腐植酸钾对大量元素粉体水溶肥防结块性能的影响

王家盛1,2　霍晓月1　张　伟1

(1　燕山大学 秦皇岛 066004

2　中国－阿拉伯化肥有限公司 秦皇岛 066003)

摘　要：以20-20-20大量元素粉体水溶肥作为研究对象，在其制备过程中添加一定量的腐植酸钾。对添加腐植酸钾前后的粉体水溶肥样品进行快速压块测试，结合X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)的表征结果发现，通过添加0.5%的腐植酸钾，对大量元素粉体水溶肥产品的外观形貌和结构组分都产生了积极的影响，从而有效改善了产品的防结块性能。

关键词：粉体水溶肥　腐植酸钾　防结块

Effect of Potassium Humate Additive on the Anti-caking Performance of

Major Element PowderWater-soluble Fertilizer

Wang Jiasheng1,2,Huo Xiaoyue1,ZhangWei1

(1 Yanshan University,Qinhuangdao,066004

2 Sino-Arab Chemical Fertilizers Co.Ltd.,Qinghuangdao,066003)

Abstract: Potassium humate doped into the 20-20-20major element powder water-soluble fertilizer was studied.Fast caking test for samples with and without potassium humate were carried out respectively,and combined with XRD and SEM test,the results show that with a small amount addition of potassium humate,both the structure and surface morphology of the product have achieved positive impacts,thus effectively improving the anti-caking performance of the product.

Key words: powder water-soluble fertilizer;potassium humate;anti-caking

水溶性肥料(water soluble fertilizer)，简称水溶肥，是一种可以完全溶于水的多元复合肥料，它能迅速地溶解于水中，更容易被作物吸收，而且其吸收利用率相对较高。更为关键的是，它可以应用于喷滴灌等设施农业，实现水肥一体化，达到省水、省肥、省工的效能[1]。水溶肥按我国水溶肥现行产品标准分类，有大量元素水溶肥料、微量元素水溶肥、含氨基酸水溶肥、含腐植酸水溶肥等。其中，大量元素粉体水溶肥因具有养分含量高、生产工艺简单、便于运输和使用等优势，已成为国内水溶肥市场上最受欢迎的品种之一。然而，现有大量元素粉体水溶肥产品也存在一些问题，比如在储运过程中易潮解、易结块等，尤其是尿素系高氮含量粉体复合肥易吸湿而且结块情况普遍，它一方面给产品的储运带来困难，同时给机械化施肥用户和人工使用造成诸多困难[2]。因此，研究解决水溶性肥料的防结块问题具有现实意义。

[收稿日期]2015-11-05

[作者简介]王家盛，男，1980生，博士，化工工程师，主要从事磷化工与新型肥料研发工作，E-mail：7117271@qq.com。

腐植酸是一类大分子天然有机酸的总称，主要来源于泥炭、褐煤、风化煤及各种生物发酵物质，分子链中含有大量的活性基团。经过我国科技人员的努力和大量的农学试验证明，腐植酸与肥料结合后具有提高肥效、协同增产、抗逆、抗盐害以及作为微量元素载体等方面的作用[3]。因此，将腐植酸与氮、磷、钾等无机养分相结合，能够对化肥起到很好的增效作用。但普通矿源腐植酸由于含有分子量较大的棕腐酸和黑腐酸等难溶于水的成分，而无法添加到水溶肥中去。腐植酸钾(简称腐钾，英文缩写为HA-K)作为一种将腐植酸与钾离子结合的新型混合物，近年来受到国内外广泛关注，它具有丰富的羧基、羟基、酚羟基、醌基、甲氧基等活性基团，并能够同时提供一定量的钾养分，更突出的是它的水溶性良好，能够提高土壤速效钾(特别是水溶性钾)的含量，适合应用于水溶性肥料[4]。

本文中主要研究腐植酸钾添加到大量元素粉体水溶性肥料后对其防结块性能的影响。

1　实验部分

1.1　实验材料与仪器

1.1.1　实验材料

本实验中所使用的材料有：腐植酸钾：腐植酸(干基计)≥60.0%，K2O(干基计)≥10.0%，由新疆双龙腐植酸有限公司生产；尿素(工业级)、磷酸二氢钾(工业级)、硝酸钾(工业级)、磷酸一铵(工业级)等，均为市场购买。

1.1.2　实验仪器

微型造粒机(自制，1 kg级)；101-2AB型电热鼓风干燥箱(天津市泰斯仪器有限公司)；仪表恒温水浴锅(上海申光仪器仪表有限公司)；高速万能粉碎机(北京永光明医疗仪器厂)；玻璃仪器气流烘干器(长城科工贸有限公司)；扫描电子显微镜(S•4800型)；X射线衍射仪(D/max 2500/PC型)；电子分析天平(LD400-3型)；标准检验筛；快速结块装置(自制)；小型包衣机(BY300A型)。

1.2　实验原理及方法

1.2.1　样品配制方法及防结块测试方法

(1)将尿素、硝酸钾、磷酸二氢钾、工业磷酸一铵等原料按设定配方分别称量后混合，在高速粉碎机内粉碎至60～80目，得到20-20-20(N∶P2O5∶K2O=20∶20∶20)大量元素粉体水溶肥，备用。

