一种液体高分子化肥的合成及性能研究

蒋迎忠

(山西省应用化学研究所(有限公司)，山西 太原 030027)

一种液体高分子化肥的合成及性能研究

蒋迎忠

(山西省应用化学研究所(有限公司)，山西 太原 030027)

液体高分子化肥是一种清亮型水溶性高分子化合物的液体肥料，其包含氮、磷、钾3种营养元素。通过对高分子化肥的溶解度、pH值和氮、磷、钾含量的测定，确定了最佳的合成工艺:n(磷酸):n(氢氧化钾):n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0，120℃，反应40 min。该高分子化肥具有良好的溶解性、缓释性，且溶液pH=7。

高分子液体化肥;溶解度;pH值;氮、磷、钾含量

引言

液体肥料是一种典型的高浓度肥料，外观呈流体状态，分为液体氮肥和液体复肥。液体氮肥是由单一氨元素所构成的液体肥料，包括液氨、氨水和其他含氨的溶液;液体复肥是包括2种或2种以上营养元素的溶液或悬浮液，其广泛应用于专业园艺、苗圃、温室、高尔夫球场、家居庭院、观景园林和公园等高价作物和非农业领域［1］。目前，复肥和液肥的生产中引入聚磷酸铵，其对金属离子具有螯合能力，将不易被土壤中的铁、钙等金属离子固定，与土壤中的无效微量元素形成可溶性络合物而被植物吸收。另外，聚磷酸盐不被植物直接吸收，而是在土壤中逐步水解成正磷酸被植物利用，是一种缓释性的肥料。本文针对这一市场需求，通过改变化肥分子组成，合成了一种集氮、磷、钾三要素于同一高分子链的高分子聚磷酸钾化肥，并探究了其最佳的合成工艺。

1 实验部分

1.1 实验原料

磷酸(85%)，工业品，山西华发磷酸化工有限公司;尿素，工业品，山西兰花集团;氢氧化钾，工业品，山西三佳化工新材料有限公司。蒸馏水，自制。

1.2 仪器与设备

电热鼓风干燥箱，cs101－A型，重庆实验设备厂;pHJ－02型pH/mV检测仪，上海康仪仪器有限公司;分析天平，AUY220，岛津国际贸易有限公司;农用测试仪，TD200型，中国杨凌农业高新技术产业示范区;六联恒温数显磁力搅拌仪，ZNCL－DLSB6型，上海一科仪器有限公司。

1.3 实验方案

为研究不同原料配比和工艺下高分子化肥的性能变化，本文设计原料摩尔比、反应温度、反应时间三因素进行考察，见表1。

表1 不同配方工艺的设计

1.4 样品的制备

称量一定量的磷酸，加入不锈钢反应釜中，将氢氧化钾缓慢加入不锈钢反应釜，反应放热，大量水蒸气放出，温度也迅速升高。再加入尿素，逐步梯度升温到一定温度后，开始剧烈反应，有大量的气泡产生，继续升温。反应完全时产物为白色黏稠状物质，出料，自然冷却至室温，粉碎后得高分子化肥。反应所得产物的结构式如图1。

图1 高分子化肥的结构式

1.5 性能与测试

1.5.1 氮、磷、钾含量的测定

以TD200型农用测试仪测量不同工艺下所得高分子肥的氮、磷、钾含量。

1.5.2 溶解度的测定

测量在蒸馏水中高分子化肥在不同温度和不同时间下的饱和溶解度，测量温度为25、30、40、50℃。

1.5.3 pH值的测定

测量不同温度下饱和溶解高分子化肥液体的pH值，测量温度为25、30、40、50℃。

2 结果与讨论

2.1 L9(33)正交实验结果分析(见表2)

从正交实验表2的9组数据中可以看出，随着反应温度的升高和反应时间的延长，其产率逐步降低，但随着尿素量的加大产率却在提升。主要原因，首先是工业磷酸中的水分蒸发导致，其次是尿素的分解温度为160℃，在反应后期黏度增大，可能由于受热不均导致少量尿素分解所致。这一点可以从反应后期冒出气体的气味和pH值为碱性得以旁证。在表 2中可以看出，n(H3PO4)∶n(KOH)∶n［(NH2)2CO］=2.0∶0.8∶6.0时物料的产率最高。

