石墨烯胶囊缓释农家肥及其制备方法
技术领域
本发明涉及石墨烯胶囊缓释农家肥及其制备方法，属于肥料技术领域。
背景技术
目前我国的农业科技领域主要聚焦于：如何使粮食作物超高产、高品质育种；如何保证农产品优质高效安全生产技术；如何设施农业工程技术；如何提升农产品精深加工技术、节水农业技术和农业生态环境保护和资源综合利用技术；如何发展农业高新技术和基础研究。
在此背景下，作为刀耕火种时代起就一直存在至今的农家肥促进农作物生长的方法，也存在明显的不足之处。农业上农家肥主要通过人工或机械的途径直接播撒到土壤之中，在农家肥中的氮肥、磷肥、钾肥等被农作物完全吸收之前，由于雨水冲刷、日晒风吹、与土壤中的钙等元素结合等多种非人为因素的作用，导致农家肥利用率低，浪费资源且对土壤造成污染，加重环境负担。
虽然现在也存在各类如：专利《一种缓释型化肥》(201710292197.4)；专利《高分子缓释肥》(201710663752.X)；专利《生物菌剂增效缓释化肥》(201910132409.1)；专利《一种基于茶叶种植的石墨烯有机肥》(201810526435.8)的缓释化肥产品，但是这些化肥产品普遍存在成本高、缓释时效短、对农作物高产效果低、缓释效果不稳定、制备技术复杂、操作困难、不能批量生产等多种缺点。
发明内容
针对以上缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种肥效较好的石墨烯胶囊缓释农家肥的制备方法。
本发明石墨烯胶囊缓释农家肥的制备方法，包括如下步骤：
1)将纳米氧化锌置于炉内，通入保护气体，然后升温至450～800℃，保持保护气体通入的同时通入催化碳源气体进行催化反应，反应温度为450～800℃，反应时间为80～100min，然后冷却至室温，得到石墨烯/氧化锌复合材料；
2)将石墨烯/氧化锌复合材料于硝酸溶液中浸泡以除去纳米氧化锌，然后分离，干燥，并于保护气体保护下、900～1500℃保温6～10h，得到石墨烯胶囊；
3)将石墨烯胶囊与农家肥按质量比0.5％～5％:1混匀，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
优选的，步骤1)中，将纳米氧化锌置于旋转炉内，并保持旋转炉转速为15～20转/min。
进一步优选的，步骤1)中，催化碳源气体的流量为65～100mL/min，保护气体的流量为65～100mL/min。
优选的，步骤1)中，所述催化碳源气体为乙炔或甲烷；所述保护气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。
优选的，步骤2)所述硝酸溶液中，浓硝酸与水的体积比为(3～5):1，所述浓硝酸以质量浓度为68％计。
优选的，步骤3)中，所述农家肥为人类粪尿、牧畜类粪尿、植物腐烂物或厨余垃圾。
作为优选方案，在步骤2)之后，将石墨烯胶囊浸泡在去离子水中，石墨烯和去离子水的质量比为10％～15％:1，超声分散后，再进行步骤3)中的与农家肥混匀。
进一步优选的，石墨烯胶囊在去离子水中的浸泡时间为24～48h，超声分散时间为20～30min。
本发明还提供本发明方法所述制备得到的石墨烯胶囊缓释农家肥。