(2)将一定量的腐植酸钾置于研钵中，充分研磨至60～80目，备用。

(3)分别称取18份20-20-20大量元素粉体水溶肥，每份2 g，分成6组，分别加入占其质量百分比为0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的腐植酸钾，置于BY300A小型包衣机内，以60 rpm的转速混合3 min后装袋。

(4)混合完成后，将相同重量的加有防结块剂的样品马上装入快速结块装置并用重物压紧，样品所受压强为20 kPa，温度设为50℃保持48 h后，降到25℃保持48℃。

1.2.2　样品结块性评价方法

取出样品，在距地面1 m处正、反摔包各1次，将摔包后的肥料通过2800 μm(7目)标准筛网，过筛后称量留在筛上的试样质量，以检验防结块效果，结果以结块率计。样品结块率表达式：

式中，m—过筛前袋内试样质量，kg；

m1—过筛后筛上试样质量，kg；

n—平行实验用试样袋数。

1.2.3　样品结构与形貌的表征

(1)采用D/Max 2500/PC X射线衍射仪(XRay diffraction，XRD)测试样品的相结构，测试条件为40 kV、34 mA和Cu Kα(λ=0.1540nm)辐射。以连续扫描方式采样，扫描速度为2°/min，扫描2θ范围为10°～90°或20°～80°。测试结束后使用Jade 5软件对获得的XRD数据进行相结构分析。

(2)采用S-4800型扫描电子显微镜(SEM)观察样品的表面形貌。SEM主要用于观察粉末样品表面形貌，并可根据标尺估算材料颗粒大小。SEM测试参数为：加速电压20 KV，放大倍数3K倍。

2　结果与分析

2.1　添加腐植酸钾对产品防结块性能的影响

在20-20-20大量元素粉体水溶肥配方中，当腐植酸钾添加量为0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%时，各样品结块测试数据见表1。

表1　不同腐钾添加量对应的产品结块率
Tab.1 Caking rate of different HA-K addition samples

注：结块率为3次重复的平均值。

根据表1所列数据，绘制了水溶肥产品结块率随腐植酸钾添加量的变化趋势图，如图1所示。

图1　产品结块率与腐植酸钾添加量的关系
Fig.1 Relationship between products caking rate and HA-K addition amount

由表1可知，未添加腐植酸钾的水溶肥样品结块率为40.59%。随着腐植酸钾添加量的增多，水溶肥样品的结块率先是逐渐降低，到0.5%时样品结块率为18.04%，达到最低，随后再增加腐植酸钾的添加量，样品结块率又呈现上升趋势。因此，可以确定腐植酸钾添加量为0.5%时，对大量元素水溶肥产品的防结块性能改善最为明显。

2.2　添加腐植酸钾对产品结构与形貌的影响

为分析添加腐植酸钾对粉体水溶肥产品结构与形貌的影响，选取添加0.5%腐植酸钾的20-20-20大量元素粉体水溶肥样品，分别对其进行XRD测试与SEM表征。

图2为添加0.5%腐植酸钾前后的样品XRD图谱。由图可知，添加腐植酸钾前后样品的组成结构基本保持稳定。对于未添加腐植酸钾样品，所检测出的主要的晶体衍射峰对应的物相为尿素[CO(NH2)2]、硝酸钾(KNO3)、磷酸二氢钾(KH2PO4)和磷酸一铵(NH4H2PO4)；而对于添加了0.5%腐植酸钾的样品来说，除了发现有上述物相的存在外，还有很少量的羟基乙酸钾(C2H3KO4)，属于腐植酸钾中的小分子活性物质。

图2　添加腐植酸钾前后样品的XRD图谱
Fig.2 XRD pattern of the samples: (a)without HA-K (b)doped 0.5% HA-K

图3为对添加腐植酸钾前后的水溶肥粉末样品表面形貌的扫描电镜分析。由图可知，添加0.5%腐植酸钾后，样品表面形貌发生了较为明显的改变，表面颗粒明显变小，比表面积增加，这一变化能在一定程度上阻止肥料在密闭空间内颗粒间形成盐桥，从而起到改善样品防结块性能的作用。

图3　添加腐植酸钾前后样品表面SEM分析
Fig.3 SEM image of the surface of samples: (a)without HA-K (b)doped 0.5% HA-K

3　结论

(1)通过在20-20-20配方粉体水溶性肥料中添加一定量的腐植酸钾能够改善产品的防结块性能，其中，添加0.5%的腐植酸钾改善效果最为明显。

(2)添加0.5%腐植酸钾后，大量元素粉体水溶肥的表面颗粒明显变小，比表面积增大，并引入了羟基乙酸钾等小分子活性物质。

参考文献

[1]汪家铭.水溶肥发展现状及市场前景[J].上海化工，2011，36(12)：27～31

[2]张伟.复合肥料吸湿和结块性能及防止研究[D].华东理工大学工程硕士学位论文，2012

[3]王家盛，张伟，石学勇，等.活化腐植酸制备有机-无机复混肥的工艺研究[J].腐植酸，2012，(6)：15～18

[4]刘梅堂，王天雷，程瑶，等.中国泥炭褐煤资源及发展腐植酸钾产业潜力[J].地学前缘，2014，21(5)：255～266