根据李比希的植物营养学说，土壤中的养分被作物吸收后，地力减弱，需要补充新的养分，保证作物生长需求。肥料对作物的增产至关重要，保证粮食稳产高产是促进我国经济社会快速发展的基础和前提。目前，肥料资源利用不合理，污染土壤，农业比较效益下降，亟需改变传统施肥模式，实现肥料的精准施用。我国淡水资源短缺，节水灌溉，节水省肥的水肥一体化技术迎来发展机遇。水溶肥料，作为水肥一体化技术的配套产品，绿色环保，符合国家肥料减施增效方针和可持续发展理念。但水溶肥原料来源少，价格高，不能普遍适用于农作物。磷酸脲可为作物提供氮磷营养元素，但其养分含量低。聚磷酸铵作为一种水溶肥原料，氮磷营养成分含量高，施用安全性高，但国内产量低，尚未形成规模化。湿法磷酸和尿素合成磷酸脲的结晶过程及磷酸脲与尿素的聚合过程复杂，需开展深入研究。本文主要研究内容及结论如下：
　　（1）磷酸脲的结晶热力学
　　磷酸脲在水中的溶解度随温度的升高而升高，溶解度曲线拟合为Apelblat方程，溶解过程吸热、自发且快速。温度和搅拌速率的增加使介稳区变窄，而冷却速率的增加使介稳区增加。搅拌速率、温度和过饱和度的增加均使磷酸脲结晶诱导期减少。固液界面张力表明，磷酸脲的结晶过程为初级非均相成核。杂质均使溶解度、介稳区和诱导期增加。为减少工艺流程时长，提高生产效率，控制原料中Al3+、Mg2+、Fe3+及SO24-的摩尔浓度低于0.2%。
　　（2）磷酸脲的结晶动力学
　　根据测定的磷酸脲结晶液的悬浮密度、过饱和度、晶体体积形状因子以及粒度分布，采用矩量变换法计算出晶体生长速率和成核速率。粒度分析表明，磷酸脲晶体生长为粒度无关生长。采用1stOpt软件对数据拟合分析，得到成核及生长动力学方程。对动力学方程的分析表明，升高温度和增加过饱和度时，成核速率和生长速率增加，由于成核动力学方程中过饱和度指数较大，因此成核速率增长更快。晶体成核为二次成核，晶体生长过程为表面反应控制。晶体成核速率随悬浮密度的增加而增加。
　　（3）磷酸脲的制备
　　湿法磷酸（w(P2O5)25.23%）合成磷酸脲的优惠工艺条件为，湿法磷酸与尿素摩尔比为1.05∶1，反应温度为80℃，反应时间为60min，结晶时间为18h，磷酸脲的产率为63.58%，产品中氮和五氧化二磷含量分别为17.2%和44.3%，符合工业磷酸脲的标准GB/T27805-2011。FTIR和XRD分析表明，湿法磷酸成功合成了磷酸脲，磷酸脲成分和结构不变。热分析表明，磷酸脲在常温下能稳定存在，易储存。
　　（4）杂质对磷酸脲制备过程的影响
　　Al3+、Fe3+、Mg2+及SO24-均使磷酸脲的产率下降。杂质加入后，磷酸脲产品氮磷含量仍符合国家标准GB/T27805-2011。Al3+、Fe3+、F-使磷酸脲粒度减小，晶体之间分散性差，而Mg2+及SO24-使晶体的分散性更好，透明度较高且形状规则。粒度分析表明，Al3+、Fe3+和SO24-使磷酸脲晶体粒度降低。因此，在工业化生产中，应控制原料中Al3+、Fe3+、SO24-及F-的含量，提高磷酸脲产品的质量，获得颗粒大小均匀的晶体。
　　（5）聚磷酸铵的制备
　　以湿法磷酸制备的磷酸脲为原料合成聚磷酸铵（APP）的优惠工艺条件为：尿素与磷酸脲摩尔比为2.1∶1，反应温度为210℃，反应时间为65min。聚磷酸铵产品的聚合度为25.31，在25℃水中的溶解度为3.94g·(100g)-1，为可溶性物质。聚磷酸铵中五氧化二磷含量为68.13%，氮含量为13.72%。FTIR和XRD分析表明，制备的产品为Ⅰ型聚磷酸铵。热分析表明，聚磷酸铵易于常温储存。SEM分析表明，聚磷酸铵产品疏松多孔。
　　（6）聚磷酸铵中氮磷元素的释放规律
　　降低pH值和升高温度有利于氮磷的释放。抛物线方程、Elvoich方程和一级动力学方程均能拟合释放过程，其中，一级动力学方程的拟合结果最佳。氮磷元素释放过程的半衰期随温度升高和pH值降低而降低，水解活化能处于聚磷酸盐的水解活化能范围。
　　综上所述，磷酸脲的结晶过程机理研究丰富了磷酸脲的结晶理论，为工业生产磷酸脲提供理论指导；采用湿法磷酸成功合成出磷酸脲，省去对湿法磷酸的净化，优化传统工艺；以湿法磷酸合成的磷酸脲为原料制备的Ⅰ型聚磷酸铵，可溶于水；探究了聚磷酸铵中氮磷元素在水溶液中的释放过程，为聚磷酸铵作为水溶肥施用提供指导，提高肥料利用率。本课题研究提高了湿法磷酸的利用率，缓解高品质磷资源短缺，对水溶肥的推广及应用有重要意义。