一种环保型包膜缓释有机肥料及其制备方法
技术领域
本发明属于农业环保肥料技术领域，具体涉及一种环保型包膜缓释有机肥料及其制备方法。
背景技术
众所周知，化肥的施用在农业生产中起着不可忽视的作用。化肥主要分为氮肥、磷肥、钾肥。这些常规化肥因成分单纯、养分含量高、肥效快，可以极大提高农作物的品质、增加产量。但由于化肥自身的高溶解性、高速效性以及不合理的施肥措施，不仅造成其利用效率低，而且也造成了经济损失，还给生态环境和人类健康带来一系列问题：1）土壤酸化、盐化，土壤结构破坏，理化生物性质恶化；2）土壤板结，土壤团粒结构被破坏；3）对大气造成污染；4）对地表水造成污染；5）威胁食品安全，对人类健康带来危害。因此，如何提高化肥的利用率，避免化肥对大气、土壤、农作物以及人类健康产生“毒害”，发展绿色可持续农业已成为世界各国共同关注的问题。环保型缓/控释肥料的开发和应用，成为了绿色农业可持续发展的重要材料，被世界各国农业共同关注。
缓释肥料可以减少养分流失，降低施肥次数，避免因过量施肥而引起对种子或幼苗的伤害，减少对环境的污染，有利于提高农产品质量和食品安全。但缓释包膜材料的选择长期依赖于石油基资源，使生产成本居高不下，其不完全降解性对土壤存在潜在危害，同时制备工艺复杂，阻碍了缓释肥料广泛应用于农业生产。所以制备一种基于可再生资源、低成本、易推广的环保型缓释肥料具有重要意义。
畜禽毛作为一种废弃物，堆放占地面积大，不易降解，一直很难找到较好的资源化利用途径，不处理就会变成固体废弃物对环境造成一定的污染，个别企业采取焚烧方式处理，既浪费资源，又需要除臭装置避免造成空气污染。实际上这种天然角蛋白资源因其具备较好的力学性能和非常稳定的热力学特性及生物降解性等，同时蛋白质的基本组成是氨基酸将其应用于肥料领域可以改善土壤的结构和理化性质，维持土壤微生物活性，促进作物根系的发育，改善农作物品质，降解后生成对作物有利且容易吸收的小分子物质，安全环保，实现了经济和环境的可持续发展。
造纸黑液中含有大量的木质素资源，但由于其碱性强、泡沫大，许多造纸厂将黒液浓缩焚烧或排入江湖湖泊，造成了严重的环境污染和资源的极大浪费。木质素作为仅次于纤维素的第二丰富且重要的天然高分子物质，凭借其分子中含有诸多官能团以及可再生、可降解、无毒，来源广泛，价格低廉等优点被认为是一类极具潜力的重要资源。同时木质素作为腐殖质的前驱体，可以稳定土壤的有机氮，被微生物降解后释放的低分子量酚类化合物可抑制土壤中的硝化作用和土壤脲酶活性引起的不必要的挥发，具有改善土壤理化性质，提高土壤通透性，防止板结的作用，在肥料领域具有广阔的应用前景。
公告号为（CN1927778A）的发明专利文件中公开了一种复合包膜型缓释肥料，该包膜缓释肥料的中间层采用高阻透性有机膜层包覆，热固性聚合物膜层或含硫热固性聚合物混合物膜层作为外层材料。其中有机膜层最好是非极性有机膜层，可以是低分子量非极性有机物或跟分子量非极性聚合物，并可加入缓释调节剂或增量剂。该缓释肥料可控制肥料的释放期延长，整个包膜层进一步提高对水和肥料的阻透能力。采用非极性的有机膜层和热固性聚合物作为包膜材料，使得其在土壤中较难降解，对土壤造成二次污染。
公告号为（CN108329176A）的发明专利文件中公开了一种具有保水缓释功能的生物有机肥料。该发明采用生物质原料、畜禽粪便、微生物菌剂、磁化水以及通过对淀粉改性后制备的保水剂为原料，制备了一种具有保水缓释功能的生物有机肥料。该发明在缓释肥中引入了吸水性，具有一定的保水功能，同时缓释效果较强，生物质分子易被植物吸收，提高了肥料的利用效率。该发明中的淀粉保水剂制备工艺较为复杂，此外由于淀粉在土壤中并不是百分之百可降解的，其不完全降解性也会对土壤带来二次污染。