表2 正交实验分析方案

2.2 产品溶解度的影响分析

高分子肥料在实际应用中重要的特性是其水溶性，本文将实验所得的9组样品分别测试了其在不同温度下1 h的溶解度，结果见表3。

表3 产品在不同温度下1 h的溶解度 g/100 g

从表3中可以看出，溶解度随着溶解温度的升高逐步加大，但随着反应温度的升高其溶解度却在降低。说明磷酸和尿素反应生成了一种磷酰脲，是一种具有一定相对分子质量产物，根据资料显示，可以将其定义为一种高分子肥料［2］。温度升高，物质的溶解度自然增大，但温度的升高也促进了高分子肥的水解，将其水解成磷酸铵类易被植物吸收的小分子的肥料［3］，故而溶解度大幅度增加。为了旁证合成了具有缓释效果的高分子肥料，笔者测试了不同温度下6 h溶解度，见表4。

表4 产品在不同温度下6 h的溶解度 g/100 g

对比表3、表4可以看出，随着测试时间的延长，溶解度变大，说明高分子肥料具有一定的水解过程，从而证明其有一定的缓释性。这种肥料具有提高化肥利用率、减少使用量与施肥次数、降低生产成本、减少环境污染、提高农作物产品品质等优点［4］。实验表明，以1号、2号、7号样品的室温水溶性较好。

2.3 水溶液的pH值测定

酸性肥料与铁、铝形成磷酸铁、磷酸铝而降低有效性;碱性肥料易与钙结合，生成难溶性磷酸钙盐类，会降低磷的有效性;许多微量元素，如，硼、锰、钼的加入使其有效性也会大大降低，故，pH值是一个关键的指标。本文测试了高分子肥料在不同温度、不同时间下其水溶液的pH值，发现，1 h与6 h后的pH值并无明显变化。6 h后的pH值见表5。

表5 产品在不同温度下溶解6 h后pH值

从表5中可以看出，高分子肥料在溶于水并发生水解后的pH值并没有发生明显的变化，只是由于尿素量的加大，其溶液的pH值由6.42上升到7.07。实验中，n(H3PO4)∶n(KOH)∶n［(NH2)2CO］= 2.0∶0.8∶2.0时，由于磷酸的摩尔量稍高，故而整体显酸性，随着尿素的量加大逐步上升为碱性，达到一个实用性良好的pH值。9号实验样品的室温溶解pH值最好。

综合本文对高分子化肥的测试，表明该高分子化肥具有良好的水溶性，并具有一定的缓释效果，溶于水之后可得一种清亮型液体肥。其配方以n(磷酸)∶n(氢氧化钾)∶n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0为佳，工艺条件为反应温度120℃，反应时间40 min。

3 结论

实验结果表明，最佳合成工艺条件为;n(磷酸)∶n(氢氧化钾)∶n(尿素)=2.0∶0.8∶6.0，反应温度为120℃，反应时间为40 min，产率可达81.3%，所获得的高分子化肥在室温的溶解度为78.1 g/ 100 g，室温其饱和水溶液的pH值为7.03，将其溶于水可制成清亮型液肥。

［1］ 李三文.对我省化肥工业发展战略的思考［J］.山西化工，2003，23(1):1－3.

［2］王月祥，赵贵哲，刘亚青，等.新型高分子多营养元素缓释肥的制备工艺研［J］.化肥设计，2008，46(11):59－60.

［3］刘俊，张志业，王辛龙，等.缓释磷铵包膜复混肥的研究［J］.磷肥与复肥，2015，30(10):6－9.

［4］ 李欣.缓控释肥料的类型及其优点［J］.现代化农业，2016(7):21－22.

Synthesis and properties of a liquid polymer fertilizer

JIANG Yingzhong

(Shanxi Research Institute of Applied Chemistry Co.，Ltd.，Taiyuan Shanxi 030027，China)

Liquid polymer fertilizer is a clear and water－soluble polymer which contains N，P，K nutrient elements.In this paper，the solubility，the pH value，and the content of N，P，K were measured，and the optimum synthetic process was determined as follows:n (phosphoric acid)∶n(potassium hydroxide)∶n(urea)=2∶0.8∶6;reaction temperature was 120℃;reaction time was 40 min.The prepared fertilizer has good dissolubility and slow release property with pH value being 7.

polymer liquid fertilizer;solubility;pH value;content of N，P，and K

TQ449+.6

A

1004－7050(2016)06－0017－03

10.16525/j.cnki.cn14－1109/tq.2016.06.05

2016－10－18

蒋迎忠，男，1983年出生，2005年毕业于中北大学，现从事高分子材料的研发、生产工作。