一种包膜缓释钾肥的制备及性能试验

张正利

(青海盐湖工业股份有限公司，青海 格尔木 816099)

随着我国经济的发展，对农作物产量的要求也逐步提升。化肥是目前增加农作物产量最有效的一种手段，可以提升约50%的粮食产量。在国家深化农业供给改革的前提下，化肥的价格持续上升，使得农民成本投入不断提升。与此同时，化肥进入土壤后，快速渗透土壤，无法完全被作物吸收，这就造成了资源的浪费，还会造成环境的污染。对化肥进行改性，增强化肥利用率，降低化肥成本是目前较为迫切的研究课题。对此，部分学者也进行了很多研究，如王晓玲研究了一种生物炭基肥，以生物炭为主体，对化肥养分起到固持作用，使其在土壤中缓慢释放，减少肥料养分流失，增强化肥利用率[1]；但生物炭基化肥制备工艺较为复杂，且对应用环境要求较高，其使用效果受多种外在因素影响，难以大规模投入使用。殷海荣等则以旧玻璃为主要原料，制备了一种核壳多孔结构的富硒缓释性肥料，并对其缓释时间进行测试。试验结果表明，该肥料缓释时间超过90 d，表现出良好的缓释性能[2]；但该肥料制作过程较为繁杂，难以大规模投入生产。徐佳峰、赵萧汉等则尝试通过包膜的方式，制备一种新型包膜缓释肥料。结果表明，包膜方式能有效增强肥料的缓释性能，增强肥料利用率[3-4]；以上研究虽一定程度上解决了化肥利用率低的问题，但并未降低化肥的成本，因此还需对化肥进行进一步改性。基于此，试验以彭仁杰论文[5]为参考，制备一种低成本缓释钾肥，在降低化肥成本的同时，提升化肥性能。

1 试验部分

1.1 材料与设备

主要材料：硅藻土(Ⅱ级强东矿产品)；铝酸盐水泥(CP 康辉耐材)；颗粒硫酸钾(AR 海登新材料)；聚乙烯醇(AR 鸿聚工程材料)；硼砂(AR 建辉化工)；乙酸纤维素(AR 雷恩环保科技)。

主要设备：BY-600型糖衣包膜机(中诚制药机械)；101-1BS型电热鼓风干燥箱(大祥电子机械设备)； JCM-7000型扫描电子显微镜(拓精工业测定仪器)；FK-KD4C型颗粒强度测试仪(方科仪器)；DK-98-Ⅱ型数显恒温水浴锅(金坛宏华仪器)；WG-61型火焰光度计(慧采科技)。

1.2 试验方法

1.2.1 配合比设计

在缓释钾肥的制备过程中，包膜厚度与硅藻土占比都是影响缓释钾肥的重要因素[6]。为探究最佳试验方案，提前对缓释钾肥的配合比进行设计，具体见表1。

表1 缓释钾肥配合比设计Tab.1 Mix proportion design of slow release potash fertilizer

1.2.2 试验过程

(1)根据表1配比称取铝酸盐和硅藻土，然后将其混合均匀，得到无机包膜材料。

(2)在BY-600型糖衣包膜机中放入颗粒硫酸钾，然后按照硼砂与PVA质量比为3%喷洒质量分数为2%的聚乙烯醇溶液和硼砂溶液。

(3)将步骤(1)制备的无机包膜材料包覆在步骤(2)制备的硫酸钾表面，然后通过质量浓度为0.03 g/mL的乙酸纤维素溶液进行封闭。

(4)反应完成后，置于101-1BS型电热鼓风干燥箱内进行烘干处理后，得到缓释钾肥，烘干温度为40 ℃。具体制备流程见图1。

图1 包膜缓释钾肥制备流程Fig.1 Preparation process of coated slow-release potash fertilizer

1.3 性能测试

1.3.1 微观形貌分析

将待测样品置于101-1BS型电热鼓风干燥箱内烘干，烘干温度和时间分别为65 ℃和10 h。烘干后切下肥料颗粒表面，进行喷金处理后通过JCM-7000型扫描电子显微镜对样品微观形貌进行表征。

