專利名稱:控制氮肥損失的環(huán)境友好復(fù)合材料及應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本方法涉及一種改性的環(huán)境友好復(fù)配材料及應(yīng)用,減少來源于化肥的溫室氣體排放和水體富營養(yǎng)化面源污染。
背景技術(shù):
2002年,聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)表《全球環(huán)境展望》報告,將大氣和水污染惡化列為八大環(huán)境問題之首。大氣污染最重要的誘因是溫室氣體排放,水污染主要是氮、磷等進(jìn)入水體致使水體富營養(yǎng)化。一項研究表明,由于化肥的大量使用和使用不當(dāng),我國每年有123.5萬噸氮通過地表水涇流到江河湖泊,49.4萬噸進(jìn)入地下水,299萬噸進(jìn)入大氣。氮經(jīng)徑流、淋洗等途徑進(jìn)入等水體,導(dǎo)致江河湖海富營養(yǎng)化,揮發(fā)物以N2O形式進(jìn)入大氣,導(dǎo)致溫室氣體增加。可見,氮肥的大量使用形成了“從地下到空中”的立體污染,造成的損失是觸目驚心的。
湖泊我國湖泊眾多,分布廣泛,天然湖泊總面積近91020km2,約占國土面積的0.95%,是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分。但是,由于人為和自然原因,排入江河湖海的氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)不斷增加,富營養(yǎng)化的進(jìn)程大大加快。根據(jù)全國水環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)2000年的水質(zhì)監(jiān)測資料和國家《地面水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838-88),對全國九大流域片的700多條河流的水質(zhì)進(jìn)行了評價。在評價的11.4萬km河長中,I類水占4.9%,II類水占24.0%,III類水占29.8%,IV類水占16.1%,V類水占8.1%,劣V類水占17.1%。枯、豐水期水質(zhì)變化不大。另外,我國已有約20萬km2的近海海域受到污染影響,約4萬km2的海域水質(zhì)已不能滿足水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水浴場、海上運(yùn)動娛樂以及濱海旅游的要求。據(jù)統(tǒng)計,2003年我國近海共發(fā)生119次赤潮,面積累計超過1萬km2;2004年我國遭受赤潮災(zāi)害97次,累計面積達(dá)23400km2。
水體中的氮磷來源很多,其中有外源性負(fù)荷和內(nèi)源性負(fù)荷。外源性的氮磷有面源污染和點源污染。面源污染主要來源于農(nóng)業(yè),約占70%,點源污染主要來源于生活污水和工業(yè)廢水,內(nèi)源性負(fù)荷有沉積物中氮和磷的釋放、水生動植物新陳代謝分解等。據(jù)Isermann(1990)估計,在西歐,農(nóng)業(yè)土壤中占37%~82%的氮和27~38%的磷釋放到地表水。對Danish的270條小河的營養(yǎng)監(jiān)測表明,其中94%的氮和52%的磷,主要來自農(nóng)業(yè)活動的非點源污染。在我國,最近20~30年間,每年損失到農(nóng)田之外的氮、磷超過1000多萬噸,直接經(jīng)濟(jì)損失約300億元。
