王 杰,谷守玉,侯翠紅,侯黎爽,劉玉瓊,王孟來(lái),杜雄雁,姜 威,劉祖鋒
(1.鄭州大學(xué)化工學(xué)院,河南鄭州 450001;2.國(guó)家磷資源開(kāi)發(fā)利用工程技術(shù)研究中心;3.湖北宜施壯農(nóng)業(yè)科技有限公司)
黃磷渣是電爐法生產(chǎn)黃磷產(chǎn)生的固體廢棄物,每生產(chǎn)1 t 黃磷將產(chǎn)生8~10 t 的爐渣[1]。隨著工業(yè)化進(jìn)程和磷化工的大力發(fā)展,副產(chǎn)物黃磷渣排放量不斷增加,每年有超過(guò)800 萬(wàn)t 黃磷渣采用堆存處置[2],僅有少量黃磷渣應(yīng)用于微晶玻璃[3]、白炭黑[4]、多孔陶瓷[5]、水泥[6]、充填礦山采空區(qū)[7]等,綜合利用率僅為50%[8]。黃磷渣巨大的堆存量給磷化工企業(yè)帶來(lái)沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),限制了企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,且黃磷渣中的磷、氟等滲入地下,對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重危害。因此,如何大規(guī)模資源化利用黃磷渣,已成為磷化工綠色發(fā)展的瓶頸。
在電爐法生產(chǎn)黃磷的過(guò)程中,硅、鈣等元素經(jīng)高溫熔融進(jìn)入渣中[9],通過(guò)水淬可轉(zhuǎn)化為能被植物吸收的有益營(yíng)養(yǎng)元素。硅是水稻生長(zhǎng)所必需的有益元素[10],水稻生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中對(duì)硅的吸收超過(guò)氮、磷、鉀的總和;對(duì)于一些由缺鈣引起疾病的稻田,黃磷渣還可作為鈣肥施用,以改善作物品質(zhì)、增加抗逆性[11];黃磷渣中的“殘磷”可被農(nóng)作物有效吸收[12];微量元素助劑能夠促進(jìn)水稻生長(zhǎng)及繁殖器官的正常發(fā)育、緩解重金屬脅迫[13],同時(shí)可降低體系的熔點(diǎn),節(jié)能降耗[14]。水稻是中國(guó)的主要糧食作物之一,水稻產(chǎn)量約占谷物總產(chǎn)量的40%,近60%的人口以稻米為主食[15],水稻生產(chǎn)在保障中國(guó)糧食安全上有著關(guān)鍵地位[16]。傳統(tǒng)的水稻施肥多采用高濃度氮磷鉀肥料,忽略了中微量元素的作用,而黃磷渣中富含水稻所需的硅、鈣等有益營(yíng)養(yǎng)元素。因此,筆者通過(guò)在源頭添加微量元素助劑優(yōu)化磷礦還原體系,在保證黃磷生產(chǎn)磷高效逸出的同時(shí),實(shí)現(xiàn)改性爐渣中硅、鈣的協(xié)同活化,以改性黃磷渣為主要中量元素原料,根據(jù)云貴川水稻營(yíng)養(yǎng)需肥規(guī)律和當(dāng)?shù)赝寥罋夂驐l件,配以其他營(yíng)養(yǎng)元素,利用大中微量元素的協(xié)同增效配伍作用,設(shè)計(jì)生產(chǎn)出適合于云貴川地區(qū)的新型綠色水稻專用肥,實(shí)現(xiàn)硅、鈣伴生資源的協(xié)同化、規(guī)?;c高值化利用,為磷化工企業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供新路徑。
1)黃磷生產(chǎn)原料。黃磷生產(chǎn)所用原料磷礦、硅石和焦炭均由云南磷化集團(tuán)提供,其成分分析結(jié)果見(jiàn)表1和表2。
表1 黃磷生產(chǎn)原料組分含量Table 1 Content of raw materials for yellow phosphorus production
表2 焦炭工業(yè)分析及元素分析結(jié)果Table 2 Industrial analysis and elemental analysis results of coke