1.3.2 抗压强度测试

随机选择25颗待测样品，通过FK-KD4C型颗粒强度测试仪对样品最大破坏力进行测试，以其平均值为最终结果。

1.3.3 耐水性能测试

在装有去离子水的烧杯中放入缓释钾肥样品进行浸泡，然后将烧杯置于DK-98-Ⅱ型数显恒温水浴锅内进行恒温养护，养护温度和时间分别为25 ℃和7 d。

1.3.4 水溶出性能测试

通过“7 d静置法”对钾肥养分释放特性进行表征。具体过程为：

(1)称取10 g待测缓释样品放入直径为36 mm的透析袋中，并对透析袋进行密封处理。

(2)将密封好的透析袋放入装有250 mL去离子水的烧杯中，然后在25 ℃条件下恒温静置。

(3)在7 d时间内，每天对提取液进行取样，在取样时，将烧杯中提取液摇匀，然后拿出透析袋，重新置于装有250 mL去离子水的烧杯中进行浸泡，用WG-61型火焰光度计对摇匀的提取液中钾离子浓度进行测定。

初期溶出率表达式为[7]：

初期溶出率=第1 d养分溶出量/试样中养分总含量×100%

(1)

微分溶出率表达式为[8]：

微分溶出率=(7 d累计溶出率-初期溶出率)/6×100%

(2)

1.3.5 土壤溶出性能测试

在聚乙烯桶内的5 kg土壤中均匀埋入5 g待测样品，然后用黑色塑料袋对聚乙烯桶进行密封，减少水分的蒸发流失。在指定时间内对土壤进行取样，然后在电热鼓风干燥箱的作用下烘干至恒重，然后进行粉碎处理，烘干温度为105 ℃。在100 mL三角瓶中放入2 g粉碎后土壤和40 mL土壤浸提剂和适量土壤脱色剂，在剧烈振荡的条件下反应3 min，然后通过G-61型火焰光度计对土壤溶出钾含量进行测试。

1.3.6 田间土壤缓释性能测试

在种植有烟叶的土地中按照30 kg/亩的施肥量施加样品，隔段时间分别取深度为10 cm、20 cm、30 cm和40 cm的土壤，105 ℃烘干后粉碎，然后对土壤速效钾含量进行测定。

2 结果与讨论

2.1 微观形貌分析

为了探究包膜缓释钾肥的释放机制，对缓释钾肥养分释放前后微观形貌进行分析，结果见图2。通过观察图2可以发现，包膜缓释钾肥养分释放前，受到聚乙烯醇粘结性能的影响，组分间结合的较为紧密。待钾肥养分释放结束后，缓释钾肥表面出现大量的孔隙，包膜被破坏，打开了硅藻土封闭的多孔。通过这个变化可以发现，聚乙烯醇与硅藻土穿插复合包膜，延长了水分子进入路径，同时，水泥掺入后，在体系内同时起到固化剂和固体密封剂的作用[9]。这就对水分子的进入起到了阻碍，延长了水分子到达钾肥内芯的时间。随反应的进行，水分子逐渐渗透了缓释钾肥，破坏了密封剂，溶解了部分肥料养分。但聚乙烯醇膜的存在使得养分释放出现迟滞期。随反应的进行，钾肥内部的浓度和压力同时增加，养分开始释放[10]。综上，试验制备的缓释钾肥主要是通过破裂和扩散机制共同发挥作用释放养分。

图2 缓释钾肥微观形貌结构Fig.2 Microstructure of slow-release potash fertilizer

2.2 抗压性能测试结果

在缓释钾肥搬运和储存过程中，可能出现一些碰撞，对缓释钾肥的膜结构造成破坏。因此，在制备缓释钾肥时，对钾肥包膜强度也有一定的要求。对不同硅藻土含量包膜缓释钾肥力学强度进行测试，结果见图3。通过图3中曲线变化可以发现，随包膜中硅藻土含量的增加，缓释钾肥颗粒的强度慢慢的减小。出现这个变化的主要原因在于，硅藻土自身具有较强的吸水性，当包膜内硅藻土含量较多时，大量吸收空气中的水分，从而对缓释钾肥颗粒强度产生不良影响[11-12]。但体系内硅藻土含量较低时，颗粒强度过高，释放养分需要的压力更大，且释放的效率较低，综合考虑，选择适合的包膜厚度为20%，适合的硅藻土含量为60%，此时，钾肥最大破坏力为32.2 N。