溫室氣體是導(dǎo)致全球變暖的罪魁禍?zhǔn)?,不僅對環(huán)境、農(nóng)業(yè)造成災(zāi)難性影響,而且也成為人類健康造成了直接殺手??茖W(xué)家甚至預(yù)測,未來溫室氣體造成的空氣污染所導(dǎo)致的死亡人數(shù),將超過死于交通事故的人數(shù)。按照《京都議定書》規(guī)定,二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)和氧化亞氮(N2O)排在6大減排溫室氣體的前三位,其中N2O主要來源于氮肥分解揮發(fā)。
可見,減少氮肥用量,控制氮的流失和揮發(fā),成為溫室氣體減排和降低水體富營養(yǎng)化的首要問題,是我國社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。然而,我國人口眾多,糧食等農(nóng)產(chǎn)品消耗巨大。“莊稼一枝花,全靠肥當(dāng)家”。我國耕地肥力下降已經(jīng)是不爭的事實,單位面積化肥施用量超過世界平均水平的一倍。如何解決這個矛盾,在保證糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時,控制氮的損失,提高氮的利用率,減少氮肥用量,進(jìn)而達(dá)到N2O減排和降低水體總氮含量,是本發(fā)明要解決的關(guān)鍵問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種改性的環(huán)境友好材料與氮肥復(fù)配,在保證糧食穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的同時,減少氮肥用量,提高氮的利用率,降低氮損失的風(fēng)險,達(dá)到遏制大氣和水污染的目的。
本發(fā)明的技術(shù)方案為控制氮肥損失的環(huán)境友好復(fù)合材料,其特征在于是一種活性土、高分子材料的混合物,并經(jīng)輻射改性形成復(fù)合材料,高分子材料包括殼聚糖、聚丙烯酰胺、植物淀粉及來源于自然、可降解的對環(huán)境友好且具有絮凝、吸附作用的材料,活性土包括凹凸棒土、海泡石、粉煤灰及與之類似的廉價活性材料。
所述的控制氮肥損失的環(huán)境友好復(fù)合材料,其特征在于所述的混合物的重量配方為
A型殼聚糖 1-3聚丙烯酰胺 5凹凸棒土 100-180粉煤灰 20-40輻射劑量 500-800Gy;B型殼聚糖 1聚丙烯酰胺 8凹凸棒土 80-150粉煤灰 5-10輻射劑量 650-1000Gy;C型殼聚糖 1聚丙烯酰胺 4凹凸棒土 120-180粉煤灰 10-30輻射劑量 700-1300Gy;D型殼聚糖 1聚丙烯酰胺 4凹凸棒土 200
輻射劑量 500-1300Gy。
所述的控制氮肥損失的環(huán)境友好復(fù)合材料的應(yīng)用,其特征在于將所述的環(huán)境友好復(fù)合材料與化肥等復(fù)配、造粒,或者與化肥配合使用,在施用土壤后,對NH4+、NO3-和水分子起到固定作用,降低氮、磷的流失和揮發(fā)排放。
所述的應(yīng)用,其特征在于所述的A型混合物與硫氨或尿素按重量比1.3-2.2∶8.0-9.1混合均勻,造粒,粒徑約為3mm;或按上述比例混合均勻直接使用,適用于沙土;B型混合物與硫氨或尿素按重量比1.5-2.5∶7.8-8.6混合均勻,造粒,粒徑約為2mm;或按上述比例混合均勻直接使用,適用于壤土;C型混合物與硫氨或尿素按1.6-2.7∶7.4-8.3混合均勻,造粒,粒徑約為1.5mm;或按上述比例混合均勻直接使用,適用于黏土。
所述的應(yīng)用,其特征在于所述的化肥是富含有氮、磷或鉀的一切肥料,以及經(jīng)徑流淋洗等途徑進(jìn)入水體、揮發(fā)排放進(jìn)入大氣的導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和溫室氣體排放的污染源。
所述的應(yīng)用,其特征在于所述的環(huán)境友好復(fù)合材料與化肥等復(fù)配、造粒,或者與化肥配合作為基肥和追肥使用,使用范圍為水田、旱地及無土栽培。