2)生產(chǎn)水稻專用肥的原料:尿素,w(N)=46%,顆粒直徑>2 mm;磷酸一銨,w(N)=11%,w(P2O5)=44%,粉狀;氯化鉀,w(K2O)=60%,粉狀;改性黃磷渣,w(SiO2)=28%,w(CaO)=40%,w(元素助劑Q1)=2.12%,粉狀;焦磷酸鋅,w(ZnO)=35%,w(P2O5)=16%,粉狀;鈣鎂磷肥(FMP),w(P2O5)=18%,w(CaO)=25%,w(MgO)=10%,w(SiO2)=26%,粉狀;脲醛,w(N)=36%,粉狀。
1.2.1 改性黃磷渣的制備
根據(jù)工業(yè)生產(chǎn)條件確定m(SiO2)/m(CaO)=0.8、碳過(guò)剩系數(shù)為1.13。將磷礦粉、硅石、焦炭按比例稱量,并添加2%(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))的微量元素助劑(Q1),混勻后置于石墨坩堝中,放入已達(dá)預(yù)設(shè)溫度(800 ℃,升溫速率為20 ℃/min)并通有氮?dú)猓髁繛? L/min)的真空氣氛升降爐中,繼續(xù)升溫至設(shè)定溫度,恒溫熔融1 h后迅速取出樣品,將樣品水淬處理,然后取出瀝干,烘干至質(zhì)量恒定,粉碎研磨至粒度小于125μm,備用。圖1為磷礦熔融還原裝置圖。
圖1 磷礦熔融還原裝置圖Fig.1 Diagram of phosphate rock melting reduction device
1.2.2 水稻專用肥農(nóng)藝配方的確定
研究發(fā)現(xiàn)[17-18],云貴一帶(西南高原單季稻區(qū))推薦的N、P2O5、K2O的施肥比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)比)為1∶0.77∶0.97,得到的肥料配方為N、P2O5、K2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為14.60∶11.24∶14.16;四川省推薦的N、P2O5、K2O 的施肥比例(質(zhì)量分?jǐn)?shù)比)為1∶0.58∶0.83,得到的肥料配方為N、P2O5、K2O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為16.59∶9.63∶13.78。綜合考慮兩地的水稻施肥配方,得到平均適宜配方為N、P2O5、K2O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為15.60∶10.41∶13.97,通過(guò)圓整選擇適宜兩地的水稻配方為N、P2O5、K2O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為16∶10∶14。表3 為水稻專用肥原料配比。
表3 水稻專用肥生產(chǎn)配料Table 3 Production ingredients of rice special fertilizer
1.2.3 綠色水稻專用肥的制備
以改性黃磷渣為中微量元素原料,根據(jù)水稻營(yíng)養(yǎng)需肥規(guī)律,以尿素、磷酸一銨、氯化鉀、鈣鎂磷肥及焦磷酸鋅等為原料,按照設(shè)計(jì)配方計(jì)量合理配伍大中微量元素原料,采用鄭州大學(xué)無(wú)機(jī)包裹型復(fù)合肥料生產(chǎn)工藝技術(shù)制備綠色水稻專用復(fù)合肥料。其中焦磷酸鋅、鈣鎂磷肥、黃磷渣的混合物作為第一包裹層,氯化鉀、磷酸一銨混合物作為第二包裹層,以直徑>2 mm 的中顆粒尿素作為包裹核心,在圓盤(pán)造粒機(jī)中造粒。通過(guò)這種特殊的包裹工藝控制不同營(yíng)養(yǎng)元素的空間布局、結(jié)構(gòu)組成,形成含有氮、磷、鉀、鈣、硅、鋅、硼等多營(yíng)養(yǎng)元素的水稻專用高效復(fù)合肥料。生產(chǎn)工藝流程見(jiàn)圖2。
圖2 實(shí)驗(yàn)室制備水稻專用肥流程圖Fig.2 Flow diagram of preparation of rice specialfertilizer in laboratory