图3 钾肥最大破坏力试验结果Fig.3 Test results of maximum destructive power of potash fertilizer

2.3 耐水性能测试结果

为探究缓释钾肥的耐水性能，对包膜厚度为10%和20%的缓释钾肥进行浸泡处理，观察浸泡前后钾肥颗粒的变化，具体见图4。

图4 耐水性试验结果Fig.4 Water resistance test results

通过观察图4变化可以发现，10%缓释钾肥浸泡7 d后，表面包膜有轻微脱落，表面形态保持的较为完好，具备一定的耐水性。将浸泡后钾肥破碎处理后，可以观察到其内部养分基本完全释放，说明完整的壳结构并未阻挡养分的释放。而包膜厚度为20%的缓释钾肥在水中浸泡7 d后，壳结构并未出现任何变化，表现出较10%更强的耐水性。 对缓释钾肥进行破碎处理后，可观察到钾肥内芯并未完全释放出来，缓释期更久。以上变化就说明了包膜厚度是影响缓释钾肥的重要因素，在实际生产过程中，可以根据需求对缓释钾肥的包膜厚度进行调控，得到适宜的养分释放周期。

2.4 水溶出性能测试

通过“7 d静置法”对缓释钾肥进行养分释放特性试验，结果见表2。

表2 缓释钾肥养分释放特征Tab.2 Nutrient release characteristics of slow-release potassium fertilizer %

通过表2可以发现，纯硫酸钾的初期溶出率相对较高，接近100%，微分溶出率约为0.46%。这是因为硫酸钾本身具备水溶性，在进入水体后，没有包膜阻碍，快速溶于水中，不具备缓释性。在硫酸钾表面附上包膜后，硫酸钾初期溶出率开始降低，且包膜厚度越高，初期溶出率越低，微分溶出率越高，这与2.3结论一致。将包膜缓释钾肥放入透析袋中进行透析，测试钾离子的释放量，结果见图5。

图5 钾肥7 d水溶出率Fig.5 Water dissolution rate of potash fertilizer in seven days

通过观察图5曲线变化可以发现，包膜厚度为10%和15%的缓释钾肥，在前2 d钾肥养分就开始缓慢释放，在第3 d养分释放达到最高值，然后释放速度开始迅速降低。而包膜厚度为20%的缓释钾肥，在前3 d养分缓慢释放，在第4 d养分释放达到最高，然后开始缓慢下降，但释放时间为4 d后，仍旧具备很大的养分释放量，对养分释放周期起到了很好延长作用，表现出较好的缓释性能。这是因为包膜厚度决定了水分的渗透速度，当包膜厚度为20%时，水分渗透速度变缓，钾肥初始释放量较小。随着渗透时间的增加，增加了肥料养分内外浓度差，同时包膜受到一定破坏，养分释放达到最高值。当缓释钾肥释放掉大部分养分后，内外浓度差降低，释放速度开始变缓。从养分释放性能方面考虑，选择适合的包膜厚度为20%。

2.5 土壤溶出性能

缓释钾肥的使用环境为土壤，土壤体系中，各个转化过程和植物养分吸收均匀养分释放产生影响，因此除了需要对钾肥水溶性能进行表征外，还需要对钾肥土壤溶出性能进行表征[14]。在上述试验中，已经确定了包膜厚度为20%的缓释钾缓释性能较佳，因此以20%包膜缓释钾肥和硫酸钾为试验对象进行土壤溶出试验，结果见图6。

图6 缓释钾肥土壤溶出试验结果Fig.6 Soil dissolution test results of slow-release potassium fertilizer