本發(fā)明的主要內(nèi)容是利用活性礦物土(凹凸棒土、粉煤灰)和高分子材料(殼聚糖和聚丙烯酰胺)經(jīng)輻射改性后的復(fù)合材料,與氮肥復(fù)配,把氮素固定在土壤(植物根際)中。所謂‘固定’就是利用上述材料經(jīng)輻射后的協(xié)同作用,膠聯(lián)、卷掃、網(wǎng)捕及電荷吸附使潮濕的土壤形成分子網(wǎng)格吸附和固定氨態(tài)氮離子及尿素分子,阻止其流失或揮發(fā)而被農(nóng)作物有序吸收,減少對水體和大氣的污染。
1、本發(fā)明所用的活性礦物土為凹凸棒土,它是一種具有層鏈狀結(jié)構(gòu)的含水富鎂鋁的硅酸鹽礦物,常與蒙脫土、石英、白云石等礦物混雜共生,目前我國發(fā)現(xiàn)的具有工業(yè)價值的凹凸棒土主要位于蘇皖交界的三角地帶,如江蘇的盱眙、六合,安徽的明光、全椒等地,在我國是一種非常重要的非金屬礦資源.其主要成分的分子式為Mg5(H2O)4(Si4O10)2(OH)2。
凹凸棒土的基本結(jié)構(gòu)單位為兩層硅氧四面體與一層鎂(鋁)氧八面體構(gòu)成,其中含有結(jié)晶水和處于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的羥基,各基本結(jié)構(gòu)單位通過四角的公共氧原子相互聯(lián)結(jié),構(gòu)成與鏈平行的孔道,孔道的截面積約為0.37nm×0.60nm,具有層鏈狀結(jié)構(gòu)的過渡型特征,有較高的形狀比。凹凸棒土的顯微結(jié)構(gòu)由三個層次構(gòu)成,一是其基本結(jié)構(gòu)單元—棒晶。棒晶呈針狀,長約1μm~2μm,直徑為0.01μm,屬一維納米材料。二是由棒晶緊密平行聚集而成的棒晶束。三是由晶束間相互聚集而成的各種聚集體。
其來源廣、價格低廉,并具有良好的物化性質(zhì)(1).它在潮濕的土壤中會形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),將高分子聚合物殼聚糖和水分子固定在一個個網(wǎng)格中,在阻止殼聚糖流失的同時,可以有效地減少水分散失,有利于節(jié)水農(nóng)業(yè)。
(2).良好的觸變性,例如下雨或灌溉不會影響其分布和作用,這樣可以一定程度上緩解大雨或不良灌溉造成的肥料流失。
凹凸棒土取之于土壤,使用并不會造成二次污染,或破壞土壤的微結(jié)構(gòu)。
2、本發(fā)明的粉煤灰是電廠等煤燃燒后的殘渣,主要成分為二氧化硅、鐵的氧化物和氧化鋁等。
3、本發(fā)明中所用的殼聚糖是甲殼素脫乙?;蟮漠a(chǎn)物,是甲殼素最基本、最重要的衍生物。甲殼素又名甲殼質(zhì)、幾丁質(zhì),化學(xué)名為(1,4)-2-乙酰胺-2-脫氧-β-D-葡聚糖,主要存在于蝦、蟹、蛹及昆蟲等動物外殼以及菌類、藻類植物的細(xì)胞壁中。節(jié)肢類動物的干外殼約含20-50%甲殼素。地球上每年甲殼素的生物合成量為數(shù)十億噸,是產(chǎn)量僅次于纖維素的天然高分子化合物。
殼聚糖作為一種天然的陽離子交換樹脂,其分子中的-NH3+及特殊的多孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的絮凝和吸附功能。殼聚糖可以在自然界中被生物降解,與環(huán)境友好不會給環(huán)境帶來二次污染,還具有促進(jìn)植物的生長、抑重金屑對植物的影響及抗微生物活性等功效,是一種非常理想的化肥添加劑。
研究表明,殼聚糖是輻射降解型高分子,輻照后分子量明顯降低。在水溶液中輻照由于水的存在.使降解加速,在較低劑量下即可得到低分子量的殼聚糖。殼聚糖輻照前后的結(jié)構(gòu)分析表明,低劑量下(500kGy以卜)殼聚糖的輻射降解與纖維素相似,是由于1,4-β糖昔鏈的斷裂引起的,即主要為主鏈的裂解.殼聚糖的結(jié)構(gòu)基本上不會發(fā)生變化。輻射降解的殼聚糖能夠誘導(dǎo)不同種類的生物活性,促進(jìn)植物的生長、抑制重金屬對植物的影響及抗為生物活性等。如果與尿素聯(lián)合使用,殼聚糖可以起到降低脲酶產(chǎn)生和脲酶活性的作用,從而延緩尿素有效成分的釋放。