1.3.1 黃磷生產(chǎn)中磷逸出率
反應(yīng)原料和黃磷渣中的磷含量采用GB/T 1871.1—1995《磷礦石和磷精礦中五氧化二磷含量的測(cè)定:磷鉬酸喹啉重量法和容量法》中的“磷鉬酸喹啉重量法”測(cè)定。反應(yīng)過(guò)程中磷的逸出率按式(1)計(jì)算:
式中:X為磷逸出率,%;M0為入爐料中P2O5質(zhì)量,g;M1為黃磷渣中P2O5質(zhì)量,g;m1為黃磷渣質(zhì)量,g;w1為黃磷渣中P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。
1.3.2 元素有效性(活化率)分析和評(píng)價(jià)
按照GB/T 8573—2017《復(fù)混肥料中有效磷含量的測(cè)定》、GB/T 14540—2003《復(fù)混肥料中銅、鐵、錳、鋅、硼、鉬含量的測(cè)定》、GB/T 20412—2021《鈣鎂磷肥》對(duì)改性黃磷渣及水稻肥中各元素含量進(jìn)行測(cè)定。元素有效性(活化率)按式(2)計(jì)算:
式中:η為元素有效性,%;C為元素的有效質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;T為元素的總質(zhì)量分?jǐn)?shù),%。
元素的有效性反映了肥料中元素能夠被農(nóng)作物吸收利用的有效含量占該元素總含量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。復(fù)混肥料中添加的中微量元素容易與大量元素磷酸鹽反應(yīng)造成退化,而且中微量元素之間也存在拮抗作用,因此需要對(duì)水稻專用肥進(jìn)行有效性研究,探討包裹造粒后水稻專用肥各原料間是否會(huì)發(fā)生反應(yīng),從而影響肥料中營(yíng)養(yǎng)元素的有效含量。
水稻專用肥有效性評(píng)價(jià)參照復(fù)混肥料中微量元素有效性評(píng)價(jià)[19],具體流程見(jiàn)圖3。
圖3 水稻專用肥評(píng)價(jià)流程圖Fig.3 Flow diagram of evaluation of rice special fertilizer
添加微量元素助劑具有良好的助熔效果。為探究?jī)?yōu)選助劑對(duì)渣系的影響,合理調(diào)控高溫熔融還原過(guò)程,對(duì)黃磷渣體系進(jìn)行熱力學(xué)相圖分析。將SiO2-CaO-Al2O3作為基準(zhǔn)體系,通過(guò)FactSage7.3 軟件計(jì)算了SiO2-CaO-Al2O3和SiO2-CaO-Al2O3-Q1相圖,結(jié)果見(jiàn)圖4。爐渣中二元酸度m(SiO2)/m(CaO)=0.8(介于0.75~0.85)時(shí),w(Al2O3)<5%。從SiO2-CaOAl2O3三元體系相圖(圖4Ⅰ)看出,體系中的主要物相為硅酸二鈣(Ca2SiO4)、硅鈣石(Ca3Si2O7)、硅灰石(CaSiO3),熔融溫度高達(dá)1 400~1 650 ℃,最低共熔點(diǎn)為1 184 ℃;從SiO2-CaO-Al2O3-Q1四元體系相圖(圖4Ⅱ)可知,添加微量元素助劑使渣系發(fā)生了物相轉(zhuǎn)變,此時(shí)主要物相為熔點(diǎn)相對(duì)較低的硅鈣石(Ca3Si2O7)和假硅灰石(α-CaSiO3),熔融溫度降低至1 350~1 450 ℃,最低共熔點(diǎn)由1 184.29 ℃降為1 121.87 ℃,降低了62.42 ℃。熱力學(xué)相圖研究表明,微量元素助劑的添加有利于體系熔融,節(jié)能降耗。
圖4 SiO2-CaO-Al2O3三元體系相圖(Ⅰ);SiO2-CaO-Al2O3-Q1四元體系相圖(Ⅱ)Fig.4 Phase diagram of SiO2-CaO-Al2O3 ternary system(Ⅰ);Phase diagram of SiO2-CaO-Al2O3-Q1 quaternary System(Ⅱ)
