顆粒土壤改良劑制備及崩解特性研究

潘賢斌，何振全，蓋國勝，楊玉芬（1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安　710055；

2.清華大學(xué)無錫應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇 無錫　214072；

3.清華大學(xué)材料學(xué)院粉體工程研究室，北京　100084）

顆粒土壤改良劑制備及崩解特性研究

潘賢斌1，2，何振全2，3，蓋國勝2，3，楊玉芬2，3（1.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院，陜西 西安710055；

2.清華大學(xué)無錫應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇 無錫214072；

3.清華大學(xué)材料學(xué)院粉體工程研究室，北京100084）

以微晶化磷礦粉、沸石粉為主要原料，通過圓盤造粒和崩解試驗(yàn)分別研究了微晶化處理時(shí)間、磷礦粉與沸石粉質(zhì)量比、顆粒粒徑以及粘結(jié)劑Ⅰ、崩解劑Ⅱ添加量對造粒與崩解性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著磷礦粉細(xì)度和沸石含量的減小，成粒率增加。研磨3h，磷礦粉與沸石質(zhì)量比1∶0較1∶30成粒率增加14.16%，但1∶30與1∶15處理成粒率相差不大，僅為2.88%；當(dāng)質(zhì)量比為1∶0時(shí)，研磨3 h成粒率相比1 h增加15.16%，但4 h成粒率僅比3 h成粒率增加1.08%。當(dāng)顆粒粒徑大小為3～5 mm時(shí)，研磨4 h質(zhì)量比1∶15崩解時(shí)間為31 s，相比研磨1 h制備的顆粒崩解時(shí)間增加72.2%；此外顆粒大小對顆粒崩解時(shí)間也有影響，同一條件下崩解時(shí)間排序?yàn)椋?～10 mm＞3～5 mm＞1～3 mm處理。

磷礦粉；沸石粉；圓盤造粒；崩解試驗(yàn)

潘賢斌，何振全，蓋國勝，等. 顆粒土壤改良劑制備及崩解特性研究［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（9）：77-81.

近年來隨著我國工業(yè)SO2、NO排放量的不斷增加，加上長期大量使用氮肥，土壤酸化、土壤板結(jié)等問題變得越來越嚴(yán)重。據(jù)調(diào)查在630萬km2的實(shí)際調(diào)查面積中，障礙土壤達(dá)到16.1%，其中耕地的問題更加突出，因此如何改良問題土壤成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。沸石作為土壤改良劑常用于農(nóng)業(yè)上，它是一種含水的堿金屬或堿土金屬的鋁硅酸礦物，能改善土壤的抗侵蝕能力［1］，恢復(fù)土壤的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)［2-3］，改良鹽堿地［4-5］，修復(fù)重金屬污染土壤［6-7］，降低土壤容重。磷礦粉也常用作土壤改良劑，它不僅可以增加土壤中的有效磷含量［8］，提高土壤的pH值［9］，增加交換性鈣鎂含量，減少鋁毒，而且也能修復(fù)重金屬污染土壤。然而，粉料具有播撒不均勻、易產(chǎn)生粉塵飛揚(yáng)、易吸濕等諸多問題給實(shí)際的運(yùn)輸和使用帶來了不便。為此，我們針對磷礦粉與沸石粉造粒以及崩解性能進(jìn)行研究，探尋各影響因素對造粒和崩解過程的影響，目的是制備具有一定強(qiáng)度的顆粒，同時(shí)保證顆粒施入土壤后能夠快速遇水崩解，在水和微生物的作用下，與植物根系有良好的接觸，達(dá)到土壤改良的效果。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

沸石粉：來源地河北靈壽縣，屬于斜發(fā)沸石，具體化學(xué)組成為SiO2（68.2%）、Al2O3（12.42%）、K2O（2.86%）、CaO（2.57%）、Na2O（1.08%）、MgO（0.81%）、Fe2O3（0.21%）、MnO（0.06%）、P2O5（0.01%）、B（0.01%），過孔徑0.15 mm篩。

磷礦粉：來源地河北承德，全磷（P2O5）含量為25%，屬于中品位磷礦，過孔徑0.15 mm篩。

微晶化磷礦粉：經(jīng)微晶化設(shè)備分別處理1、2、3、4 h制得，過孔徑0.075 mm篩。

粘結(jié)劑Ⅰ、崩解劑Ⅱ：實(shí)驗(yàn)室自制。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1粒狀土壤改良劑制備 按一定比例稱取磷礦粉、沸石粉、粘結(jié)劑Ⅰ和崩解劑Ⅱ，共計(jì)3 kg。均勻混合后置于圓盤造粒機(jī)中進(jìn)行造粒，轉(zhuǎn)速設(shè)定為35 r/min，傾角為60°，加水量為35%。造粒15 min后，將粒狀土壤改良劑從圓盤造粒機(jī)中取出放入托盤，整體置于電熱恒溫鼓風(fēng)干燥機(jī)中，50℃烘干2 h。

