【摘要】：緩/控釋肥料由于可以顯著提高傳統(tǒng)肥料的利用率、減少環(huán)境污染、提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)受到了研究人員的廣泛關(guān)注。生產(chǎn)和施用緩/控釋肥料已經(jīng)成為目前化肥工業(yè)發(fā)展的主要趨勢之一,也是發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)的必然要求。目前市場上為數(shù)不多的緩/控釋肥料以脲甲醛緩/控釋肥料為主,但是脲甲醛緩/控釋肥料的養(yǎng)分釋放周期長、無法實現(xiàn)養(yǎng)分控釋。可降解高分子聚合物緩/控釋肥料不僅可以調(diào)節(jié)養(yǎng)分的釋放速率,而且在土壤中不造成二次污染。本學(xué)位論文著眼于開發(fā)高效、環(huán)保型緩/控釋肥料,以聚乳酸(PLA)、淀粉及腐植酸等原料制備包膜材料,設(shè)計了新型分段式流化床包膜裝置,并制備了聚乳酸包膜緩/控釋肥料;測試計算了包膜材料的滲透系數(shù),建立了基于溫差分段模擬的Shaviv模型預(yù)測包膜緩/控釋肥料田間釋放性能;分別研究了聚乳酸包膜肥料在水中和土壤中的緩釋行為,考察了聚乳酸包膜肥料的應(yīng)用效果。具體內(nèi)容如下:(1)制備了PLA、PLA/PS、PLA/HA復(fù)合薄膜,測定了288K、298K和308K溫度和不同膜材料條件下尿素、磷酸二氫鈉、氯化鉀飽和溶液中水蒸氣和氮磷鉀養(yǎng)分的滲透系數(shù),并討論了包膜材料的厚度和成膜溫度對水蒸氣和養(yǎng)分滲透性能的影響。(2)通過Novezyme435催化的淀粉酯化反應(yīng),成功合成了葵酸酯淀粉、月桂酸酯淀粉和棕櫚酸酯淀粉。添加PEG-400可以提高DES的取代度,最佳酯化溫度為338K。與原始淀粉相比,改性后淀粉的溶解、糊化、再結(jié)晶和酯化程度較小。隨著脂肪酸中碳鏈長度的增加,淀粉顆粒間的聚集率提高,結(jié)晶度降低;同時研究了淀粉的成膜性能。(3)設(shè)計了覆膜段與成膜段分開的流化包膜工藝及裝置。覆膜段采用全封閉帶氣流循環(huán)的伍斯特流化床,在常溫下操作;成膜段采用沸騰流化床,在高溫下操作。覆膜段與成膜段間物料的輸送采用氣力輸送方式,可以減少顆粒之間的接觸幾率與接觸時間,從而減少包膜顆粒之間的粘連。提高了包膜材料的利用率和包膜的均勻性。(4)制備了聚乳酸包膜尿素顆粒,測定計算了氮養(yǎng)分和水蒸氣的滲透系數(shù)。優(yōu)化了Shaviv等數(shù)學(xué)模型模擬條件,研究建立了以溫差為依據(jù)的分段數(shù)學(xué)模擬方法,能較好地預(yù)測包膜尿素氮養(yǎng)分累積釋放性能。分段數(shù)學(xué)模擬預(yù)測結(jié)果與田間試驗結(jié)果相比,平均絕對偏差為1.74,平均相對偏差為3.01%。采用Shaviv等提出的數(shù)學(xué)模型并分段模擬的方法可較好地預(yù)測包膜肥料養(yǎng)分釋放特征。(5)根據(jù)前面研究成果,針對棉花選擇了合理的包膜材料,制備了聚乳酸包膜緩/控釋尿素,通過對聚乳酸包膜緩/控釋尿素和普通尿素對比試驗,研究了兩種尿素對棉花產(chǎn)量、N素利用率和環(huán)境的影響結(jié)果表明聚乳酸包膜緩/控釋尿素能有效提高氮素利用率,減少面源污染。
【學(xué)位授予單位】：合肥工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TQ449.1
【圖文】：