磷逸出率作為黃磷生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)重要的考核指標(biāo),決定著企業(yè)的生產(chǎn)成本。固定反應(yīng)時(shí)間為60 min,考察了反應(yīng)溫度(1 350~1 550 ℃)對(duì)磷逸出率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。從圖5 看出,常規(guī)體系下,反應(yīng)溫度從1 350 ℃升溫到1 500 ℃,磷逸出率由73.56%提高到97.39%,繼續(xù)升高溫度到1 550 ℃,磷逸出率為98%左右。同一反應(yīng)溫度下添加助劑體系磷逸出率均高于常規(guī)體系,反應(yīng)溫度為1 400 ℃時(shí)添加微量元素助劑體系增加磷逸出率6.3%、1 450 ℃增加磷逸出率6.01%。這說(shuō)明添加助劑可以強(qiáng)化磷的逸出,增大體系磷的逸出率。以實(shí)際生產(chǎn)控制指標(biāo)磷轉(zhuǎn)化率大于95%為標(biāo)準(zhǔn),添加微量元素助劑體系在1 450 ℃可達(dá)到要求,此時(shí)磷逸出率為95.56%。因此,最佳工藝條件為添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%Q1、反應(yīng)溫度為1 450 ℃、反應(yīng)時(shí)間為60 min。
圖5 添加助劑對(duì)磷逸出率及熔融溫度的影響Fig.5 Effect of additives on phosphorus escape rate and melting temperature
黃磷渣生產(chǎn)水稻專用肥的關(guān)鍵在于利用其活性的硅、鈣。為了確定黃磷渣中硅、鈣養(yǎng)分的活性,對(duì)最佳工藝條件下改性黃磷渣中硅、鈣的活性進(jìn)行了研究,結(jié)果見(jiàn)圖6。從圖6 看出,常規(guī)黃磷渣和改性黃磷渣都具有較高的硅、鈣活性。改性黃磷渣中有效二氧化硅、氧化鈣的含量以及硅、鈣活化率均有增加,鈣活化率從91.2%升至95.1%(增加了3.9%),硅活化率從90.3%升至93.5%(增加了3.2%)。這說(shuō)明,添加微量元素助劑在低溫保證磷逸出的同時(shí),仍能提升硅、鈣的活化效果。
圖6 中微量元素助劑對(duì)硅、鈣活化效果的影響Fig.6 Effect of medium and trace element auxiliary on activation of silicon and calcium
為了探究高溫對(duì)微量元素的影響,對(duì)m(SiO2)/m(CaO)=0.8、碳過(guò)剩系數(shù)為1.13、反應(yīng)溫度為1 350~1 550 ℃、添加2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))微量元素助劑Q1的渣相進(jìn)行研究,結(jié)果見(jiàn)圖7。從圖7 看出,當(dāng)反應(yīng)溫度從1 350 ℃升高到1 550 ℃時(shí),渣中微量元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由1.98%升高至2.1%。這說(shuō)明,在電爐法還原磷礦的過(guò)程中,微量元素助劑并不揮發(fā),含微量元素礦渣被認(rèn)為是作物肥料的有效成分。
圖7 不同溫度條件下改性黃磷渣中助熔劑含量Fig.7 Flux contents in modified yellow phosphorus slag under different temperature conditions
