一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤及其制备方法
技术领域
本发明涉及颗粒土壤领域，尤其涉及一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤及其制备方法。
背景技术
中国是一个水资源缺乏的国家，干旱半干旱地区占国土总面积的47％，水资源成为制约国民经济发展的重要因素之一。尤其我国作为农业大国，种植物对水资源的需求量更甚，而目前多通过保水剂来起到节水、保水、土壤改良的作用，其在农林园艺方面已逐渐应用。但现有的保水剂生产成本较高，不利于大面积推广使用，同时市面上的保水剂重复稀释水能力较弱，施用后效果持续时间短、不耐盐，而且长期使用会引起土壤板结、pH值升高等不利影响，很难满足实际要求。同时，由于颗粒土壤为无机基质，还不能满足植物生长对营养的需求，而且现有的颗粒土壤的保水性还不够强，在室外种植时水分散失较快，可推广效果差。因此，提供一种成本低、且具有良好的保水保肥效果的颗粒土壤是本领域的一项技术问题。
发明内容
本发明针对以上技术问题，提供一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤及其制备方法。
本发明采用以下技术方案：
一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤，该颗粒土壤的原料组分包括重量比为100-200:1-20:50-80:40-60的粉煤灰、聚乙烯醇、改性聚合物和水，其中改性聚合物由以下重量份的原料制备：腐殖酸0.5-5份，羧甲基纤维素1-10份，丙烯酰胺5-10份，N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.01-0.5份，过硫酸钾0.1-0.5份，水10-30份。
本发明还提供一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤的制备方法，包括以下步骤：
(1)按原料配比称取羧甲基纤维素、丙烯酰胺、腐殖酸溶于水中搅拌0.5-1h，再加入过硫酸钾和N,N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌2.5-3h，充分混合均匀得到混合物；
(2)将步骤(1)中混合物在水浴条件下反应4-5h，冷却至室温，用蒸馏水反复洗涤后在50-70℃下烘干至恒重，得到改性聚合物；
(3)将步骤(2)得到的改性聚合物进行粉碎后添加至造粒机中，并按比例添加粉煤灰、聚乙烯醇和水进行造粒，之后恒温烘干得到颗粒土壤。
进一步的，步骤(2)中水浴温度为60-65℃。
进一步的，步骤(3)中造粒机的转速为1000-2000r/min,造粒时间为10-40min。
进一步的，步骤(3)中烘干温度为60-70℃。
本发明的腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤及其制备方法，具有以下有益效果：
(1)本发明利用腐殖酸和羧甲基纤维素通过交联反应，生成一种三维网状高分子聚合物，其分子表面的羧基、羟基等亲水基团遇水后电离并且与水分子结合形成极性氢键，形成的氢键可以增强分子的吸水性能，亲水基团还可通过静电引力、范德华力以及离子交换等增强对养分的吸附作用；且腐殖酸具有促进植物生长、增加作物的抗逆性、改善植物的营养状况等特性，进而有效提高颗粒土壤的保水、保肥能力。
(2)将腐殖酸和羧甲基纤维素交联反应制成的改性聚合物与粉煤灰造粒生成颗粒土壤，当外部土壤水分被作物消耗而导致土壤基质势吸力升高时，颗粒土壤能缓慢释放储存的水分和养分到土壤中，供作物吸收利用，从而起到抗旱保墒、增肥的作用。
(3)本发明以粉煤灰为原料制备颗粒土壤，为固体废弃物提供了一种有效利用途径，可缓解固体废弃物的污染问题，同时腐殖酸和羧甲基纤维素的使用，有助于解决现有的颗粒土壤保水保肥性能差、营养成分单一固定等问题；且腐殖酸的来源广泛、价格低廉，使得本发明颗粒土壤的原料易得，有利于降低颗粒土壤的生产成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤的制备工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤，该颗粒土壤的原料组分包括重量比为100-200:1-20:50-80:40-60的粉煤灰、聚乙烯醇、改性聚合物和水，其中改性聚合物由以下重量份的原料制备：腐殖酸0.5-5份，羧甲基纤维素1-10份，丙烯酰胺5-10份，N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.01-0.5份，过硫酸钾0.1-0.5份，水10-30份。
