包膜型缓控释肥

包膜型缓控释肥

包膜控释肥

据权威人士估计 , 发展中国家粮食的增产中 , 其55% 归功于化肥的作用。但

是，化肥的利用率普遍偏低，氮肥利用率仅为 30%〜35%,磷肥仅为10%〜 25%,钾肥为35%〜50%,如此低的利用率不仅造成资源的巨大浪费， 还造成

了严重的环境污染，有些地区出现地表富营养化、地下水和蔬菜中氮的含量严 重超标等问题。缓释和控释肥(slow and con trolled release fertilizers,简称SRFs和

CRFs )为解决这个问题开辟了新的思路和更有效的途径， 这已成为化学肥料革

新和研究的热点。

一、 控释肥、缓释肥的概念区分

一般认为，所谓 “释放” 是指养份由化学物质转变成植物可直接吸收利用 的有效形态的过程 (如溶解、水解、降解等 )；“缓释” 是指化学物质养份释放 速率远小于速溶性肥料施入土壤后转变为植物有效态养份的释放速率； “控 释”是指以各种调控机制使养份释放按照设定的释放模式 (释放率和释放时间 ) 与作物吸收养份的规律相一致。因此，在生物或化学作用下 可分解的有机氮化 合物肥料(如脲甲醛)通常被称为缓释肥(SRFs)，而对生物和化学作用等因素不敏 感的包膜肥料通常被称为控释肥(CRFs)o

其中控释肥，根据不同的控释方法又可分为 包膜肥料(CoatedFertilizers) 和非包膜肥料(Un coated Fertilizers,如胶粘肥料、载体肥料等)两大类。由于 包膜型控释肥其包膜材料众多、配方多变，能适应不同作物的养分需求 ，因此 在国内外研究，占缓 /控释肥料的 50%以上；且技术上更为成熟、商品化应用更 广。

二、 包膜控施肥的国内外研究应用情况

美国是世界包膜肥料的发源地，20世纪60年代中期，美国首先研制成功 硫 包膜尿素(SCU)，其包膜层由包硫层、密封层(石蜡一煤焦油)、扑粉层组成。在 当前的包膜肥料中，硫包膜尿素是一类很重要的包膜肥料，尤其适用于缺硫土 壤；1964年美国ADM公司用二聚环戊二烯和丙三醇共聚 生产出聚合物包膜控释 肥料，商品名为Osmocot；目前，SCU、Osmocote仍为世界上最有影响的包膜 肥料。

日本 最初学习美国硫包膜尿素技术开发包膜肥料。 1970年以后日本开发了 热包膜型缓控释肥

固型树脂包膜肥料 ，这些树脂包膜材料的基础都是 以聚烯烃为主体 ，再加入 一些高分子聚合物进行共聚，如聚烯烃(PE)，乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物(EVA) 及无机填料滑石粉所组成，以这一材料生产包膜肥料工艺简称为 POCF工艺。利 用PE薄膜渗透性很低，而用EVA薄膜则渗透性很高的特点，为此按照作物的需 肥规律调整二者比例。通过土壤水分作用，使肥料养分有节制地释放出来而进 入土壤从而达到缓释养分的目的。在 PE和 EVA配制而成的包膜剂中添加滑石粉 调节包膜肥料养分释放速率。日本 Chisso-Asahi肥料公司运用POCF工艺生产的 包膜缓释肥料商品名称为MEISTER，该肥料主要用于草坪、花卉、温室栽培， 是亚洲园艺市场主导品牌；日本三菱化学公司用 低密度聚乙烯、聚环氧乙烷、 壬基苯基醚以及滑石粉的悬浮液 在流化床中喷雾生产包膜缓释肥料；多木化学 公司用生物易降解的热固型醇酸聚氨酯为包膜剂生产包膜缓释肥料。

我国于20世纪 70年代初开始研究包膜型缓 /控释肥料，目前研究主要以 无机

物包裹型 和聚合物包膜型 为主。作为包裹型的无机物主要有钙镁磷肥、硫磺、 石膏、沸石。包裹型缓 /控释肥料的研制以 郑州工业大学磷肥与复肥研究所 为代

表，自1983年以来，磷肥与复肥研究所 许秀成等系统地研究以无机肥料包裹其 他肥料的缓释肥料，该类肥料既能达到缓释的目的又能起到复合肥料的作用。 我国从20世纪80年代中期 开展了有机聚合物包膜肥料。 1985年北京市园林科学 研究所与化学工业研究所联合开发了 酚醛树脂包膜复合肥 。 1990年浙江农业大 学何念祖开发聚合物包膜肥料，在水稻上应用效果较好。 90年代中期北京化工

