦X-衍射圖譜分析

由表2可知，膨潤土原礦中蒙脫石含量為51.70%，含有方石英、石英、長石等雜質(zhì)礦物，屬低品位膨潤土；膨潤土的d001值為1.56 nm，為典型低品位鈣基膨潤土。

1.2 試劑與儀器

過硫酸鉀(上海市化學(xué)試劑三廠)、氫氧化鈉、鹽酸(優(yōu)級(jí)純)、硝酸鉀(優(yōu)級(jí)純)，實(shí)驗(yàn)用水均為無氨水。

LDZX-40KB型立式壓力蒸氣滅菌器；WFZ800-D3B型紫外分光光度計(jì)。

1.3 方法

以鈣基膨潤土為研究對(duì)象，在一定條件下將除雜后的漿狀膨潤土與磷酸二氫銨進(jìn)行處理，并分別測(cè)定離心后和洗滌后的上清液總氮含量，計(jì)算進(jìn)入到膨潤土層間挾帶的磷酸二氫銨質(zhì)量。

稱取10.0 g磷酸二氫銨于50.0 g膨潤土中，加入250 mL純水，在60℃水浴中于一定轉(zhuǎn)速下攪拌30 min，再在冷水浴中低速攪拌1 h，同時(shí)加入微量的表面活性劑以防止晶核的團(tuán)聚。混合液經(jīng)離心后測(cè)定上清液總氮含量，然后在濾餅中加入100 mL純水充分?jǐn)嚢? min，離心后測(cè)定上清液總氮含量，依下式計(jì)算進(jìn)入到膨潤土層間挾帶的磷酸二氫銨質(zhì)量。

M=10.0-0.00205c1-0.0008c2

式中：M為50.0 g膨潤土挾帶的磷酸二氫銨質(zhì)量，g；c1為一次洗出液濃度，mg·L-1；c2為濾餅洗出液濃度，mg·L-1。

固定其它條件，探討礦漿質(zhì)量濃度、攪拌時(shí)間、攪拌速度、過飽和度等因素對(duì)膨潤土挾帶磷酸二氫銨效果的影響，通過計(jì)算膨潤土層間結(jié)晶挾帶的磷酸二氫銨質(zhì)量，得到合適的參數(shù)；并在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行L16(44)正交實(shí)驗(yàn)，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)。

1.4 分析測(cè)試

2 結(jié)果與討論

2.1 礦漿質(zhì)量濃度對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

將膨潤土原礦分別配制成質(zhì)量濃度為5%、10%、15%、20%、25%的懸浮液，調(diào)節(jié)礦漿pH值，在攪拌時(shí)間為80 min、攪拌速度為900 r·min-1、過飽和度為0.5的條件下，考察礦漿質(zhì)量濃度對(duì)挾帶效果的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 礦漿質(zhì)量濃度對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

2.2 攪拌速度對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

攪拌速度對(duì)磷酸二氫銨插入膨潤土層間的結(jié)晶挾帶量有很大的影響，原因在于攪拌速度不同時(shí)其提供的能量也不同。在礦漿質(zhì)量濃度為15%、攪拌時(shí)間為80 min、過飽和度為0.5的條件下，考察攪拌速度對(duì)挾帶效果的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 攪拌速度對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

由圖3可知，一次洗出液中磷酸二氫銨質(zhì)量在900 r·min-1以前隨著攪拌速度的加快變化不大，但900 r·min-1后隨攪拌速度的加快而迅速增加。這表明，隨著攪拌速度的加快，溶解于水溶液中的磷酸二氫銨質(zhì)量也呈增加的趨勢(shì)。通過洗滌濾餅發(fā)現(xiàn)，濾餅中磷酸二氫銨的質(zhì)量隨攪拌速度的加快呈下降趨勢(shì)。磷酸二氫銨層間挾帶量在攪拌速度為900 r·min-1時(shí)最大，達(dá)到2.31 g。

2.3 攪拌時(shí)間對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

在礦漿質(zhì)量濃度為15%、攪拌速度為900 r·min-1、過飽和度為0.5的條件下，考察攪拌時(shí)間對(duì)挾帶效果的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 攪拌時(shí)間對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

由圖4可知，一次洗出液中磷酸二氫銨質(zhì)量隨攪拌時(shí)間的延長總體上呈一定的下降趨勢(shì)，但幅度不是很明顯。當(dāng)攪拌時(shí)間超過60 min后，進(jìn)入到膨潤土層間挾帶的磷酸二氫銨質(zhì)量相差不大，約為1.9 g左右。

2.4 過飽和度對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

在礦漿質(zhì)量濃度為15%、攪拌時(shí)間為80 min、攪拌速度為900 r·min-1的條件下，考察過飽和度對(duì)挾帶效果的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 過飽和度對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響

過飽和度對(duì)形成的晶核數(shù)量有較大的影響，過飽和度較高時(shí)，幾秒鐘內(nèi)即可形成大量的晶核，從而導(dǎo)致團(tuán)聚現(xiàn)象，形成大顆粒沉淀析出，不能順利地進(jìn)入到膨潤土層間；而過飽和度較低時(shí)，順利進(jìn)入到膨潤土層間結(jié)晶的磷酸二氫銨含量偏低。本實(shí)驗(yàn)在攪拌礦漿由60℃進(jìn)入到冷水浴中時(shí)形成了大量的磷酸二氫銨晶核，為有效阻止晶核之間的團(tuán)聚，需調(diào)節(jié)礦漿的過飽和度。由圖5可以看出，當(dāng)過飽和度為0.5時(shí)，進(jìn)入到膨潤土層間結(jié)晶挾帶的磷酸二氫銨質(zhì)量最大，達(dá)1.82 g。

2.5 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(表3)

表3 L16(44)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表3可知，各因素對(duì)磷酸二氫銨層間挾帶量的影響大小依次為A>C>D>B，即對(duì)磷酸二氫銨在膨潤土層間挾帶量影響最大的是礦漿質(zhì)量濃度，其次為攪拌速度、過飽和度和攪拌時(shí)間。膨潤土挾帶磷酸二氫銨的最佳工藝參數(shù)是A3B4C4D3，即礦漿質(zhì)量濃度為15%、攪拌時(shí)間為80 min、攪拌速度為1100 r·min-1、過飽和度為0.5。在此條件下，50.0 g鈣基膨潤土挾帶的磷酸二氫銨達(dá)2.31 g。

3 結(jié)論

[1] 魯如坤.我國的磷礦資源和磷肥生產(chǎn)消費(fèi)Ⅰ.磷礦資源和磷肥生產(chǎn)[J].土壤，2004，36(1)：1-4.

[2] Henderson J C，Hensley D L.Ammonium and nitrate retention by a hydrophilic gel[J].Hort Sci，1985，20(4)：667-668.

[3] 趙美芝，邵宗臣，鄧友軍，等.有機(jī)粘土的特性及其對(duì)肥料養(yǎng)分的緩釋作用[J].礦物學(xué)報(bào)，2001，21(2)：189-195.

[4] 李瑾麗，馮啟明.膨潤土等幾種多孔礦物/尿素緩釋肥緩釋效果比較研究[J].非金屬礦，2008，31(3)：35-38.