舒藝周, 馬 航,2, 匡家靈, 楊 先, 張 恒, 黃照昊

(1.云南云天化以化磷業(yè)研究技術(shù)有限公司 云南昆明 650228;2.云南云天化股份有限公司研發(fā)中心 云南昆明 650228)

聚磷酸銨是一種由氮、磷縮聚而成的鹽,當(dāng)其聚合度低于20 時(shí),具有水溶性高、螯合金屬離子性能好、鹽指數(shù)低等優(yōu)勢。 早在二十世紀(jì)六七十年代,歐美發(fā)達(dá)國家就大量使用低聚合度聚磷酸銨作為水溶性肥料的基礎(chǔ)原料[1]。 近年來,我國化肥行業(yè)開始關(guān)注并研究聚磷酸銨在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。 農(nóng)用聚磷酸銨是含有正磷酸鹽、焦磷酸鹽、三聚磷酸鹽及多聚磷酸鹽的混合物,通常只有正磷酸鹽形態(tài)的磷才能被作物吸收,聚磷酸銨中的多聚磷酸鹽需要經(jīng)過水解才能轉(zhuǎn)化成正磷酸鹽,水解速率決定了含聚磷酸銨肥料的肥效,所以相較于其他傳統(tǒng)肥料,聚磷酸銨兼具速效和長效的特點(diǎn)。 另有研究顯示,含聚磷酸銨的肥料可有效提高磷在土壤中的移動(dòng)性,促進(jìn)作物根系生長,并能在一定范圍內(nèi)螯合鈣、鎂、鐵等離子,可替代部分價(jià)格較高的有機(jī)螯合劑[2-3]。

隨著水肥一體化技術(shù)的推廣和不斷發(fā)展,水溶肥料產(chǎn)業(yè)迅速崛起,聚磷酸銨類優(yōu)質(zhì)肥料將成為水溶肥料行業(yè)的亮點(diǎn)。 從目前的情況看,水溶肥料生產(chǎn)技術(shù)落后,主要是將各類原料進(jìn)行簡單的混合,生產(chǎn)的產(chǎn)品會出現(xiàn)吸潮、結(jié)塊、水解等現(xiàn)象,影響其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的施用效果,所以很多企業(yè)對水溶肥料的造粒開展了技術(shù)攻關(guān)[4-5]。 雖然聚磷酸銨有諸多的農(nóng)用優(yōu)勢,但多聚磷酸鹽的特點(diǎn)決定了其具有吸潮快、結(jié)塊嚴(yán)重及高溫?zé)岱纸獾热秉c(diǎn),將聚磷酸銨用作水溶肥料的生產(chǎn)原料,防水解和防結(jié)塊是主要的技術(shù)難點(diǎn)。

本文將含聚合磷的水溶肥料進(jìn)行造粒,以解決結(jié)塊問題,但考慮到粒徑太大可能會影響溶解速率,故擬開發(fā)粒徑為0.85 ～2.00 mm 的微顆粒產(chǎn)品。

1 試驗(yàn)原料及設(shè)備

1.1 試驗(yàn)原料

水溶性聚磷酸銨(18-58-0),云南天耀化工有限公司;工業(yè)級磷酸一銨(12-61-0),云南磷化集團(tuán)?？诹讟I(yè)有限公司;尿素(46-0-0),云南云天化股份有限公司;農(nóng)用硫酸鉀,唐山三孚鉀肥有限公司;農(nóng)用硝酸鉀,青海鹽湖元通鉀肥有限公司。

1.2 儀器及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)室小型轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī),實(shí)驗(yàn)室定制;DFY1000 型搖擺式粉碎機(jī),溫嶺市林大機(jī)械有限公司;DHG-9245A 型電熱恒溫高溫鼓風(fēng)干燥箱,上海篤特科學(xué)儀器有限公司;THZ-82 型振蕩器,金壇區(qū)金城海瀾儀器制造廠;85-2A 型磁力攪拌器,常州市億能實(shí)驗(yàn)儀器廠;AR842A+型紅外測溫儀,香港?，攦x器儀表有限公司;方孔篩(孔徑0.85、1.00、2.00 mm),上虞申克實(shí)驗(yàn)儀器廠。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以N-P2O5-K2O 配方為20-20-20 的水溶肥料進(jìn)行造粒,制備粒徑0.85 ～2.00 mm 的微顆粒產(chǎn)品。 將水溶性聚磷酸銨、工業(yè)級磷酸一銨、尿素、硫酸鉀和硝酸鉀按比例混合后,粉碎至一定的粒徑,利用實(shí)驗(yàn)室小型轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)進(jìn)行造粒;造粒后的顆粒物料在恒溫干燥箱中于70 ℃進(jìn)行干燥,用方孔篩進(jìn)行篩分,得到粒徑0.85 ～2.00 mm 的微顆粒成品;粒徑＜0.85 mm 的細(xì)顆粒作為返料直接進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室小型轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)繼續(xù)造粒,粒徑＞2.0 mm 的粗顆粒經(jīng)粉碎后重新造粒;檢測制得的微顆粒含聚合磷水溶肥料的化學(xué)成分,考察造粒對肥料養(yǎng)分含量的影響,優(yōu)選出造粒條件,并對產(chǎn)品進(jìn)行溶解、粉化及結(jié)塊性能測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 微?；炝Ｔ囼?yàn)