1.2.2成粒率及合格率測定 參照國家標(biāo)準(zhǔn)《有機(jī)無機(jī)復(fù)混肥GB18877-2009》將烘干冷卻后的粒狀土壤改良劑通過標(biāo)準(zhǔn)篩篩分，計(jì)算成粒率及合格率：

式中，m1為粒徑大于1 mm的顆粒質(zhì)量，m2為物料總質(zhì)量，m3為粒徑在1～4.75 mm范圍內(nèi)的顆粒質(zhì)量。

1.2.3顆粒土壤改良劑崩解試驗(yàn) 參考中國藥典2015年版第四部崩解時(shí)限檢驗(yàn)法，將吊籃通過上段的不銹鋼軸懸掛于金屬支架上，浸入1 000 mL燒杯中，并調(diào)節(jié)吊籃位置使其下降時(shí)篩網(wǎng)距燒杯底部25 mm，燒杯內(nèi)盛有溫度37（±1）℃的水，調(diào)節(jié)水位高度使吊籃上升時(shí)篩網(wǎng)在水面下15 mm，吊籃頂部不可浸沒于溶液中。取6粒顆粒土壤改良劑放入吊籃中，加擋板，啟動(dòng)崩解儀，記錄通過篩網(wǎng)（0.425 mm）的時(shí)間，每個(gè)處理3次重復(fù)。

采用 Excel2010、origin8.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，SPSS16.0軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2　結(jié)果與分析

2.1造粒及其影響因素

2.1.1不同原料造粒試驗(yàn) 粘結(jié)劑Ⅰ、崩解劑Ⅱ添加量均為10%，沸石粉、磷礦粉添加量分別為80%的混合料在圓盤造粒機(jī)中進(jìn)行造粒，烘干后測定其成粒率與合格率，重復(fù)2次，結(jié)果見表1。由表1可知，原料對造粒有很大影響，不同原料造粒的難易程度不同，磷礦粉相比較沸石粉而言較易成粒。磷礦粉平均成粒率、平均合格率分別為81.0%和65.1%，而沸石粉分別為58.0%和46.6%。原因可能是磷礦粉流動(dòng)性相比較沸石粉要小，粉料間摩擦力大，成粒性要好。物料流動(dòng)性可以通過測定休止角進(jìn)行表征［10］，休止角越大，流動(dòng)性越小，本試驗(yàn)磷礦粉休止角實(shí)測值為46°，沸石休止角實(shí)測值為33°。磷礦粉沸石兩者成粒率差異達(dá)到極顯著水平，合格率差異達(dá)到顯著水平。

表1　磷礦粉、沸石粉造粒結(jié)果

2.1.2磷礦粉細(xì)度及沸石添加量對成粒率的影響 粘結(jié)劑Ⅰ、崩解劑Ⅱ添加量均為10%，研磨時(shí)間分別為1、2、3、4 h的磷礦粉與沸石粉（質(zhì)量比分別為1∶0、1∶15、1∶30）混合料在圓盤造粒機(jī)中進(jìn)行造粒，烘干后測定其成粒率，結(jié)果見圖1。由圖1可知，隨著研磨時(shí)間的增加，同一配比組分成粒率總體成增大趨勢，這是因?yàn)榧?xì)度越小粉料間由于范德華力的作用，聚集現(xiàn)象會(huì)越顯著，更易成粒［11］。1∶0處理研磨3 h后成粒率比研磨1 h增加15.16%，但研磨3 h后再增加研磨時(shí)間對成粒率的影響不大，研磨4 h成粒率僅比研磨3 h成粒率增加1.08%，原因可能是研磨效率隨著時(shí)間的延長而減小，研磨3 h后粒度變化較小，粒度變化趨于平穩(wěn)。此外原料的配比對成粒率也有很大影響，同一研磨時(shí)間下，隨著沸石粉添加量的增加成粒率總體成降低趨勢，研磨3 h，1∶0處理比1∶30處理成粒率增加14.16%，但1∶30處理與1∶15處理成粒率相差不大，僅為2.88%。原因可能是沸石的成粒性相比較磷礦粉要差，隨著沸石粉添加量的增大，混合料的成粒性降低。

