改性秸秆油脂基包膜肥的制备及缓释性研究

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随着化肥农药的大量使用,土壤污染问题越来越严重,如何减少化肥的使用量成为国内外学者研究的热点,具有生物可降解性的包膜材料不仅具有缓释功能,而且完全可生物降解,对土壤不会产生污染,因此开发可生物降解的包膜材料越来越受到人们的重视。本研究利用废弃的秸秆通过碱处理和乙酰化改性制备具有吸油性能的包膜材料,并以此材料制备了具有缓释功能的包膜尿素肥料。秸秆碱和超声处理的最佳条件是:在100℃条件下,碱浓度8%,超声功率420 W,超声时间0.5 h,处理后的秸秆最大吸油量为1.58 g·g-1;碱处理秸秆制备包膜肥的最佳工艺是:处理秸秆用量为15%(占尿素质量比),包膜时间为25-30min,固化时间为20 min;秸秆乙酰化的最佳条件是:反应温度80℃,时间2 h,催化剂用量为0.06 g·g-1,溶剂用量与秸秆质量比为1:1,改性后最大吸油量为1.88g·g-1;乙酰化秸秆制备包膜肥的最佳工艺是:改性秸秆用量为10-12%(占尿素质量比),包膜时间为25-30 min,烘干时间为10-20 min。利用红外光谱仪(FT-IR)、热重分析仪(TG)、比表面仪(BET)和扫描电镜(SEM)等对碱处理秸秆、乙酰化秸秆及其包膜肥的膜层等结构做了分析,FT-IR分析表明:秸秆碱处理后纤维素的部分官能团吸收峰增强,乙酰化改性后秸秆在1750 cm-1左右出现了较强的C=O吸收峰,包膜肥的膜层1750 cm-1左右较强的C=O吸收峰和1050 cm-1左右的肩峰强度均减弱,3500 cm-1左右是秸秆纤维素-OH基的吸收峰,碱处理和乙酰化秸秆包膜肥膜层在此处的伸缩振动峰均有减弱,说明改性秸秆和改性油脂形成了一定互穿的有机结合网络;TG分析表明:改性秸秆和包膜肥的膜层热分解温度升高,热稳定性增强,失重率逐步降低;BET分析表明:秸秆碱处理和乙酰化处理后比表面积与原秸秆相比分别增加12.62%和16.95%;SEM观察得出:改性后秸秆内部出现孔隙结构,吸油后秸秆增大增粗,包膜肥膜层表面整体比较平整,但其间有大小宽窄不一的褶皱,断面出现了养分释放通道。通过Lagergren吸附模型分析可知,碱处理秸秆的吸油曲线符合准二级动力学方程,R2为0.999,吸油速率常数大于原秸秆,颗粒扩散模型较好地说明碱处理秸秆的内部结构发生了变化;乙酰化秸秆的吸油曲线符合准准二级动力学方程,也能较好地估测理论饱和吸附量,颗粒扩散模型表明改性后秸秆的吸附速率增加。碱处理和乙酰化秸秆与油脂复配对颗粒尿素进行包膜制备缓释包膜肥,并进行了静水和土柱淋溶养分释放测试,结果表明:与未改性秸秆-油脂复配制备的包膜肥相比,前者的缓释性能明显提高,其中两种改性秸秆-油脂复配包膜肥的静水和土柱淋溶养分释放过程都能较好地用拟合二级动力学和三级动力学曲线来模拟,碱处理秸秆包膜肥的养分释放速率大于改性秸秆,也说明随着吸油性的提高,秸秆的缓释性能也相应增强;盆栽实验表明:包膜肥的玉米单株鲜重、穗重和其它组差异显著,土壤中的有机质、总氮量、碱解氮等变化较为明显,且差异显著,两组包膜肥在30 d以后氮元素含量逐渐增加,较好地满足了玉米后期的生殖生长,说明包膜肥具有一定的缓释性能。综上,通过对秸秆碱处理和乙酰化改性,其吸油性都有一定程度的提高,改性秸秆-油脂复配制备包膜肥的缓释性能优于未改性秸秆-油脂复配制备的包膜肥。
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