4、本發(fā)明所用的聚丙烯酰胺是一種線性水溶性聚合物,是水溶性聚合物中應(yīng)用最廣泛的品種之一。它由丙烯酰胺等單體聚合而成,其分子鏈很長,這就使它在粒子之間架橋,將它們拉在一起而形成絮體。另外,其分子的主鏈上帶有大量側(cè)基-酰胺基。酰胺基的活性很大,可以和多種化合物反應(yīng)而產(chǎn)生許多聚丙烯酰胺的衍生物。這樣,聚丙烯酰胺不僅具有一系列衍生物,而且具有多種寶貴的性能,如絮凝、增粘(稠)、表面活性等。由于其生產(chǎn)工藝比較成熟、價格較低、本身沒有毒性,所以目前已作為絮凝劑被廣泛應(yīng)用。
5、本發(fā)明用的殼聚糖、聚丙烯酰胺和凹凸棒土粉煤灰,按一定比例混合,經(jīng)輻射交鏈,并通過架橋、卷掃、網(wǎng)捕及電荷吸附使潮濕的土壤膠體絮凝,形成分子網(wǎng)格。
6、本發(fā)明將輻射改性的復(fù)合材料按一定比例與化肥復(fù)配,將氮肥中氨態(tài)氮吸附固定在分子網(wǎng)絡(luò)中,有效阻止氮磷元素進(jìn)入地下、地表水及大氣,供作物生長需要吸收。
綜上,本發(fā)明不但能有效減少水體富營養(yǎng)化的面污染源,減少溫室氣體排放,而且在農(nóng)作物穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)前體下,可以大大降低化肥施用量和灌溉用水量,節(jié)約成本減少勞力。該技術(shù)復(fù)配物所用材料均為環(huán)境友好型,各組分可以降解被植物微生物利用,產(chǎn)品本身不會引起環(huán)境污染或健康問題。
效益分析
1、本發(fā)明使用的殼聚糖、聚丙烯酰胺、凹凸棒土都是來源自然和生物材料。施用后在土壤中可以生物降解,其代謝產(chǎn)物對環(huán)境友好并可以改變土壤的理化性質(zhì),增加土壤的保肥涵水能力。粉煤灰的利用有力的減輕了能源工業(yè)垃圾對環(huán)境的污染。
2、試驗結(jié)果表明加入改性復(fù)合材料的肥料,其氮素在水中的溶出率、土壤溶出率分別減少20%、50%,向大氣揮發(fā)率減少30%。以溶出率減少20%計算,考慮氮素施用量減少至少20%,則新型化肥氮素流失減少24%,揮發(fā)減少36%。這就有效阻止化肥中氮的流失和向大氣釋放,控制了溫室氣體N2O的排放和地下及地表水富營養(yǎng)化面污染源,具有極為顯著的環(huán)境效益。
3、試驗結(jié)果表明加入改性復(fù)合材料的肥料與傳統(tǒng)化肥相比,土壤持續(xù)供肥能力提高50%-70%,肥效利用率提高50%-90%,有利于作物生長發(fā)育不同階段對氮素的需求。一般情況下,按該比例每畝施肥量減少為傳統(tǒng)肥料用量的30%-60%;成本降低為傳統(tǒng)的40%-60%;肥效時間延長為傳統(tǒng)肥料的2至5倍;灌溉用水量比傳統(tǒng)方式減少40%-80%,經(jīng)濟(jì)效益顯著。
具體實施例方式
實施例一將活性土凹凸棒土(包括一定量粉煤灰)和高分子材料殼聚糖、聚丙烯酰胺、按200∶1∶4的比例混合制成肥料添加劑,將該添加劑和尿素或硫酸銨按1∶5的比例混合,研成200目的粉末混勻。
實施例二在尿素或硫酸銨生產(chǎn)造粒前,將它們混合均勻并造粒,粒徑為2-3毫米。粒徑可以根據(jù)土壤的粘性進(jìn)行調(diào)整。沙土的土壤間隙大,粒徑大3毫米,壤土粒徑2毫米。
實施例三作為基肥將農(nóng)家肥以及該添加劑和肥料(混合比例參照技術(shù)方案,10-15公斤/畝)均勻撒在預(yù)耕田地中,然后按常規(guī)方式耕地即可。
作為追肥參照技術(shù)方案將添加劑和肥料,按普通化肥的施用方法,撒施;施肥后結(jié)合耘田、中耕效果可以更好。