本发明石墨烯胶囊缓释农家肥，利用含有大量缺陷的高曲率石墨烯胶囊三维网络结构，此石墨烯胶囊比之市面上现有的石墨烯具有更大的比表面积、不易团聚等特点，并且由于石墨烯胶囊的中空结构，能够储存更多的物质，减缓损耗。石墨烯胶囊通过与所述农家肥结合，从而将有效营养元素固定于石墨烯胶囊三维网络结构之中，从而提高农家肥利用率，使得土壤中的农家肥能被农作物充分吸收，增效了农家肥对农作物良性作用，使农作物的长势、产量、品质得到提升，降低了农产品的成本。同时由于土壤中重金属离子也能被固定于石墨烯胶囊三维网络结构之中，减少了对环境的污染，对环境有一定清洁作用。加之石墨烯胶囊可以很容易的用水洗去，故不会对人体健康造成影响。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明方法简单，工艺简便易操作，成本较低，得到的石墨烯胶囊缓释农家肥，对农家肥的增效显著，使农作物的长势、产量、品质得到提升，降低了农产品的成本。
2、本发明石墨烯胶囊缓释农家肥，能固定土壤中的重金属离子，减少了对环境的污染，对环境有一定清洁作用。
3、本发明石墨烯胶囊缓释农家肥，成分简单，不含有害化学物，且石墨烯胶囊可以很容易的用水洗去，不会对人体健康造成影响。
附图说明
图1为本发明实施例1中硝酸处理前的石墨烯/氧化锌的复合材料以及硝酸处理后的石墨烯胶囊的拉曼图像。
图2为本发明实施例的石墨烯胶囊的SEM图像。
图3为本发明实施例的石墨烯胶囊的TEM图像。
图4为本发明试验例1中浇施实施例4所得肥料的小黄瓜藤以及空白组的小黄瓜藤结出的小黄瓜图片。
具体实施方式
本发明石墨烯胶囊缓释农家肥的制备方法，包括如下步骤：
1)将纳米氧化锌置于炉内，通入保护气体，然后升温至450～800℃，保持保护气体通入的同时通入催化碳源气体进行催化反应，反应温度为450～800℃，反应时间为80～100min，然后冷却至室温，得到石墨烯/氧化锌复合材料；
2)将石墨烯/氧化锌复合材料于硝酸溶液中浸泡以除去纳米氧化锌，然后分离，干燥，并于保护气体保护下、900～1500℃保温6～10h，得到石墨烯胶囊；
3)将石墨烯胶囊与农家肥按质量比0.5％～5％:1混匀，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
本发明方法，通过特定方法制备得到石墨烯胶囊，再将其与农家肥互混，利用含有大量缺陷的高曲率石墨烯胶囊三维网络结构和中空结构储存营养元素，从而达到提高农家肥利用率、吸附土壤中重金属离子和增效农家肥对农作物的良性作用。
步骤1)为制备得到石墨烯/氧化锌复合材料的过程，通过通入催化碳源气体进行催化反应，在纳米ZnO颗粒表面生长包覆石墨烯纳米层，得到石墨烯/氧化锌的复合材料。
常用的可加热的炉均可用于本发明，优选的，将将纳米氧化锌置于旋转炉内，并保持旋转炉转速为15～20转/min。
优选的，步骤1)中，催化碳源气体的流量为65～100mL/min，保护气体的流量为65～100mL/min。
优选的，步骤1)中，所述催化碳源气体为乙炔或甲烷；所述保护气体为氦气、氖气、氩气、氪气、氙气或氮气。
步骤2)中，将石墨烯/氧化锌复合材料于硝酸溶液中浸泡以除去纳米氧化锌，然后干燥焙烧，得到石墨烯胶囊。
在硝酸溶液中浸泡的目的是为了去除氧化锌，因此，能够与氧化锌反应的硝酸浓度均适用于本发明，同时，硝酸处理石墨烯胶囊，可以将C表面氧化，形成含氧的亲水官能团如羧基、羟基等，完成接枝形成微乳液，从而提高石墨烯胶囊对农家肥的缓释增效效果。优选的，所述硝酸溶液中，浓硝酸与水的体积比为(3～5):1，所述浓硝酸以质量浓度为68％计。
进一步优选的，步骤3)中，所述农家肥为人类粪尿、牧畜类粪尿、植物腐烂物或厨余垃圾。