改性黃磷渣具有水稻生長(zhǎng)的多種營(yíng)養(yǎng)元素,但是受礦源及生產(chǎn)工藝的影響,導(dǎo)致其可能存在Cr、Cd、Pb、Hg、As、Tl 等重金屬。為評(píng)估改性黃磷渣應(yīng)用于水稻肥生產(chǎn)中的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)添加微量元素助劑的改性黃磷渣進(jìn)行重金屬含量評(píng)估。重金屬含量的測(cè)定用王水溶樣,采用Agilent5110 型ICP 儀進(jìn)行含量的測(cè)定。參考GB 38400—2019《肥料中有毒有害物質(zhì)的限量要求》,以肥料中重金屬的總濃度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。改性黃磷渣中重金屬含量測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表4。由表4 可知,改性黃磷渣中重金屬含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求的肥料限量。因此,改性黃磷渣作為水稻專用肥的生產(chǎn)原料是可行的。
表4 改性黃磷渣中重金屬含量Table 4 Heavy mental contents in modified yellow phosphorus slag
為了探明微量元素助劑對(duì)黃磷渣物化性能的影響,采用D8 DISCOVER 型X射線衍射儀在Cu靶(單色)、40 kV、40 mA、掃描角度2θ為10~80°、步長(zhǎng)為0.02°、掃描速率為10(°)/min條件下,對(duì)最佳反應(yīng)工藝黃磷渣進(jìn)行XRD分析,結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8看出,添加微量元素助劑改性后的黃磷渣和常規(guī)黃磷渣物性相同,仍表現(xiàn)出良好的玻璃結(jié)構(gòu),兩者XRD 譜圖在2θ為25~35°有明顯的“饅頭峰”。Ca—O、Mg—O、Al—O的化學(xué)單鍵強(qiáng)度低,容易產(chǎn)生自由氧離子,使硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定或斷裂,使這些無(wú)定形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中活性元素被釋放[20]。這說(shuō)明添加微量元素助劑可以達(dá)到改變有益元素活性的目的,其本身仍是玻璃結(jié)構(gòu),容易被植物吸收利用。
圖8 黃磷渣XRD譜圖Fig.8 XRD patterns of yellow phosphorus slag
采用S4800 型掃描電子顯微鏡對(duì)1 450 ℃的渣樣進(jìn)行掃描電鏡分析,探究微量元素助劑的添加對(duì)渣微觀結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果見(jiàn)圖9。從圖9Ⅰ(常規(guī)黃磷渣)看出,經(jīng)高溫碳熱還原水淬,磷蒸氣逸出,熔渣體積急劇收縮和破裂,導(dǎo)致黃磷呈現(xiàn)出多孔、易碎、薄壁結(jié)構(gòu),這有利于釋放渣中營(yíng)養(yǎng)元素。圖9Ⅱ(添加微量元素助劑黃磷渣)表明,微量元素Q1及其他營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)分布均勻,從微觀上驗(yàn)證了改性黃磷渣中營(yíng)養(yǎng)元素的多元化,與化學(xué)分析結(jié)果一致。
圖9 1 450 ℃黃磷渣SEM-EDS圖Fig.9 SEM-EDS images of yellow phosphorus slag at 1 450 ℃
水稻施肥過(guò)程中普遍存在過(guò)量施肥以及氮磷鉀肥(NPK)施用比例不合理,導(dǎo)致水稻產(chǎn)量降低及諸多環(huán)境問(wèn)題[21]。筆者根據(jù)云貴川水稻營(yíng)養(yǎng)需肥規(guī)律和當(dāng)?shù)赝寥罋夂驐l件,配以其他營(yíng)養(yǎng)元素,利用大中微量元素的協(xié)同增效配伍作用,設(shè)計(jì)了16N-10P2O5-14K2O+7SiO2+10CaO+0.45Zn 水稻專用肥配方(質(zhì)量分?jǐn)?shù)比,%),根據(jù)圖2方法生產(chǎn)了水稻專用肥,對(duì)水稻專用肥營(yíng)養(yǎng)元素的有效性進(jìn)行了分析,結(jié)果見(jiàn)圖10。