公告号为（CN108329176A）的发明专利文件中公开了一种缓释有机肥料及其制备方法。该发明将海藻酸钠、有机膨润土、PEG600、柠檬酸钠和去离子水混合均匀，使用先进的超临界技术实现海藻酸钠和有机膨润土对有机肥料的内层包覆，得到微胶囊包覆的有机肥料颗粒，通过在冰浴中将微胶囊包覆的有机肥料与生物活性剂混合，通过超声辅助机械搅拌的方式，使生物活性剂均匀地负载在微胶囊包覆的有机肥料颗粒表面，再进一步地，通过配制的包衣液实现有机肥料的外层包覆。该发明制备得到的缓释有机肥料，有机肥料颗粒粒径和生物活性剂分布均匀，两者在土壤中的协同缓释作用明显，即改良土壤土质，还改善作物品质。该发明制备工艺复杂，提高了缓释肥料的成本，难以推广应用。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种环保型包膜缓释有机肥料及其制备方法。该发明制得的包膜缓释有机肥不但具有较好的缓释效果，也具有良好的保水持水能力，解决了生物有机肥的低成本问题，并减少了传统包膜肥料不完全降解对土壤造成的危害，实现了环境保护和废弃物资源的有效化利用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种环保型包膜缓释有机肥料，包括以下组分：
肥料内核a：50份～100份；
内层包膜b：乙醇溶解的乙基纤维素溶液1份～5份；
外层包膜c：30份～60份；
所述的肥料内核a采用尿素颗粒、交联剂、木质素粉末；所述的尿素颗粒50份～100份、交联剂1份～5份、木质素粉末50份～100份；
所述的乙基纤维素溶液采用1份～3份的乙基纤维素溶解于10份～20份的乙醇中；
所述的外层包膜c采用由角蛋白水解液制备的角蛋白基保水剂KPA粉末。
一种环保型包膜缓释有机肥料的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，肥料内核a的制备：将所制备的表面交联剂均匀喷涂在尿素颗粒表面，润湿尿素颗粒表面后，再将木质素粉末均匀包裹在尿素颗粒表面，干燥备用，得到含氮的缓释肥料内核a；
步骤2，内层包膜b的形成：将适量由乙醇溶解的乙基纤维素溶液喷涂在肥料内核表面，干燥，作为内层包膜b；
步骤3，外层包膜c的形成：加入由角蛋白水解液制备的角蛋白基保水剂KPA粉末，在雾化水的作用下包裹在肥料颗粒表面，作为外层包膜c；
步骤4，最终产品的形成：将内外双层包膜后的肥料颗粒在50℃干燥，过筛，得到肥料颗粒产品。
本发明的特点还在于：
步骤1中，表面交联剂的制备过程：将聚乙二醇和乙醇按5～10份:100份制备表面交联剂。
步骤1所述的木质素粉末，其提取的具体过程为：采用玉米秸秆碱法蒸煮后的黑液，取黑液10份，3～5M硫酸1～5份，采用酸析法从制浆黑液中分离纯化木质素，洗涤干燥后，研磨备用。
步骤3中，角蛋白水解液质量分数为8%～15%。
步骤3中，角蛋白基保水剂KPA的具体制备步骤为：取丙烯酸5份、角蛋白水解液10～15份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.001～0.01份、凹凸棒土0.02～0.3份、过硫酸钾0.01～0.2份加入反应容器中，在60℃～70℃的温度下搅拌0.5～2h，反应结束后将所得产物烘干、粉碎和过筛后，密封保存待用。
所述的黑液为氢氧化钾+蒽醌蒸煮所得。
本发明的有益效果是：
