一種液體高分子化肥的合成及性能研究

蔣迎忠

(山西省應(yīng)用化學(xué)研究所(有限公司)，山西 太原 030027)

一種液體高分子化肥的合成及性能研究

蔣迎忠

(山西省應(yīng)用化學(xué)研究所(有限公司)，山西 太原 030027)

液體高分子化肥是一種清亮型水溶性高分子化合物的液體肥料，其包含氮、磷、鉀3種營養(yǎng)元素。通過對(duì)高分子化肥的溶解度、pH值和氮、磷、鉀含量的測定，確定了最佳的合成工藝:n(磷酸):n(氫氧化鉀):n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0，120℃，反應(yīng)40 min。該高分子化肥具有良好的溶解性、緩釋性，且溶液pH=7。

高分子液體化肥;溶解度;pH值;氮、磷、鉀含量

引言

液體肥料是一種典型的高濃度肥料，外觀呈流體狀態(tài)，分為液體氮肥和液體復(fù)肥。液體氮肥是由單一氨元素所構(gòu)成的液體肥料，包括液氨、氨水和其他含氨的溶液;液體復(fù)肥是包括2種或2種以上營養(yǎng)元素的溶液或懸浮液，其廣泛應(yīng)用于專業(yè)園藝、苗圃、溫室、高爾夫球場、家居庭院、觀景園林和公園等高價(jià)作物和非農(nóng)業(yè)領(lǐng)域［1］。目前，復(fù)肥和液肥的生產(chǎn)中引入聚磷酸銨，其對(duì)金屬離子具有螯合能力，將不易被土壤中的鐵、鈣等金屬離子固定，與土壤中的無效微量元素形成可溶性絡(luò)合物而被植物吸收。另外，聚磷酸鹽不被植物直接吸收，而是在土壤中逐步水解成正磷酸被植物利用，是一種緩釋性的肥料。本文針對(duì)這一市場需求，通過改變化肥分子組成，合成了一種集氮、磷、鉀三要素于同一高分子鏈的高分子聚磷酸鉀化肥，并探究了其最佳的合成工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

磷酸(85%)，工業(yè)品，山西華發(fā)磷酸化工有限公司;尿素，工業(yè)品，山西蘭花集團(tuán);氫氧化鉀，工業(yè)品，山西三佳化工新材料有限公司。蒸餾水，自制。

1.2 儀器與設(shè)備

電熱鼓風(fēng)干燥箱，cs101－A型，重慶實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠;pHJ－02型pH/mV檢測儀，上?？祪x儀器有限公司;分析天平，AUY220，島津國際貿(mào)易有限公司;農(nóng)用測試儀，TD200型，中國楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū);六聯(lián)恒溫?cái)?shù)顯磁力攪拌儀，ZNCL－DLSB6型，上海一科儀器有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

為研究不同原料配比和工藝下高分子化肥的性能變化，本文設(shè)計(jì)原料摩爾比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間三因素進(jìn)行考察，見表1。

表1 不同配方工藝的設(shè)計(jì)

1.4 樣品的制備

稱量一定量的磷酸，加入不銹鋼反應(yīng)釜中，將氫氧化鉀緩慢加入不銹鋼反應(yīng)釜，反應(yīng)放熱，大量水蒸氣放出，溫度也迅速升高。再加入尿素，逐步梯度升溫到一定溫度后，開始劇烈反應(yīng)，有大量的氣泡產(chǎn)生，繼續(xù)升溫。反應(yīng)完全時(shí)產(chǎn)物為白色黏稠狀物質(zhì)，出料，自然冷卻至室溫，粉碎后得高分子化肥。反應(yīng)所得產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)式如圖1。

圖1 高分子化肥的結(jié)構(gòu)式

1.5 性能與測試

1.5.1 氮、磷、鉀含量的測定

以TD200型農(nóng)用測試儀測量不同工藝下所得高分子肥的氮、磷、鉀含量。

1.5.2 溶解度的測定

測量在蒸餾水中高分子化肥在不同溫度和不同時(shí)間下的飽和溶解度，測量溫度為25、30、40、50℃。

1.5.3 pH值的測定

測量不同溫度下飽和溶解高分子化肥液體的pH值，測量溫度為25、30、40、50℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析(見表2)

從正交實(shí)驗(yàn)表2的9組數(shù)據(jù)中可以看出，隨著反應(yīng)溫度的升高和反應(yīng)時(shí)間的延長，其產(chǎn)率逐步降低，但隨著尿素量的加大產(chǎn)率卻在提升。主要原因，首先是工業(yè)磷酸中的水分蒸發(fā)導(dǎo)致，其次是尿素的分解溫度為160℃，在反應(yīng)后期黏度增大，可能由于受熱不均導(dǎo)致少量尿素分解所致。這一點(diǎn)可以從反應(yīng)后期冒出氣體的氣味和pH值為堿性得以旁證。在表 2中可以看出，n(H3PO4)∶n(KOH)∶n［(NH2)2CO］=2.0∶0.8∶6.0時(shí)物料的產(chǎn)率最高。