3.1.1 聚合磷占比對微粒化造粒的影響

聚合磷占比以聚合態(tài)P2O5占總P2O5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示,設(shè)5 個(gè)處理,即聚合磷占比分別為0、10%、25%、50%、75%。 原料按比例混合后粉碎至粒徑≤1 mm;在轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)內(nèi),根據(jù)成粒情況分多次噴水,至物料潮濕無干粉時(shí)為止;轉(zhuǎn)鼓勻速轉(zhuǎn)動(dòng)3 min 后完成造粒,比較造粒效果。 不同聚合磷占比對肥料微粒化造粒的影響見表1。

表1 不同聚合磷占比對肥料微?；炝５挠绊?/p>

從表1 可知,聚合磷占比對配方20-20-20 水溶肥料的微?；炝Ｓ忻黠@影響。 隨著聚合磷占比的增加,加水量逐漸減少,雖然不含聚合磷的配方加水量最大,但其成粒情況并不好,產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為31.98%,主要以小顆粒形態(tài)存在。 隨著聚合磷占比不斷增加,產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨著增大,其中聚合磷占比為50%時(shí),產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)74.13%;聚合磷占比繼續(xù)增大至75%時(shí),大顆粒逐漸增多,顆粒相互粘連,且隨著轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)動(dòng)物料變稀,產(chǎn)品明顯減少。

試驗(yàn)配方20-20-20 水溶肥料中的聚合磷來自原料聚磷酸銨,聚磷酸銨中的磷主要以多聚磷酸根形態(tài)存在,多聚磷酸具有一定的黏性,使得聚磷酸銨是一種較好的黏結(jié)劑,在造粒過程中不需要添加過多的水分,物料很容易成粒?？刂凭哿姿徜@的加入量,使聚合磷的占比為25%～50%,可使肥料微粒化造粒達(dá)到較好的效果,產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%左右。 如果聚合磷占比較高,其黏結(jié)性太強(qiáng),同時(shí)由于聚磷酸銨具有吸潮嚴(yán)重的特點(diǎn),成粒效果較差,大顆粒較多且物料會吸收空氣中的水分使物料變稀,致使目標(biāo)產(chǎn)品較少。 由試驗(yàn)結(jié)果可得出,制備微顆粒的20-20-20 含聚合磷水溶肥料,聚合磷占比為25%～50%較合適。

3.1.2 造粒溫度對微粒化造粒的影響

試驗(yàn)選用聚合磷占比為50%的配方,開啟轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)加熱夾套,造粒過程中間歇通入蒸汽,用紅外測溫儀測量溫度,考察造粒溫度對微?；炝５挠绊懠爱a(chǎn)品中聚合磷占比的變化情況,試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 造粒溫度對肥料微?；炝５挠绊?/p>

從表2 可知,隨著造粒溫度升高,20-20-20 含聚合磷水溶肥料成粒效果變差,且造粒溫度高于55 ℃時(shí),顆粒粘連,大顆粒較多,物料會變稀。 分析產(chǎn)品中聚合磷占比發(fā)現(xiàn),升高造粒溫度,會使產(chǎn)品中的聚合磷占比降低,造粒溫度為70 ℃時(shí),聚合磷占比顯著降低至46.01%。 由于聚磷酸銨的溶解度隨著溫度升高而增加,在造粒過程中加水量不變的情況下,造粒溫度升高導(dǎo)致聚磷酸銨部分溶解于水,出現(xiàn)物料變稀的現(xiàn)象,部分聚磷酸根被加熱水解為正磷酸根,后續(xù)的物料干燥并不能使其再次聚合,而是以聚磷酸根和正磷酸根形態(tài)混合存在[6]。 聚磷酸銨水解是一種酶促反應(yīng),溫度升高會激發(fā)水解酶的活性,加快化學(xué)反應(yīng)速率,從而使聚磷酸銨水解加速;但在溫度不高于25 ℃時(shí),聚磷酸銨是穩(wěn)定的[7-8]。 所以,當(dāng)造粒溫度升高后,產(chǎn)品中聚磷酸銨的水解導(dǎo)致聚合磷占比降低。 試驗(yàn)結(jié)果表明,含聚合磷水溶肥料的造粒溫度不宜超過40 ℃。