本发明利用畜禽毛和造纸黑夜中提取的木质素粉作为主要原料，提供了一种环保型包膜缓释有机肥料及其制备方法。该发明制得的包膜缓释有机肥有三层结构：肥料内核a、内层包膜b和外层包膜c，本发明提供的环保型包膜缓释有机肥料，具有良好的缓释效果和保水持水性能，同时可生物降解，可改善土壤的团粒结构和理化性能，增加土壤有机质含量，培肥地力，从而促进植物的根系生长，提高农作物品质，并且制备过程简单，原料廉价易得，使该肥料不但具有较好的缓释效果，也具有良好的保水持水能力，在降低缓释肥料成本的同时，实现了畜禽毛和制浆黑液的资源化利用，降低了传统缓释包膜肥料和废弃物对环境的污染，并减少了传统包膜肥料不完全降解对土壤造成的危害，实现了环境保护和废弃物资源的有效化利用，实现了生态，社会，经济的可持续发展。
附图说明
图1为本发明实施例3提供的环保型包膜缓释肥料的结构示意图。
图2为本发明实施例3提供的环保型包膜缓释肥料在不同阶段的SEM照片；其中图2（a）为尿素电镜图片；图2（b）为肥料内核（包裹木素）电镜图片；图2（c）为单层包膜肥料电镜图片；图2（d）为双层包膜肥料电镜图片；图2（e）为溶胀后的KPA电镜图片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例一
一种环保型包膜缓释有机肥料，包括以下组分：
肥料内核a：50份；
内层包膜b：乙醇溶解的乙基纤维素溶液1份；
外层包膜c：30份；
所述的肥料内核a采用尿素颗粒、交联剂、木质素粉末；所述的尿素颗粒50份、交联剂1份、木质素粉末50份；
所述的乙基纤维素溶液采用1份的乙基纤维素溶解于10份的乙醇中；
所述的外层包膜c采用由角蛋白水解液制备的角蛋白基保水剂KPA粉末。
实施例二
一种环保型包膜缓释有机肥料，包括以下组分：
肥料内核a：70份；
内层包膜b：乙醇溶解的乙基纤维素溶液3份；
外层包膜c：40份；
所述的肥料内核a采用尿素颗粒、交联剂、木质素粉末；所述的尿素颗粒70份、交联剂3份、木质素粉末70份；
所述的乙基纤维素溶液采用2份的乙基纤维素溶解于15份的乙醇中；
所述的外层包膜c采用由角蛋白水解液制备的角蛋白基保水剂KPA粉末。
实施例三
一种环保型包膜缓释有机肥料，包括以下组分：
肥料内核a：100份；
内层包膜b：乙醇溶解的乙基纤维素溶液5份；
外层包膜c：60份；
所述的肥料内核a采用尿素颗粒、交联剂、木质素粉末；所述的尿素颗粒100份、交联剂5份、木质素粉末100份；
所述的乙基纤维素溶液采用3份的乙基纤维素溶解于20份的乙醇中；
所述的外层包膜c采用由角蛋白水解液制备的角蛋白基保水剂KPA粉末。
实施例四，参见图1，一种环保型包膜缓释有机肥料的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1，肥料内核a的制备：加入50～100份直径为1.0～1.5mm的尿素颗粒，将所制备的表面交联剂1～5份（聚乙二醇：乙醇=5～10:100）喷涂在尿素颗粒表面，将尿素颗粒表面润湿后，加入提取的木质素粉末50～100份，将木质素粉末均匀包裹在尿素颗粒表面，干燥备用，得到含氮的缓释肥料内核；
步骤2，内层包膜b的形成：将由乙醇溶解的乙基纤维素溶液喷涂在肥料内核表面，干燥，作为内层包膜；
步骤3，外层包膜c的形成：加入所制备的角蛋白基保水剂KPA粉末，在雾化水的作用下包裹在肥料颗粒表面，作为外层包膜；
步骤4，最终产品的形成：将双层包膜后的肥料颗粒在50℃干燥，过筛，得到肥料颗粒产品；
实施例五
步骤1，肥料内核a的制备：加入直径为1.0～1.5mm的尿素颗粒50份，并在尿素颗粒表面喷涂1份所制备的表面交联剂（聚乙二醇：乙醇=5～10:100），待尿素颗粒表面润湿后，加入50份所提取的木质素粉末，将木质素粉末均匀包裹在尿素颗粒表面，干燥备用，得到含氮的缓释肥料内核；
步骤2，内层包膜b的形成：将由乙醇溶解的乙基纤维素溶液喷涂在肥料内核表面，干燥，作为内层包膜；
步骤3，外层包膜c的形成：加入所制备的角蛋白基保水剂KPA粉末，在雾化水的作用下包裹在肥料颗粒表面，作为外层包膜；