圖10 水稻專用肥元素有效性分析Fig.10 Analysis on element availability of rice special fertilizer
從圖10看出,采用改性黃磷渣生產(chǎn)的水稻專用肥各營(yíng)養(yǎng)元素均具有較高的有效性,其中N、P2O5、K2O、Zn有效含量與全含量基本相同,N的有效性為99%、P2O5的有效性為98.81%、K2O 的有效性為99.15%、Zn的有效性為97.78%。水溶磷含量略有下降,說(shuō)明水稻專用肥中的部分水溶磷退化為枸溶態(tài)的磷,但仍可被作物吸收;水溶鋅也出現(xiàn)了部分退化,其有效性為93.33%。分析水溶磷和水溶鋅含量降低的原因,主要是:水稻配方中的氯化鉀與磷酸一銨反應(yīng)生成氯化銨和磷酸二氫鉀,見(jiàn)式(3);Zn2+與PO4
3-、NH4+反應(yīng)生成了枸溶性的NH4ZnPO4,見(jiàn)式(4)。
與傳統(tǒng)NPK肥料不同,水稻專用肥具有較高的硅鈣含量,硅和鈣的有效性分別為93.88%、88.53%。這說(shuō)明以黃磷渣為主要原料采用包裹工藝造粒制成的復(fù)合肥料,通過(guò)調(diào)整物料的空間結(jié)構(gòu)布局,起到了阻隔部分元素間的相互作用,減弱了磷鋅之間的拮抗作用,同時(shí)硅鈣依舊保持較高的活性。
通過(guò)探究熱法工藝源頭添加微量元素助劑改性黃磷渣的工藝,以改性黃磷渣為主要原料,根據(jù)云貴川水稻營(yíng)養(yǎng)需肥規(guī)律和當(dāng)?shù)赝寥罋夂驐l件,設(shè)計(jì)生產(chǎn)水稻專用肥,可以得到以下結(jié)論。
1)通過(guò)相圖研究表明,添加微量元素Q1有助于降低體系熔融溫度、改變物相。爐渣中二元酸度m(SiO2)/m(CaO)為0.75~0.85 時(shí),w(Al2O3)<5%。SiO2-CaO-Al2O3三元體系相圖和SiO2-CaO-Al2O3-Q1四元體系相圖表明,添加Q1使得體系物相發(fā)生轉(zhuǎn)變,由硅酸二鈣(Ca2SiO4)、硅鈣石(Ca3Si2O7)、硅灰石(CaSiO3)轉(zhuǎn)變?yōu)楣桠}石(Ca3Si2O7)和假硅灰石(α-CaSiO3),熔融溫度由1 400~1 650 ℃轉(zhuǎn)變?yōu)? 350~1 450 ℃,下降了50~200 ℃。
2)實(shí)驗(yàn)室模擬工業(yè)黃磷生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)表明:添加微量元素助劑有利于提高磷逸出率。添加2%Q(1質(zhì)量分?jǐn)?shù)),在反應(yīng)溫度為1 450 ℃(較常規(guī)體系降低溫度50 ℃)、熔融時(shí)間為60 min條件下,即可達(dá)到磷逸出率大于95%的要求。此時(shí)磷逸出率為95.56%、有效SiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.45%、有效CaO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47.46%、微量元素助劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.03%,且重金屬含量遠(yuǎn)低于肥料限定標(biāo)準(zhǔn)。
3) 基 于 16N-10P2O5-14K2O+7SiO2+10CaO+0.45Zn配方制備的水稻專用肥能夠滿足水稻對(duì)多營(yíng)養(yǎng)元素的需求。對(duì)水稻專用肥進(jìn)行化學(xué)分析結(jié)果表明:N的有效性為99%、P2O5的有效性為98.81%、K2O的有效性為99.15%、SiO2有效性為93.88%、CaO 有效性為88.53%、Zn的有效性為97.78%,各元素均保持較高的有效性,能夠滿足水稻對(duì)多種營(yíng)養(yǎng)元素的需求。