3.2 微顆粒產(chǎn)品性能測試

配制20-20-20 含聚合磷水溶肥料,聚合磷占比為50%,常溫下采用實(shí)驗(yàn)室小型轉(zhuǎn)鼓造粒機(jī)制得粒徑0.85～2.00 mm 的微顆粒產(chǎn)品,然后進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)檢測,并與粒徑≤1 mm 的粉狀肥料進(jìn)行比較,結(jié)果見表3。

表3 20-20-20 含聚合磷水溶肥料指標(biāo)檢測結(jié)果

從表3 可知,含聚合磷水溶肥料造粒后,N 含量和聚合磷占比有小幅降低,P2O5、K2O 含量有所升高,但符合20-20-20 養(yǎng)分含量的要求,對養(yǎng)分含量影響不大。

稱取10 g 樣品置于200 mL 燒杯中,將燒杯放在磁力攪拌器上,設(shè)定轉(zhuǎn)速100 r/min,加100 mL 水,啟動(dòng)攪拌,記錄至樣品全部溶解的時(shí)間,為溶解時(shí)間。 粉狀肥料的溶解時(shí)間稍短于微顆粒肥料的,說明粉狀肥料的溶解速率比微顆粒肥料的稍快。

由于微顆粒產(chǎn)品粒徑較小,難以用粒子強(qiáng)度儀對其顆粒強(qiáng)度進(jìn)行檢測,故采用測定粉化率的方式對微顆粒肥料的強(qiáng)度進(jìn)行判斷。 稱取一定量的微顆粒肥料樣品(質(zhì)量為m1)置于容量瓶中,以樣品體積占容量瓶容積的2/3 為宜;蓋好蓋子,放在振蕩器上,以200 次/min 的頻率振蕩30 min;取出肥料樣品后用0.85 mm 方孔篩篩分,篩網(wǎng)上部是未粉化肥料,下部即粉化肥料(質(zhì)量為m2),粉化率按式(1)計(jì)算:

經(jīng)多次試驗(yàn),測得微顆粒肥料的粉化率為2%～6%,平均值為3.83%,說明微顆粒肥料的顆粒強(qiáng)度較高,具有一定的抗外力能力。

稱取一定量的肥料樣品(質(zhì)量為m3)放入自封袋,試驗(yàn)臺上放置一塊平板,將裝有樣品的自封袋均勻堆放在平板上,再加蓋一塊平板,平板上部放置80 kg 沙袋,使每份樣品均勻受力。 每間隔3 d 取一份樣品,撿出結(jié)塊的肥料稱其質(zhì)量(m4),計(jì)算結(jié)塊率。 結(jié)塊率按式(2)計(jì)算,20-20-20 含聚合磷水溶肥料的結(jié)塊率與時(shí)間的關(guān)系見圖1。

圖1 20-20-20 含聚合磷水溶肥料結(jié)塊率與時(shí)間的關(guān)系

從圖1 可以看出:隨著時(shí)間的延長,結(jié)塊率增大;對比粉狀和微顆粒肥料,粉狀肥料第9 天開始結(jié)塊,第30 天時(shí)結(jié)塊率已經(jīng)達(dá)到12%,而微顆粒肥料第18 天才開始出現(xiàn)輕微結(jié)塊,第30 天結(jié)塊率為2%左右。 試驗(yàn)結(jié)果證明粉狀肥料較微顆粒肥料結(jié)塊嚴(yán)重,說明微?；炝?0-20-20 含聚合磷水溶肥料具有防結(jié)塊的效果。

4 結(jié)語

以20-20-20 含聚合磷水溶肥料為例,通過轉(zhuǎn)鼓造粒,能夠制備0.85～2.00 mm 的微顆粒肥料,產(chǎn)品具有一定的抗擊外力能力,不易粉化,能夠有效防止結(jié)塊。

聚合磷占比對造粒效果有明顯的影響,聚合磷占比低成粒困難,占比高影響造粒效果,導(dǎo)致出現(xiàn)大顆粒肥料多、生產(chǎn)中返料量大等現(xiàn)象。 造粒溫度也是影響造粒效果的主要因素之一,隨著造粒溫度的升高,大顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大,物料變稀,顆粒出現(xiàn)粘連,聚合磷發(fā)生水解導(dǎo)致產(chǎn)品中聚合磷占比降低。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,較優(yōu)的造粒條件為聚合磷占比為25%～50%,造粒溫度不高于40 ℃。

在較優(yōu)的造粒條件下,通過微?；炝５玫降奈㈩w粒肥料產(chǎn)品與粉狀肥料相比,養(yǎng)分含量變化不大,能夠滿足指標(biāo)要求,但溶解速率較粉狀產(chǎn)品慢,后續(xù)可針對溶解速率進(jìn)一步開展研究。