圖1　不同細(xì)度磷礦粉與沸石粉添加量對成粒率的影響

2.1.3粘結(jié)劑Ⅰ添加量對成粒率的影響 磷礦粉（研磨4 h）與沸石粉質(zhì)量比為1∶30，粘結(jié)劑Ⅰ添加量分別為5%、10%、10%（另添加崩解劑Ⅱ10%）、15%、20%的混合料在圓盤造粒機(jī)中進(jìn)行造粒，烘干后測定其成粒率，結(jié)果見圖2。由圖2可知，隨著粘結(jié)劑Ⅰ添加量的增加，成粒率逐漸增大，添加量 20%、15%、10%的成粒率比5%分別增加11.18%、9.06%、5.98%，粘結(jié)劑Ⅰ最佳添加量為15%。這是因?yàn)檎辰Y(jié)劑Ⅰ一方面具有黏結(jié)性能，另一方面具有吸附性和填充性，能增加顆粒間的接觸面積，縮短分子間距，增強(qiáng)分子間的結(jié)合力［12］。另外，粘結(jié)劑Ⅰ添加量10%與粘結(jié)劑Ⅰ添加量10%+崩解劑Ⅱ添加量10%處理差異不顯著，說明崩解劑Ⅱ添加量對成粒率影響不大。

圖2　不同粘結(jié)劑Ⅰ添加量對成粒率的影響

2.2顆粒土壤改良劑崩解及其影響因素

2.2.1磷礦粉細(xì)度及沸石粉添加量對崩解時(shí)間的影響 顆粒粒徑大小為3～5 mm，粘結(jié)劑Ⅰ、崩解劑Ⅱ添加量均為10%，對磷礦粉與沸石粉質(zhì)量比分別為1∶0、1∶15、1∶30的成型顆粒進(jìn)行崩解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖3。由圖3可知，隨著研磨時(shí)間的增加，同一配比顆粒崩解時(shí)間大致成增大趨勢。1∶15處理研磨4 h成型顆粒崩解時(shí)間為31 s，比研磨1 h成型顆粒增加72.2%。這是因?yàn)橐环矫媪６仍叫。哿辖佑|面積增大，排列更加緊密，表面水膜減薄，分子間作用力增大；另一方面粒度越小，毛細(xì)管半徑減小，毛細(xì)管水的遷移速度減慢，水不易滲透到顆粒內(nèi)部，崩解緩慢。另外沸石添加量的大小也對崩解時(shí)間有影響，同一研磨時(shí)間下崩解時(shí)間長短排序大致為：1∶15 ＞1∶30 ＞1∶0處理。可能是因?yàn)榉惺哂歇?dú)特的晶體結(jié)構(gòu)［13］，它是由硅（鋁）氧四面體連成三維的格架，格架中有各種大小不同的空穴和通道，具有很大的開放性。磷礦粉可以填充到這些空穴和通道中，增加了顆粒的致密性，不易崩解。但當(dāng)沸石添加量超過一定限度后，磷礦粉不足以填充到所有的空穴和通道中時(shí)，顆粒較易被水滲透，發(fā)生崩解。

圖3　不同細(xì)度磷礦粉與沸石粉添加量對崩解時(shí)間的影響

2.2.2顆粒粒徑對崩解時(shí)間的影響 磷礦粉與沸石質(zhì)量比為1∶15，粘結(jié)劑Ⅰ、崩解劑Ⅱ添加量均為10%，對粒徑范圍分別為1～3、3～5、5～10 mm的成型顆粒進(jìn)行崩解實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見圖4。由圖4可知，隨著研磨時(shí)間的增加，同一粒徑的顆粒崩解時(shí)間大致成增大趨勢。粒徑5～10 mm處理研磨4 h制備的顆粒崩解時(shí)間為54 s，比研磨1 h崩解時(shí)間增加107.7%。這是因?yàn)殡S著研磨時(shí)間的增加，粉料比表面積增大，更易發(fā)生團(tuán)聚造成顆粒的強(qiáng)度增加，崩解困難。另外顆粒大小也對顆粒的崩解時(shí)間有影響，同一研磨時(shí)間下崩解時(shí)間長短排序?yàn)椋毫?～10 mm＞粒徑3～5 mm＞粒徑1～3 mm處理。這可能是因?yàn)樗蝾w粒內(nèi)部滲透會(huì)受到阻力，顆粒的粒徑越大，水由外部向內(nèi)遷移所經(jīng)過的路徑越長，遇到的阻力也就越大，崩解花費(fèi)時(shí)間也就越多［14］。

