ISWC OpenIR  > 水保所2018--2019届毕业生论文
工业碱木质素基缓释氮肥的制备及其缓释性能研究
焦高杰
Subtype硕士
2019-05-22
Degree Grantor中国科学院水土保持与生态环境研究中心
Place of Conferral陕西省咸阳市杨凌区西农路26号
Degree Name农学硕士学位
Keyword工业碱木质素 酚化反应 曼尼希反应 水热炭化 缓释氮肥
Abstract

      氮肥作为重要的农业生产资料,为全球粮食产量的提升做出了巨大贡献。而随着全球人口的指数式增长和人均粮食需求的不断攀升,农业生产中需要使用更多的氮肥才能满足未来不断增长的粮食需求。然而,传统氮肥的大量使用不仅会造成低的肥料利用率,高的农业生产成本,而且还会引起一系列的环境问题,如温室气体的排放,水体的富营养化,土壤的酸化等等,这已经引起了广大学者的高度重视。而缓、控释氮肥因具有低的养分释放速率和高的肥料利用率被认为是解决以上问题的一个可能途径。因此,本研究以工业碱木质素这一农林废弃物为原料,通过化学合成和物理负载两种方法来构建缓释模型,从而制备了两种木质素基缓释氮肥。主要的研究工作如下:
       以工业碱木质素为原料,利用酸性体系下的酚化反应对其进行化学改性。并通过调节酚化反应参数和对酚化产物结构的详细表征,探究木质素酚化反应机理,并优选出最佳酚化反应条件。研究结果表明:在木质素酚化改性的过程中,苯酚主要与木质素侧链上的醇羟基发生反应,并通过自身酚羟基的对位或邻位取代的方式接入到木质素大分子结构中,且前者占据明显的优势。此外,酚化改性使工业碱木质素的曼尼希反应活性位点含量从最初的2.91 mmol/g增加到了8.26 mmol/g,反应活性被显著提高。通过对酚化条件的优化,本研究认为在110 ℃条件下,按照1:2(木质素/苯酚;g/g)的物料比,反应20 min为工业碱木质素酚化改性的最优条件。
       以酚化改性后的工业碱木质素为原料,利用曼尼希反应来合成一种新型的木质素基缓释氮肥。并通过调整反应参数,筛选胺化试剂种类和对反应产物结构的详细表征,探究木质素基缓释氮肥的曼尼希合成机理和最佳制备条件。研究结果表明:在曼尼希反应过程中,胺化试剂的引入发生在木质素结构中酚羟基的邻位和对位上,且对位上的反应具有更高的活性。此外,与反应底物的物料比、反应温度、反应时间相比,胺化试剂的种类对产物的含氮量影响更大。在最优的合成条件下(木质素/乙二胺/甲醛的质量比为1:3:4;反应温度为70 ℃;反应时间为3 h),可以得到一种高含氮量(10.13 %)的木质素基缓释氮肥。另外,土柱淋溶实验结果表明:该木质素基缓释氮肥与尿素混施时,其不仅可以延缓尿素在土壤中的分解与释放,同时作为一种长效缓释组分,它也可以通过自身的降解在一个较长时期内向土壤中释放养分,因此是一种良好的长效缓释氮肥。
       以工业碱木质素为原料,通过水热炭化和化学活化的方法来制备多孔碳材料,然后利用该多孔碳材料来负载尿素,并通过挤压造粒的方法制备了一种炭基缓释氮肥。通过调整木质素水热炭化和化学活化的条件,以及炭基缓释氮肥中多孔碳材料、木质素和尿素的比例,探究炭基缓释氮肥的最佳制备条件。结果表明:木质素水热炭化条件(包括反应温度和反应时间)的变化可以在一定程度上影响化学活化后所得碳材料的比表面积、孔体积和得率。在最优的条件下,可以得到一个具有较高比表面积(1923.51 m2/g)、孔体积(0.82 cm3/g)和得率(37.59 %)的多孔碳材料。此外,土柱淋溶实验结果表明:与尿素相比,该炭基肥具有良好的缓释性能,且在炭基肥的制备过程中,增加多孔碳材料的使用量可以进一步提高肥料的缓释效果。

MOST Discipline Catalogue农学
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.iswc.ac.cn/handle/361005/8829
Collection水保所2018--2019届毕业生论文
Recommended Citation
GB/T 7714
焦高杰. 工业碱木质素基缓释氮肥的制备及其缓释性能研究[D]. 陕西省咸阳市杨凌区西农路26号. 中国科学院水土保持与生态环境研究中心,2019.
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