本发明以粉煤灰与改性聚合物等为原料制备得到颗粒土壤，改性聚合物主要是利用腐殖酸和羧甲基纤维素通过交联反应生成一种三维网状高分子聚合物，其分子表面的羧基、羟基等亲水基团遇水后电离并与水分子结合形成极性氢键，形成的氢键可以增强分子的吸水性能，亲水基团还可通过静电引力、范德华力以及离子交换等增强对养分的吸附作用。将改性聚合物利用粉煤灰进行包裹造粒，制备出的颗粒土壤富含均匀多孔结构、质地轻不板结，稀释水能力较强，相对于天然沙子具有较好的保水保肥能力，可以重复循环利用。
进一步的，颗粒土壤的原料还包括微量元素。在制备颗粒土壤时，可根据具体植物元素需求加入富含该元素的矿物，来满足植物的生长需求。
本发明还提供一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)按原料配比称取羧甲基纤维素、丙烯酰胺、腐殖酸溶于水中搅拌0.5-1h，再加入过硫酸钾和N,N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌2.5-3h，充分混合均匀得到混合物；
(2)将步骤(1)中混合物在60-65℃的水浴条件下反应4-5h，冷却至室温，用蒸馏水反复洗涤后在50-70℃下烘干至恒重，得到改性聚合物；
(3)将步骤(2)得到的改性聚合物进行粉碎后添加至造粒机中，并按比例添加粉煤灰、聚乙烯醇和水进行造粒，造粒机的转速为1000-2000r/min,造粒时间为10-40min，之后在60-70℃下恒温烘干得到颗粒土壤。
腐殖酸和羧甲基纤维素等通过交联反应生成具有高吸水和保水能力的高分子聚合物，能够吸收自身重量百倍甚至千倍的水分，从而将土壤水分储存于分子中，再利用粉煤灰对高分子聚合物进行包裹造粒。当环境相对湿度降低时，可缓慢释放其中水分供植物利用，并可重复稀释水，利用腐殖酸等来增加其有机成分，使得本发明制得的颗粒土壤可应用在抗旱保墒、固土改土、控制水土流失和土地荒漠化等领域中。
更具体的，腐殖酸是土壤主要的有机组成部分，施用后引起的土壤不良反应较一般人工合成类物质弱，它不仅可以促进植物生长发育、增加作物的抗逆性、改善植物的营养状况，并能够提高土壤的保肥、保水能力，同时腐殖酸的来源广泛、价格低廉，适宜大范围推广。
下面将结合具体实施例，对本发明的腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤及其制备方法作进一步说明。
实施例1
一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤，该颗粒土壤的原料组分包括重量比为100:1:50:40的粉煤灰、聚乙烯醇、改性聚合物和水，其中改性聚合物由以下重量份的原料制备：腐殖酸0.5份，羧甲基纤维素1份，丙烯酰胺5份，N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.01份，过硫酸钾0.1份，水10份。
本实施例中腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)按原料配比称取羧甲基纤维素、丙烯酰胺、腐殖酸溶于水中搅拌0.5h，再加入过硫酸钾和N,N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌3h，充分混合均匀得到混合物；
(2)将步骤(1)中混合物在65℃的水浴条件下反应4h，冷却至室温，用蒸馏水反复洗涤后在50℃下烘干至恒重，得到改性聚合物；
(3)将步骤(2)得到的改性聚合物进行粉碎后添加至造粒机中，并按比例添加粉煤灰、聚乙烯醇和水进行造粒，造粒机的转速为1000r/min,造粒时间为40min，之后在65℃下恒温烘干得到颗粒土壤；
(4)取400mL本实施例制备的颗粒土壤铺在500mL花盆内，将空心菜插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录空心菜生长情况。
实施例2
一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤，该颗粒土壤的原料组分包括重量比为150:10:60:50的粉煤灰、聚乙烯醇、改性聚合物和水，其中改性聚合物由以下重量份的原料制备：腐殖酸3份，羧甲基纤维素5份，丙烯酰胺7.5份，N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.25份，过硫酸钾0.25份，水20份。
本实施例中腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)按原料配比称取羧甲基纤维素、丙烯酰胺、腐殖酸溶于水中搅拌0.5h，再加入过硫酸钾和N,N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌2.5h，充分混合均匀得到混合物；
