熔融尿素与生物炭异相渗融成肥及其消溶释放机理研究

Biochar-based fertilizer can effectively delay the release of nutrients in the soil, alleviate environment pollution causing by overusing fertilizer and improve the yield of crops, with high economic and environmental benefits. At present, the preparation process of biochar-based fertilizer has low efficiency of equipment, structural redundancy, many problems of forming low rate, and research on the nutrient release mechanism of biochar-based fertilizer is still rare at home and abroad, it is necessary to carry out in-depth study. This project presents a technology of biochar and urea melt infiltration into fertilizer, by constructing a dynamic model of molten urea permeability, infiltration into the permeation rate, urea fertilizer in the process of distribution, reveals the permeability melt into fertilizer characteristics; interaction of biochar and urea groups, influence distribution of microstructure characteristics of biochar on molten urea and filling state, reveals the infiltration into fertilizer by mechanism. The establishment of steam dissolution test, the effects of environmental temperature and fertilizer technology parameters on the release of carbon fertilizer granule dissolving, builds a global dynamic model of nutrient release, reveals nutrient release mechanism; Study on biochar-based fertilizer urea in different periods and different parts of the diffusion resistance, precipitation analysis of nutrient release degree of difficulty, to reveal the urea dissolution diffusion mechanism; and through the research of biochar on urea solution adsorption and desorption law analysis of immobilization biological activated carbon pore structure on the nutrients, so as to reveal the molten biochar-based fertilizer nutrient release mechanism of the whole.

生物炭肥能有效提高化肥的施用效率，并具有土壤改良、固碳减排等积极作用，生物炭与肥料的有效融合是保证肥效和其延续功效的关键。生物炭与熔融尿素跨相界面渗融成肥的研究未见报道，本课题针对二者渗融成肥及尿素消溶释放的关键基础问题，在研究生物炭与熔融尿素理化特性、渗融成肥参数及成型炭肥特性之间影响规律的基础上，通过分析生物炭表面官能团和微观结构对渗透速率、融合状态、炭相和尿素相跨相界面分布形式的影响，揭示生物炭与熔融尿素的异相渗融机理，构建渗融成肥动力学模型；通过弥散态微雾滴消溶方法，研究渗融炭肥颗粒中尿素的消溶释放特性，获得消溶释放曲线，构建消溶释放动力学模型和扩散阻力特征方程，研究炭颗粒间隙和炭孔隙结构对尿素消溶释放的抑制作用规律，揭示渗融炭肥中尿素消溶释放机理。通过本项目研究，建立生物炭与熔融尿素渗融成肥及消溶释放的理论基础，为研发肥效期长、释放特性可控的生物炭肥提供科学依据。

热解温度对稻壳炭的基本物理特性有显著的影响，稻壳炭的炭得率、挥发分含量随着热解温度的升高而逐渐减小，而pH值、固定碳含量、比表面积、孔体积等性质随着热解温度的升高而逐渐增大。随着热解温度的升高，稻壳炭中的亲水官能团数量逐渐减少并导致其疏水特性逐渐增强，孔隙结构越来越发达，微、介孔数量逐渐增多。利用热失重分析仪对尿素晶体的熔融-结晶特性的表征结果发现尿素分别在139.2 ℃和 82.7 ℃达到最大熔融速率和结晶速率；此外，随着加热温度从135 ℃升高到155 ℃，尿素的质量损失率和缩二脲生成量随加热温度的升高而逐渐增大，流动粘度随温度升高先减小而后保持恒定为11.80 mPa.s。通过渗融法制备了生物炭基尿素(RHBF) 肥，探讨了加热温度和时间、炭/肥比例、生物炭粒径等影响因素对 RHBF 颗粒成型特性的影响，确定最佳的成型条件为加热温度150~155 ℃，加热时间18~22min，炭/肥比例为1:1~1:1.5，生物炭粒径为 75~120μm，稻壳炭热解温度为 550~650 ℃。对生物炭基尿素肥的形貌、表面官能团、热稳定性和元素组成进行了表征。结果表明，尿素很好地进入了生物炭的孔隙，并均匀地分布在生物炭表面。红外光谱分析表明，尿素与生物炭的基团发生了不同的化学反应。当渗融温度为155 ℃时，化学式1、化学式2和化学式3同时存在，而当渗融温度低于155 ℃时，只有化学式3存在于渗融过程中。RHBF的红外光谱在155 ℃以下没有显著差异，因为新的化学键与初始化学键重叠。探讨了尿素和生物炭的渗融机理，认为生物炭通过化学吸附和物理吸附两种方式吸附尿素。纯尿素和复合尿素的氮均为酰胺态氮，RHBF中的所有氮均为有效氮。生物炭基尿素对Cd2+的吸附能力强于生物炭，主要原因尿素通过渗融法加入到生物炭基尿素后，生物炭中的含氮基团数量和种类增加，而氮原子可提供孤对电子与Cd2+形成四配位或六配位的配位化合物吸附Cd2+。利用熔融尿素在生物炭中的渗透特性制备生物炭肥，易于与现有尿素生产工艺结合实现原位成型，具有一定的推广应用工业基础，前景广阔。