表2 正交實(shí)驗(yàn)分析方案

2.2 產(chǎn)品溶解度的影響分析

高分子肥料在實(shí)際應(yīng)用中重要的特性是其水溶性，本文將實(shí)驗(yàn)所得的9組樣品分別測試了其在不同溫度下1 h的溶解度，結(jié)果見表3。

表3 產(chǎn)品在不同溫度下1 h的溶解度 g/100 g

從表3中可以看出，溶解度隨著溶解溫度的升高逐步加大，但隨著反應(yīng)溫度的升高其溶解度卻在降低。說明磷酸和尿素反應(yīng)生成了一種磷酰脲，是一種具有一定相對(duì)分子質(zhì)量產(chǎn)物，根據(jù)資料顯示，可以將其定義為一種高分子肥料［2］。溫度升高，物質(zhì)的溶解度自然增大，但溫度的升高也促進(jìn)了高分子肥的水解，將其水解成磷酸銨類易被植物吸收的小分子的肥料［3］，故而溶解度大幅度增加。為了旁證合成了具有緩釋效果的高分子肥料，筆者測試了不同溫度下6 h溶解度，見表4。

表4 產(chǎn)品在不同溫度下6 h的溶解度 g/100 g

對(duì)比表3、表4可以看出，隨著測試時(shí)間的延長，溶解度變大，說明高分子肥料具有一定的水解過程，從而證明其有一定的緩釋性。這種肥料具有提高化肥利用率、減少使用量與施肥次數(shù)、降低生產(chǎn)成本、減少環(huán)境污染、提高農(nóng)作物產(chǎn)品品質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)［4］。實(shí)驗(yàn)表明，以1號(hào)、2號(hào)、7號(hào)樣品的室溫水溶性較好。

2.3 水溶液的pH值測定

酸性肥料與鐵、鋁形成磷酸鐵、磷酸鋁而降低有效性;堿性肥料易與鈣結(jié)合，生成難溶性磷酸鈣鹽類，會(huì)降低磷的有效性;許多微量元素，如，硼、錳、鉬的加入使其有效性也會(huì)大大降低，故，pH值是一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)。本文測試了高分子肥料在不同溫度、不同時(shí)間下其水溶液的pH值，發(fā)現(xiàn)，1 h與6 h后的pH值并無明顯變化。6 h后的pH值見表5。

表5 產(chǎn)品在不同溫度下溶解6 h后pH值

從表5中可以看出，高分子肥料在溶于水并發(fā)生水解后的pH值并沒有發(fā)生明顯的變化，只是由于尿素量的加大，其溶液的pH值由6.42上升到7.07。實(shí)驗(yàn)中，n(H3PO4)∶n(KOH)∶n［(NH2)2CO］= 2.0∶0.8∶2.0時(shí)，由于磷酸的摩爾量稍高，故而整體顯酸性，隨著尿素的量加大逐步上升為堿性，達(dá)到一個(gè)實(shí)用性良好的pH值。9號(hào)實(shí)驗(yàn)樣品的室溫溶解pH值最好。

綜合本文對(duì)高分子化肥的測試，表明該高分子化肥具有良好的水溶性，并具有一定的緩釋效果，溶于水之后可得一種清亮型液體肥。其配方以n(磷酸)∶n(氫氧化鉀)∶n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0為佳，工藝條件為反應(yīng)溫度120℃，反應(yīng)時(shí)間40 min。

3 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳合成工藝條件為;n(磷酸)∶n(氫氧化鉀)∶n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0，反應(yīng)溫度為120℃，反應(yīng)時(shí)間為40 min，產(chǎn)率可達(dá)81.3%，所獲得的高分子化肥在室溫的溶解度為78.1 g/ 100 g，室溫其飽和水溶液的pH值為7.03，將其溶于水可制成清亮型液肥。

［1］ 李三文.對(duì)我省化肥工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的思考［J］.山西化工，2003，23(1):1－3.

［2］王月祥，趙貴哲，劉亞青，等.新型高分子多營養(yǎng)元素緩釋肥的制備工藝研［J］.化肥設(shè)計(jì)，2008，46(11):59－60.

［3］劉俊，張志業(yè)，王辛龍，等.緩釋磷銨包膜復(fù)混肥的研究［J］.磷肥與復(fù)肥，2015，30(10):6－9.

［4］ 李欣.緩控釋肥料的類型及其優(yōu)點(diǎn)［J］.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)，2016(7):21－22.

Synthesis and properties of a liquid polymer fertilizer

JIANG Yingzhong

(Shanxi Research Institute of Applied Chemistry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030027，China)

Liquid polymer fertilizer is a clear and water－soluble polymer which contains N，P，K nutrient elements.In this paper，the solubility，the pH value，and the content of N，P，K were measured，and the optimum synthetic process was determined as follows:n (phosphoric acid)∶n(potassium hydroxide)∶n(urea)=2∶0.8∶6;reaction temperature was 120℃;reaction time was 40 min.The prepared fertilizer has good dissolubility and slow release property with pH value being 7.

polymer liquid fertilizer;solubility;pH value;content of N，P，and K

TQ449+.6

A

1004－7050(2016)06－0017－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.05

2016－10－18

蔣迎忠，男，1983年出生，2005年畢業(yè)于中北大學(xué)，現(xiàn)從事高分子材料的研發(fā)、生產(chǎn)工作。