本发明方法，可将步骤2)所得石墨烯胶囊直接与农家肥混匀，为了进一步提高肥效，优选的，将步骤2)所得石墨烯胶囊浸泡在去离子水中，石墨烯和去离子水的质量比为10％～15％，超声分散后，再进行步骤3)中的与农家肥混匀。
优选的，石墨烯胶囊在去离子水中的浸泡时间为24～48h，超声分散时间为20～30min。
本发明还提供本发明方法所述制备得到的石墨烯胶囊缓释农家肥。
本发明石墨烯胶囊缓释农家肥，利用含有大量缺陷的高曲率石墨烯胶囊三维网络结构，此石墨烯胶囊比之市面上现有的石墨烯具有更大的比表面积、不易团聚等特点，并且由于石墨烯胶囊的中空结构，能够储存更多的物质，减缓损耗。石墨烯胶囊通过与所述农家肥结合，从而将有效营养元素固定于石墨烯胶囊三维网络结构之中，从而提高农家肥利用率，使得土壤中的农家肥能被农作物充分吸收，增效了农家肥对农作物良性作用，使农作物的长势、产量、品质得到提升，降低了农产品的成本。同时由于土壤中重金属离子也能被固定于石墨烯胶囊三维网络结构之中，减少了对环境的污染，对环境有一定清洁作用。加之石墨烯胶囊可以很容易的用水洗去，故不会对人体健康造成影响。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
采用如下方法制备得到石墨烯胶囊缓释农家肥：
步骤1：取500g纳米ZnO颗粒置于CVD旋转炉内，通入惰性气体氩气作为保护气体，旋转炉转速在18转/min，然后将旋转炉升温至650℃后，保持惰性气体通入的同时通入催化碳源气体乙炔作为反应气体进行催化反应，反应温度为650℃，反应时间为90min，完成后自然冷却至室温，取出产物，即可在纳米ZnO颗粒表面生长包覆石墨烯纳米层，得到石墨烯/氧化锌的复合材料。
步骤2：将步骤1得到的产物在硝酸中浸泡72h，以除去纳米ZnO颗粒，分离，干燥后，在CVD炉中惰性气体气氛、1200℃下保温8h，冷却至室温，取出，得到石墨烯胶囊(GC)。
硝酸处理前的石墨烯/氧化锌的复合材料以及硝酸处理后的石墨烯胶囊的拉曼图像见图1。图1中，before为硝酸处理前的石墨烯/氧化锌的复合材料(即步骤1的石墨烯/氧化锌的复合材料)，after为硝酸处理后的石墨烯胶囊。从图1中可以明显观察到D、G峰强度下降，ID/IG升高，表明了硝酸处理后的石墨烯胶囊无序度上升，石墨化程度降低，印证了硝酸处理后，亲水官能团接枝成功。
石墨烯胶囊的SEM图见图2，TEM图见图3。
步骤3：将步骤2得到的石墨烯胶囊浸泡于去离子水中24h，超声分散30min后，得到微乳液。石墨烯胶囊和去离子水的质量比为12％。
步骤4：取微乳液与农家肥混合搅拌，微乳液中的石墨烯胶囊与农家肥质量比为1％，静置24小时后待其完全互相浸润，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
实施例2
采用如下方法制备得到石墨烯胶囊缓释农家肥：
步骤1、步骤2和步骤3同实施例1；
步骤4：取微乳液与农家肥混合搅拌，微乳液中的石墨烯胶囊与农家肥质量比为2％，静置24小时后待其完全互相浸润，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
实施例3
采用如下方法制备得到石墨烯胶囊缓释农家肥：
步骤1、步骤2和步骤3同实施例1；
步骤4：取微乳液与农家肥混合搅拌，微乳液中的石墨烯胶囊与农家肥质量比为3％，静置24小时后待其完全互相浸润，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
实施例4
采用如下方法制备得到石墨烯胶囊缓释农家肥：
步骤1、步骤2和步骤3同实施例1；