为了制备保水剂，所述步骤3中角蛋白基保水剂KPA的制备具体过程为：取丙烯酸5份、角蛋白水解液10份、N，N-亚甲基双丙烯酰胺0.001份、凹凸棒土0.02份、过硫酸钾0.01份加入反应容器中，在60℃的温度下搅拌0.5h，反应结束后将所得产物烘干、粉碎和过筛后得到KPA；
步骤4，最终产品的形成：将双层包膜后的肥料颗粒在50℃干燥，过筛，得到肥料颗粒产品；
实施例六
步骤1，肥料内核a的制备：加入70份直径为1.0～1.5mm的尿素颗粒，
并在尿素颗粒表面喷涂3份所制备的表面交联剂（聚乙二醇：乙醇=5～10:100），待尿素颗粒表面润湿后，加入70份所提取的木质素粉末，将木质素粉末均匀包裹在尿素颗粒表面，干燥备用，得到含氮的缓释肥料内核；
步骤2，内层包膜b的形成：将由乙醇溶解的乙基纤维素溶液喷涂在肥料内核表面，干燥，作为内层包膜；
步骤3，外层包膜c的形成：加入所制备的角蛋白基保水剂KPA粉末，在雾化水的作用下包裹在肥料颗粒表面，作为外层包膜；
为了制备保水剂，所述步骤3中角蛋白基保水剂KPA的制备具体过程为：取丙烯酸5份、角蛋白水解液13份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.005份、凹凸棒土0.16份、过硫酸钾0.1份加入反应容器中，在65℃的温度下搅拌1h，反应结束后将所得产物烘干、粉碎和过筛后得到KPA；
步骤4，最终产品的形成：将双层包膜后的肥料颗粒在50℃干燥，过筛，得到肥料颗粒产品；
实施例七
步骤1，肥料内核a的制备：加入100份直径为1.0～1.5mm的尿素颗粒，并在尿素颗粒表面喷涂5份所制备的表面交联剂（聚乙二醇：乙醇=5～10:100），待尿素颗粒表面润湿后，将所制备的表面交联剂（聚乙二醇：乙醇=5～10:100）喷涂在尿素颗粒表面，将尿素颗粒表面润湿后，加入100份所提取的木质素粉末，将木质素粉末均匀包裹在尿素颗粒表面，干燥备用，得到含氮的缓释肥料内核；
步骤2，内层包膜b的形成：将由乙醇溶解的乙基纤维素溶液喷涂在肥料内核表面，干燥，作为内层包膜；
步骤3，外层包膜c的形成：加入所制备的角蛋白基保水剂KPA粉末，在雾化水的作用下包裹在肥料颗粒表面，作为外层包膜；
为了制备保水剂，所述步骤3中角蛋白基保水剂KPA的制备具体过程为： 取丙烯酸5份、角蛋白水解液15份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.01份、凹凸棒土0.3份、过硫酸钾0.2份加入反应容器中，在70℃的温度下搅拌2h，反应结束后将所得产物烘干、粉碎和过筛后得到KPA；
步骤4，最终产品的形成：将双层包膜后的肥料颗粒在50℃干燥，过筛，得到肥料颗粒产品。
参见图2（a）～（e），图2（a）为尿素颗粒电镜图，尿素颗粒表面较为光滑，易溶解于水中，所以在土壤中肥效易损失；图2（b）为肥料内核（包裹木素）电镜图，说明将木质素混合粉末包裹在尿素颗粒表面后，肥料内核表面较为粗糙，说明木质素粉末成功包覆在尿素表面，降低尿素迅速溶解于水的能力，同时木质素本身在土壤中降解后可成为有肥效的腐殖质；图2（c）为单层包膜肥料电镜图，可以看出，肥料颗粒表面形成一层较为光滑的疏水性薄膜，这可以减缓内部尿素的释放；图2（d）为双层包膜肥料电镜图，可以看出将KPA粉末包膜在肥料颗粒外层后，颗粒表面出现部分凸起和凹陷，并能观察到KPA小颗粒，表明KPA成功包覆在肥料表面，具有保水缓释的效果；图2（e）为经溶胀冷冻干燥后的KPA电镜图，可以看出最外层包膜呈现三维立体网状结构，该结构不但具有吸水保水功能，还可以减缓内部肥料养分的释放。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明保护范围内。
