缓释抗菌磷酸盐玻璃肥料的研制

房媛媛，周艳艳，龚寒琴，宋佳凝，许超

（长春理工大学 材料科学与工程学院，长春 130022）

缓释磷酸盐抗菌玻璃肥料具有缓释及抗菌这两个特点。现在市场上常见的肥料都是速效肥料，作用时间十分有限，如果遇到降雨期或是灌水田地里的肥料就会被冲入河流或进入地下水，不仅浪费资源，而且污染环境。作为一个农业大国我国每年需要大量的肥料。对于缓释抗菌肥料进行研究，不仅可以节约资源减少农作人员的劳动力还可以保护环境。

玻璃肥料是将植物所需的微量元素以及抗菌成分熔入玻璃基质中，由于玻璃的溶解速率较小，所以玻璃肥料可以长时间的甚至是提供植物整个生长周期所需的营养成分。不同条件下玻璃肥料的溶解变化具有一定规律，可以制备出最适宜植物生长的缓释玻璃肥料。目前有关这方面的研究国外比较多也有应用到实践当中的，但是在我国相关的研究报道还比较少。在本次项目中经过大量的实验，初步研制出了能够提供植物整个生长周期所需养分的缓释磷酸盐抗菌玻璃肥料。

1 实验

1.1 玻璃成分的设计

玻璃肥料的溶解性取决于其基质玻璃的成分对不同酸碱度的溶液的抗腐蚀能力，不同基质组成的玻璃溶解性不同。较为常见的玻璃基质主要是硅酸盐玻璃和磷酸盐玻璃，其中硅酸盐玻璃在被腐蚀之后其表面会生成一层保护膜阻止其继续溶解，而磷酸盐玻璃的基本结构单元是［PO4］四面体，由于配位四面体［PO4］中有一个双键，因此使四面体的一项角断裂并变形。这一点与B2O3、SiO2玻璃不同，它们的多面体都是以桥氧相连接。而带双键的磷氧四面体，P是P2O5玻璃结构中的不对称中心，这是导致磷酸盐玻璃化学稳定性差主要原因。所以它能以缓慢的速率溶于水。

图1 P2O5-Al2O3-K2O三元系统玻璃形成图

磷酸盐玻璃在被腐蚀之后会继续不断溶解，这样符合缓释肥料的性质要求。同时磷也是植物所需的基本生长元素，因此在本项目的研究中选取磷酸盐玻璃作为玻璃肥料的机制玻璃成分。根据图1，在P2O5-Al2O3-RmOn系统中可以在RmOn.P2O5与Al2O3.P2O5连线的狭长区域内得到较稳定的玻璃，设计玻璃的化学组成如表1所示。

1.2 玻璃肥料的制备

按表1所示的组成制备三氧化二铝的摩尔百分含量为2%、3.5%、5%、的配合料。将各组玻璃料按预先设定好的规程放在刚玉坩埚内，在电阻炉中熔化（熔化温度在1100℃～1300℃）熔融后淬冷，粉碎，制成粒度为40-60目、60-80目、80-100目、100-120目、120-140目的颗粒状缓释磷酸盐抗菌玻璃肥料试样。

1.3 玻璃肥料缓释性及抗菌性的测定

（1）在恒温水浴中分别测定粒度为40-60目、60-80目、80-100目、100-120目、120-140目的试样溶解速率的变化，测试溶液的pH值为7。

（2）在恒温水浴中在溶液pH值为7的条件下中分别测试温度为25℃、35℃、45℃时玻璃肥料溶解度速率。

（3）取粒度为40-60目三氧化二铝含量分别为2%、3.5%、5%的玻璃肥料置于pH值为7的溶液中测试其溶解速率的变化。

（4）测定玻璃肥料在不同pH值的溶液中的溶解速率的变化。

（5）采用抑菌圈法测定肥料的抗菌性。

2 结果与讨论

2.1 温度和颗粒度与缓释速率的关系

由图2可知玻璃肥料的溶解速率随颗粒目数的增大而逐渐增大，这是由于随着肥料粒度的逐渐减小其与溶液接触的比表面积逐渐增大所以缓释速率逐渐增大，因此可以通过粒度的控制来控制肥料的缓释速率。同时，因为肥料的溶解是一个吸热过程，由图3可知随温度的升高肥料的溶解度逐渐增高。在实验的温度范围内，肥料的缓释速率比较稳定，且符合要求。

图2 溶解度随粒度变化的变化

表1 玻璃的化学组成

图3 溶解度随温度的变化规律

2.2 化学组成与缓释速率的关系

由图4可以看出随着氧化铝含量的升高肥料的溶解度逐渐增大。由文献3可知三元磷酸盐玻璃系统添加三价玻璃中间体及生成体氧化物As2O3、B2O3、Al2O3、Ga2O3皆使水溶解度增加。

图4 溶解度随氧化铝含量变化的关系

另外，在玻璃态氧化磷中原子比O/P大于2，当在玻璃中加入阳离子半径较大的R2O等，O/P的比值进一步增加，使玻璃从层状结构转向链状结构（O/P的比值大于3），化学稳定性降低，溶解度增大；当玻璃中加入阳离子半径较小的B2O3等，使O/P的比值降低，玻璃从层状结构转向骨架结构，玻璃化学稳定性增强，溶解度降低。所以通过调整添加物的成分及加入量，可调节磷酸盐玻璃肥料的溶解度和溶解速率。

2.3 pH值与缓释速率的关系

由图5可以看出在偏酸性的溶液中的溶解度大于在中性或碱性溶液中的溶解度，因此在酸碱度不同的土壤中，肥料的缓释性不同。

图5 溶解度随PH值的变化规律

2.4 肥料的抗菌性

由图6可见所制得的肥料在抗菌实验中出现了较明显的抑菌圈，说明其具有抗菌效果玻璃的结构模型是由网状的离子群和修饰过的离子群构成的无机高分子化合物。由于玻璃本身结构和组成的原因使其具有可慢慢地发生连续的变化的特征，这导致了玻璃的化学持久性不强。当某些溶媒（特别是水）存在时，很可能造成玻璃溶解。此外，玻璃还有保持金属以离子状态稳定存在的特性。利用玻璃以上两个特性就可以得到缓释型抗菌玻璃肥料，也就是化学持久性较弱的玻璃与具有抗菌性能的离子化金属，如银、铜等相结合的材料。得到的抗菌玻璃肥料在有水的环境中会释放银离子，它们可强烈吸引细菌机体中的酶蛋白并迅速地结合在一起，并使此酶失去活性，使细菌灭亡。

图6 玻璃肥料的抑菌圈

3 结论

制备了具有缓慢释放营养成分性能的磷酸抗菌盐玻璃肥料，研究了缓释磷酸盐抗菌玻璃肥料在不同的温度、粒度、PH值及组成下溶解速率的变化规律。测试数据显示肥料的溶解速率在0.05～0.65g/L，根据所查阅的文献［10］可知其可达到良好的缓释效果，满足植物所需。实验结果表明通过组成、颗粒度等的调整可以控制肥料的缓释速率和营养供应的种类以适应不同植物的需求，所制备的肥料还具有抗菌性能。该肥料的研制具有提高作物产量，减少劳动强度以及节能减排的功效。因此作为一种集缓释肥料、长效肥料、抗菌肥料的优点于一体的肥料，缓释抗菌磷酸盐玻璃肥料是一种具有良好发展前景的肥料。

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