由于這些因素，使用硫作為包膜材料的緩/控釋肥料已經(jīng)減少，研究人員已經(jīng)開始使用各種有機聚合物作為包膜材料，許多研究人員報告了基于聚合物緩/控釋肥料的模型。Shaviv 等學(xué)者針對包膜緩/控釋肥料養(yǎng)分釋放方式不同開發(fā)了一種新型的聚合物包膜肥料數(shù)學(xué)模型，該模型的主要特點是它是非 fickian 模型，使其在數(shù)學(xué)上是非線性的[39]，其釋放過程階段分為三個階段，釋放過程機理如圖 1.1所示。當(dāng)包膜肥料顆粒內(nèi)部形成一定的飽和溶液時肥料養(yǎng)分開始釋放，隨著肥料養(yǎng)分的不斷釋放，膜層內(nèi)外部的滲透壓力會逐漸地降低。包膜肥料內(nèi)核中的養(yǎng)分釋放過程包含三個階段：初期幾乎沒有養(yǎng)分釋放階段（滯后期），中期養(yǎng)分線性釋放階段（勻速期）和后期釋放速率降低階段（衰減期）。聚合物包膜肥料的養(yǎng)分隨時間的釋放模式通常是 S 形的，這種模式是比較適合植物吸收養(yǎng)分的，因此在減少環(huán)境污染方面有很大的潛力。過去大部分的建模工作是基于假設(shè)營養(yǎng)物質(zhì)從薄膜中釋放出來，由肥料中的簡單溶質(zhì)擴散控制的，忽略肥料或其他過程對水分的吸收，這使得過程變得復(fù)雜和非線性。Shaviv[39]等人探求聚合物包膜釋放機理，均可用以下釋放過程描述，如圖 1.1 所示。

合肥工業(yè)大學(xué)博士研究生學(xué)位論文生產(chǎn)效率，適用于連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)。但是轉(zhuǎn)鼓包衣工肥料，包衣肥料的養(yǎng)分控釋性能主要受轉(zhuǎn)鼓轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)包衣液霧化過程、包衣層厚度的影響聚合物包膜肥料包括造粒塔噴霧法、轉(zhuǎn)鼓/轉(zhuǎn)盤包膜工藝和流化床包膜主要應(yīng)用于尿素造粒塔中的尿素顆粒的硫包膜。而聚鼓/轉(zhuǎn)盤包膜工藝和流化床包膜工藝。圖 1.2 顯示了轉(zhuǎn)

圖 1.3 常用流化床的結(jié)構(gòu)與原理Figure 1.3 Structure and principle of commonly used fluidized bed其中，底噴包衣床又稱為伍斯特（Wurster）流化床。伍斯特（Wurster）流化床更適合于顆粒包膜或制備小尺寸顆粒材料。該流化床的主要特點在于：1）導(dǎo)流管，2）不同孔徑的篩板（導(dǎo)管之內(nèi)對應(yīng)的篩板孔徑較大，導(dǎo)管之外對應(yīng)的篩板孔徑較小）。在包膜過程中，首先使用通過孔板的氣流將肥料顆粒流化和懸浮，然后通過噴嘴噴入包膜聚合物的熔體或包膜溶液在顆粒上形成液體覆膜，最后在氣流的作用下覆膜聚合物熔體冷卻固化或包膜溶液溶劑蒸發(fā)在顆粒表面成膜。包膜過程中每個顆粒都在循環(huán)軌跡上移動和翻轉(zhuǎn)，因此與轉(zhuǎn)鼓包衣工藝相比，流化床包膜工藝，尤其是伍斯特流化床工藝，具有多種優(yōu)勢，包括：1）包膜均勻，2）顆粒之間粘連較少，3）顆粒包裹率較高等。是當(dāng)前研究的熱點領(lǐng)域。當(dāng)然，該工藝也存在一些缺點，包括：1）流化床中的高溫環(huán)境使未直接噴涂在顆粒表面的膜材料迅速固化導(dǎo)致膜材料損失，2）氣流對包膜液液滴的夾帶導(dǎo)致包膜材料的損失等

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本文編號：2797016