實施例四在施用新型肥料的農(nóng)田不同深度取樣,檢測氮的流失。
在施用新型肥料的農(nóng)田50厘米高度處采集大氣樣本,分析N2O含量。
實用例五本發(fā)明內(nèi)容中列舉的技術(shù)方案均可應(yīng)用,不再詳述。
權(quán)利要求
1.控制氮肥損失的環(huán)境友好復(fù)合材料,其特征在于是一種活性土、高分子材料的混合物,并經(jīng)輻射改性形成復(fù)合材料,高分子材料包括殼聚糖、聚丙烯酰胺、植物淀粉及來源于自然、可降解的對環(huán)境友好且具有絮凝、吸附作用的材料,活性土包括凹凸棒土、海泡石、粉煤灰及與之類似的廉價活性材料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料,其特征在于所述的混合物的重量配方為A型殼聚糖1-3聚丙烯酰胺5凹凸棒土100-180粉煤灰20-40輻射劑量500-800Gy;B型殼聚糖1聚丙烯酰胺8凹凸棒土80-150粉煤灰5-10輻射劑量650-1000Gy;C型殼聚糖1聚丙烯酰胺4凹凸棒土120-180粉煤灰10-30輻射劑量700-1300Gy;D型殼聚糖1聚丙烯酰胺4凹凸棒土200輻射劑量500-1300Gy。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的控制氮肥損失的環(huán)境友好復(fù)合材料的應(yīng)用,其特征在于將所述的環(huán)境友好復(fù)合材料與化肥等復(fù)配、造粒,或者與化肥配合使用,在施用土壤后,對NH4+、NO3-和水分子起到固定作用,降低氮、磷的流失和揮發(fā)排放。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用,其特征在于所述的A型混合物與硫氨或尿素按重量比1.3-2.2∶8.0-9.1混合均勻,造粒,粒徑約為3mm;或按上述比例混合均勻直接使用,適用于沙土;B型混合物與硫氨或尿素按重量比1.5-2.5∶7.8-8.6混合均勻,造粒,粒徑約為2mm;或按上述比例混合均勻直接使用,適用于壤土;C型混合物與硫氨或尿素按1.6-2.7∶7.4-8.3混合均勻,造粒,粒徑約為1.5mm;或按上述比例混合均勻直接使用,適用于黏土。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用,其特征在于所述的化肥是富含有氮、磷或鉀的一切肥料,以及經(jīng)徑流淋洗等途徑進(jìn)入水體、揮發(fā)排放進(jìn)入大氣的導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和溫室氣體排放的污染源。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的應(yīng)用,其特征在于所述的環(huán)境友好復(fù)合材料與化肥等復(fù)配、造粒,或者與化肥配合作為基肥和追肥使用,使用范圍為水田、旱地及無土栽培。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種控制氮肥損失的環(huán)境友好復(fù)合材料及其應(yīng)用,是利用凹凸棒土殼聚糖、聚丙烯酰胺等均勻混合,經(jīng)500-1.3kGy輻射改性形成復(fù)合材料,與氮肥按一定比例復(fù)配,造粒1.5-3mm,制成一種新型環(huán)保低成本高效率的固氮肥料,有效減少溫室氣體N
文檔編號C05G3/00GK1915917SQ20061004123
公開日2007年2月21日 申請日期2006年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月28日
發(fā)明者姜疆, 蔡冬清, 余增亮, 吳躍進(jìn), 卞坡, 李軍 申請人:中國科學(xué)院等離子體物理研究所