(2)将步骤(1)中混合物在60℃的水浴条件下反应5h，冷却至室温，用蒸馏水反复洗涤后在70℃下烘干至恒重，得到改性聚合物；
(3)将步骤(2)得到的改性聚合物进行粉碎后添加至造粒机中，并按比例添加粉煤灰、聚乙烯醇和水进行造粒，造粒机的转速为1500r/min,造粒时间为30min，之后在60℃下恒温烘干得到颗粒土壤；
(4)取400mL本实施例制备的颗粒土壤铺在500mL花盆内，将空心菜插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录空心菜生长情况。
实施例3
一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤，该颗粒土壤的原料组分包括重量比为200:20:80:60的粉煤灰、聚乙烯醇、改性聚合物和水，其中改性聚合物由以下重量份的原料制备：腐殖酸5份，羧甲基纤维素10份，丙烯酰胺10份，N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.5份，过硫酸钾0.5份，水30份。
本实施例中腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)按原料配比称取羧甲基纤维素、丙烯酰胺、腐殖酸溶于水中搅拌1h，再加入过硫酸钾和N,N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌3h，充分混合均匀得到混合物；
(2)将步骤(1)中混合物在65℃的水浴条件下反应4h，冷却至室温，用蒸馏水反复洗涤后在60℃下烘干至恒重，得到改性聚合物；
(3)将步骤(2)得到的改性聚合物进行粉碎后添加至造粒机中，并按比例添加粉煤灰、聚乙烯醇和水进行造粒，造粒机的转速为2000r/min,造粒时间为10min，之后在60℃下恒温烘干得到颗粒土壤；
(4)取400mL本实施例制备的颗粒土壤铺在500mL花盆内，将空心菜插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录空心菜生长情况。
实施例4
一种腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤，该颗粒土壤的原料组分包括重量比为120:10:50:40的粉煤灰、聚乙烯醇、改性聚合物和水，其中改性聚合物由以下重量份的原料制备：腐殖酸2份，羧甲基纤维素4份，丙烯酰胺6份，N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.1份，过硫酸钾0.2份，水15份。
本实施例中腐殖酸改性粉煤灰颗粒土壤的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)按原料配比称取羧甲基纤维素、丙烯酰胺、腐殖酸溶于水中搅拌0.5h，再加入过硫酸钾和N,N-亚甲基双丙烯酰胺搅拌2.5-3h，充分混合均匀得到混合物；
(2)将步骤(1)中混合物在65℃的水浴条件下反应4h，冷却至室温，用蒸馏水反复洗涤后在50℃下烘干至恒重，得到改性聚合物；
(3)将步骤(2)得到的改性聚合物进行粉碎后添加至造粒机中，并按比例添加粉煤灰、聚乙烯醇和水进行造粒，造粒机的转速为1200r/min,造粒时间为25min，之后在70℃下恒温烘干得到颗粒土壤；
(4)取400mL本实施例制备的颗粒土壤铺在500mL花盆内，将空心菜插在颗粒土壤中，加入150mL水，观察并记录空心菜生长情况。
对比例1
本对比例的原料及制备方法与实施例1一致，区别仅在于不添加改性聚合物，仅利用粉煤灰造粒制备颗粒土壤，得到改性前的粉煤灰颗粒土壤。
取400mL本对比例制得的改性前颗粒土壤，铺在500mL花盆内，将空心菜插在颗粒土壤中，加入150mL水，在相同的环境下观察并记录空心菜生长情况。
将本发明实施例1-4和对比例1中的颗粒土壤进行含水、保水性能测试，并记录在实施例1-4及对比例1中培育的空心菜15天后的株高情况，结果如表1所示。
表1颗粒土壤性能测试结果
由表1可知，本发明实施例制得的颗粒土壤的饱和含水量在90-120％之间，远大于改性前颗粒土壤的饱和含水量；同时与改性前颗粒土壤的保水能力相比，本发明经过腐殖酸改性的粉煤灰颗粒土壤，其保水能力近乎改性前的2倍，大大提高了颗粒土壤的保水能力，在具有良好的保水保肥能力的颗粒土壤中种植的空心菜的生长情况也优于改性前颗粒土壤。可见本发明制得的颗粒土壤具有良好的保水保肥能力，且采用粉煤灰固废以及腐殖酸等原料，来源广泛成本低，适宜在抗旱保墒、固土改土、控制水土流失和土地荒漠化等领域中大范围推广应用。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