步骤4：取微乳液与农家肥混合搅拌，微乳液中的石墨烯胶囊与农家肥质量比为4％，静置24小时后待其完全互相浸润，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
实施例5
采用如下方法制备得到石墨烯胶囊缓释农家肥：
步骤1和步骤2同实施例1；
步骤3：将步骤2得到的石墨烯胶囊浸泡于去离子水中36h，石墨烯和去离子水的质量比为12％，超声分散20min后，得到微乳液。
步骤4：取微乳液与农家肥混合搅拌，微乳液中的石墨烯胶囊与农家肥质量比为4％，静置24小时后待其完全互相浸润，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
实施例6
采用如下方法制备得到石墨烯胶囊缓释农家肥：
步骤1和步骤2同实施例1；
步骤3：将步骤2得到的石墨烯胶囊浸泡于去离子水中48h，超声分散30min后，得到微乳液。石墨烯胶囊和去离子水的质量比为12％。
步骤4：取微乳液与农家肥混合搅拌，微乳液中的石墨烯胶囊与农家肥质量比为4％，静置24小时后待其完全互相浸润，得到石墨烯胶囊缓释农家肥。
对比例1
石墨烯(市售，德阳烯碳科技有限公司)浸泡于去离子水中24h，超声分散30min后，得到微乳液。石墨烯和去离子水的质量比为12％。
步骤4：取微乳液与农家肥混合搅拌，微乳液中的石墨烯与农家肥质量比为4％，静置24小时后待其完全互相浸润，得到石墨烯缓释农家肥。
试验例1
所选的农作物为小黄瓜，采用控制变量法，综合对比同期未加入石墨烯胶囊的小黄瓜生长、产量、品质情况，判断石墨烯胶囊缓释农家肥的增效缓释作用。
步骤1、选取50株苗龄35天左右，叶龄在3-4叶，浇过1-4次缓苗水，已定植但未曾施加过肥水的小黄瓜藤，所选两株藤种植地需要至少超过90厘米距离，标记并记录编号；
步骤2、将步骤1标记的50株小黄瓜藤以5-7天为一个周期浇肥水，且此对照实验周期控制在4-10个周期内。肥水配比浓度随实验周期增长而有规律上升，但水的重量与农家肥的重量比总体控制在0.05％-0.1％之间，且施加方式为均匀挥洒，施加位置均在为以根系为圆心的圆内，可选的施肥半径范围在12-20厘米之间；
步骤3、将经过步骤2得到的50株小黄瓜藤，选取黄瓜藤高度、叶片数量和大小、主蔓直径均相似的20株做对照实验，重新标记并记录编号；取实施例4的石墨烯胶囊缓释农家肥留于施用；其中，10株施用石墨烯胶囊缓释农家肥作为实验组，另外10株为空白组，施用农家肥)；
步骤4、将步骤3得到的20株小黄瓜藤，以5-7天为一个周期，每个周期观察并记录其黄瓜藤高度、叶片数量和大小、主蔓直径情况，将每个周期的空白组施用未处理的农家肥植株高度定为100％，其它处理均与其进行对比换算，得到的植株高度比见表1。
浇施实施例4所得肥料的小黄瓜藤以及空白组的小黄瓜藤结出的小黄瓜见图4。图4表明，得到的小黄瓜在大小上都有差别。其中施加了石墨烯胶囊的小黄瓜藤所得到的小黄瓜长度是未施加石墨烯胶囊小黄瓜藤所得小黄瓜的2倍以上；施加了石墨烯胶囊的小黄瓜藤所得到的小黄瓜直径是未施加石墨烯胶囊小黄瓜藤所得小黄瓜的1.5倍以上；施加了石墨烯胶囊的小黄瓜藤所得到的小黄瓜重量是未施加石墨烯胶囊小黄瓜藤所得小黄瓜的4倍以上。
采用上述的方法，仅将步骤3中，更换实验组施用的肥料，分别取实施例1～3、5和6以及对比例1的缓释农家肥留于施用，施用后，分别记录5个周期内小黄瓜藤高度比例，其结果见表1，表1中的数据均为平均数。
表1实验组与空白组、对照组植株高度比例