通过图6可以发现，硫酸钾在土壤中快速释放，在释放时间达到20 d后，硫酸钾完全释放。而经过包膜处理后，钾肥的释放周期明显延长，在前20 d时，钾肥养分缓慢释放，释放时间增加至40 d时，钾肥养分迅速释放，然后释放速度变缓，直至释放时间达到80 d，仍有养分释放出来，具备优异的缓释性能。

2.6 田间缓释性能

由于缓释钾肥在使用过程中，受种植作物、微生物种类的影响，田间环境更为复杂，因此需要对田间缓释性能进行测试[15]。在多种作物中，烟叶大田对钾肥含量要求较高，因此以烟叶大田为试验对象，对不同钾肥种类、不用深度土壤的速效钾含量进行测定，结果见图7。通过观察图7曲线变化可以发现，在土壤深度为10 cm和20 cm时，硫酸钾与包膜缓释钾肥的土壤速效钾含量并没有太大差别。当土壤深度增加至30 cm和40 cm时，硫酸钾土壤中速效钾含量快速上升，明显高于包膜缓释钾肥组。出现这个变化的原因在于，硫酸钾进入土壤后，钾素快速释放进入土壤深处，造成钾肥的流失。而包膜缓释钾肥养分释放速度较慢，释放周期与烟叶需肥周期较为接近，大部分钾肥被烟叶吸收，因此只有少量钾肥养分流失。对当地烟叶种植情况进行调查发现，烟叶根部可吸收营养的极限深度为20 cm，土壤深度超过20 cm的养分无法被烟叶吸收，也就是会形成资源的浪费，而包膜缓释钾肥在土壤深度10 cm～20 cm间维持较高的速效钾含量，超过20 cm后，速效钾含量较少，这对烟叶生长和减少资源浪费都产生了积极的影响，表现出良好的田间缓释性能。

图7 田间释放性能试验结果Fig.7 Results of field release performance test

2.7 成本估算比较

在上述结论中已经确定了包膜缓释钾肥的性能较为优异，但想将该包膜缓释钾肥大规模投入使用，还需要对其成本进行进一步分析。将试验制备的聚乙烯醇/硅藻土包膜缓释钾肥与市面上常用缓释钾肥成本进行对比，结果见表3。通过表3可以发现，仅计算材料成本的条件下，自制聚乙烯醇/硅藻土包膜缓释钾肥的价格明显低于其余钾肥，成本仅为市售缓释钾肥的一半，表现出良好的经济效益。

表3 缓释钾肥成本比较Tab.3 Cost comparison of slow-release potash fertilizer 元

3 结论

1)微观形貌结果表明，缓释钾肥养分释放前，组分间结合的较为紧密，养分释放后，钾肥表面出现大量的孔隙，包膜被破坏。对释放机理进行分析，确定缓释钾肥主要是通过破裂和扩散机制共同发挥作用释放养分。

2)包膜厚度和无机包膜中硅藻土含量是影响钾肥颗粒的主要因素。当包膜厚度为20%，硅藻土含量为60%时，钾肥最大破坏力为32.2 N。

3)包膜厚度为20%的缓释钾肥耐水性和缓释性均明显优于10%缓释钾肥。在实际工程应用中，可根据实际需求调配包膜厚度。

4)20%缓释钾肥在水溶液中表现出较好的缓释性能，大量释放养分后，养分释放速率变慢，但仍会继续释放养分，表现出良好的缓释性能。

5)20%缓释钾肥在土壤中的缓释周期可达到80 d，能在较长时间内维持土壤丰富的钾肥含量。

6)田间缓释性能结果表明，包膜缓释钾肥养分释放速度较慢，释放周期与烟叶需肥周期较为接近，大部分钾肥被烟叶吸收，因此只有少量钾肥养分流失，对作物生长和减少资源浪费都产生积极影响。

7)通过成本比较可以发现，自制的聚乙烯醇/硅藻土包膜缓释钾肥成本仅为市售包膜缓释钾肥的一半，表现出良好的经济效益。