圖4　不同細(xì)度磷礦粉與顆粒粒徑對崩解時(shí)間的影響

2.2.3崩解劑Ⅱ添加量對崩解時(shí)間的影響 磷礦粉（研磨4 h）與沸石粉質(zhì)量比為1∶30，粘結(jié)劑Ⅰ添加量5%、崩解劑Ⅱ添加量0%（A），粘結(jié)劑Ⅰ添加量5%、崩解劑Ⅱ添加量5%（B），粘結(jié)劑Ⅰ添加量5%、崩解劑Ⅱ添加量10%（C），粘結(jié)劑Ⅰ添加量5%、崩解劑Ⅱ添加量15%（D），粘結(jié)劑Ⅰ添加量5%、崩解劑Ⅱ添加量20%（E），崩解劑Ⅱ添加量20%（F）的混合料分別在圓盤造粒機(jī)中進(jìn)行造粒，烘干后篩出5～10 mm的顆粒測定崩解時(shí)間，結(jié)果見圖5。由圖5可知，隨著崩解劑Ⅱ添加量的增加，崩解時(shí)間降低，E、D、C、B處理的崩解時(shí)間比A處理分別減少33.64%、24.30%、16.82%、6.54%，崩解劑Ⅱ最佳添加量為20%。這是因?yàn)楸澜鈩蛴鏊蟮V物晶層間距加大，水分子會(huì)進(jìn)入到晶層中，另外崩解劑Ⅱ的陽離子交換作用也可造成吸水膨脹［15-16］，顆粒發(fā)生崩解。E處理（崩解劑Ⅱ添加量20%，粘結(jié)劑Ⅰ添加量5%）與F處理（崩解劑Ⅱ添加量20%）差異不顯著，說明粘結(jié)劑Ⅰ添加量對顆粒崩解時(shí)間影響不大。

圖5　不同崩解劑Ⅱ添加量對崩解時(shí)間的影響

3　結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，磷礦粉比沸石粉成粒性要好，兩者成粒率差異達(dá)到極顯著水平。隨著磷礦粉細(xì)度的減小，混合料的成粒率逐漸增加，最大成粒率為82.15%。隨著沸石粉添加量的增加，混合料的成粒率降低。當(dāng)崩解劑Ⅱ、粘結(jié)劑Ⅰ添加量均為10%，磷礦粉與沸石粉質(zhì)量比在1∶0、1∶15、1∶30變化時(shí)，可獲得70%以上的成粒率，滿足對成粒性的要求。

隨著沸石粉添加量的增加和顆粒粒徑的增大，顆粒越不容易崩解，最長崩解時(shí)間為62 s。當(dāng)磷礦粉細(xì)度減小時(shí)，顆粒崩解時(shí)間延長。當(dāng)崩解劑Ⅱ、粘結(jié)劑Ⅰ添加量均為10%，顆粒粒徑大小為3～5 mm，磷礦粉與沸石粉質(zhì)量比在1∶0、1∶15、1∶30變化時(shí)，崩解時(shí)間均在30 s以下。

隨著粘結(jié)劑Ⅰ添加量的增加，混合料的成粒率增大，最佳添加量為15%，成粒率為74.79%。顆粒崩解時(shí)間隨崩解劑Ⅱ添加量的增加而減小，當(dāng)顆粒粒徑在5～10 mm時(shí)，最佳添加量為20%，崩解時(shí)間為24 s。

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（責(zé)任編輯 楊賢智）

Preparation of granular soil conditioner and its disintegration characteristics

PAN Xian-bin1，2，HE Zhen-quan2，3，GAI Guo-sheng2，3，YANG Yu-fen2，3
（1. College of Materials and Mineral Resources，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China；2.Wuxi Reserarch Institute of Applied Technologies，Tsinghua Universitu，Wuxi 214072，China；
3.Department of Material Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The effects of different types of materials，fineness，the mass ratio of phosphate rock powder and zeolite，particle size，and the amount of bentonite and attapulgite on the properties of granulation and disintegration were studied. It was found that the rate of grain increased with the decrease of fineness and content of zeolite. Grinding for 3 h，the rate of grain increased by 14.16% when the mass ratio of phosphate rock powder and zeolite was 1∶1 compared to the ratio of 1∶30，however 1∶30 group had no significant difference with 1∶15 group，only 2.88%；When the mass ratio was 1∶0，the rate of grain increased by 15.16% for grinding 3 h compared to 1 h，but only 1.08% compared to 4 h. When the particle size was 3-5 mm and the mass ratio was 1∶15，the disintegration time of particle was 31 s，which increased by 72.2% when the grinding time changed from 4 h to 1 h. In addition，the particle size of particle also had an impact on the disintegration time，the disintegration time under the same conditions were sorted as follows：5-10 mm group＞3-5 mm group＞1-3 mm group.

phosphate rock powder；zeolite；disc granulation；disintegration test

S156.2

A

1004-874X（2016）09-0077-05

2016-07-04

國家自然科學(xué)基金 （51374136） ；新疆維吾爾自治區(qū)科技支疆項(xiàng)目（2016E02020）；山東省自主創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化重大專項(xiàng)（2013ZHZX1A0307）

潘賢斌（1991-），男，在讀碩士生，E-mail：panxbstudent@126.com

蓋國勝（1958-），男，博士，研究員，E-mail：gaigs@139.com