学大学开发出了将废旧泡沫树脂溶解在高分子溶液中同时加入无机物制成肥料 包膜材料。 1993年四川周家龙 发明一种以骨胶等蛋白质物质为活性组分作为肥 料的包膜材料，能在很长的时间内控制养分释放．而且能针对作物生长的需求 释放养分。

河北沧州大化集团 有限公司研制成功“可控缓释尿素颗粒肥料及其 制备方法”肥料包膜材料 由氮肥增效剂、氮素稳定剂、有机酸、被膜剂、表面 活性物质、调节剂等

组成。

三、包膜材料

综合国内外相关文献资料，包膜型缓 /控释肥的包膜材料主要分为无机物和

有机聚合物两大类

无机物包膜材料主要通过粘结剂附着于肥料颗粒上，通过物理阻隔作用减 少肥包膜型缓控释肥

料与水分的接触，从而达到缓释的效果，这类材料主要有 硫磺、粘土、钙

镁磷肥、氧化镁、石膏、磷酸盐、硅酸盐、腐殖酸、高岭土、膨润土、滑石粉 等，其中，对硫包膜材料的研究最多。还有一些矿物质，如沸石、海泡石等由 于具有较高的阳离子交换量，对于养分的保持具有特殊作用，成为一种具有潜 力的缓控释材料。无机包膜材料来源广泛，且对土壤不构成危害，但无机包膜 对肥料的封闭性不好，容易形成较大尺度的孔隙，使缓释效果不佳。且无机材 料韧性较差，在包装及运输过程中包膜易破碎脱落，大大降低缓释效果。

有机聚合物包膜缓控释肥 由于缓释性能优良，符合作物生长规律，是目前 发展较快的一类缓控释肥料。其膜材料可分为 天然聚合物、半合成和合成聚合 物三大类。其中，天然聚合物主要有淀粉、纤维素、木质素，天然橡胶、植物 胶、动物胶等。天然聚合物包膜材料来源广泛，无毒害且价格低廉，但容易被 土壤中的微生物所分解，因而缓释性能较差。半合成聚合物是天然聚合物经改 性后形成的，如改性淀粉（羧甲基淀粉、醋酸淀粉等）、改性纤维素（羟甲基 纤维素、羧甲基纤维素等）等。对于此类材料的研究报道虽然较少，但由于其 材料来源广泛，成膜性较好，具有一定的生物降解性能，从而具有广阔的发展 前景。合成聚合物主要有三类，一类是溶剂型热塑性 包膜材料（聚烯烃类，如 聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等），这类材料在包膜过程中需要用到大量有毒 的有机溶剂，溶剂损失较大、回收困难。 第二类是水乳液包膜材料，如丙烯酸 酯类聚合物。该类材料以水为载体，采用乳液包膜技术，解决了溶剂型包膜的 溶剂回收问题，生产过程较为环保。需要解决的是基体肥料在乳液中的溶解问 题及乳液中水的快速除去。第三类是热固性树脂包膜，典型的有醇酸树脂和聚 氨酯类。采用热固性树脂进行包膜，没有溶剂回收过程，可连续生产，缓释性 能优于聚烯烃类热塑性树脂，但价格一般高于后者。合成聚合物包膜在土壤中 分解周期很长，长期施用会对土壤结构造成破坏。

四、包膜肥料的生产工艺

肥料包膜的一般方法有造粒塔喷雾法、流化床涂布法、转鼓或圆盘包覆 法、浸润离心法等。

大多数聚合物包膜肥料常采用造粒塔喷雾法，其工艺流程为：将 包膜涂层 溶液加压，经喷射雾化后进入造粒塔内，雾化物与从造粒塔顶部淋洒下来的肥 料颗粒逆向接触，雾化后的涂层溶液即均匀地涂于肥料表面，并借助肥料自身 的热量干固成膜。 包膜型缓控释肥

硫包尿素（SCU）的生产过程为：尿素在包裹之前先预热，硫磺在 282C的 容器内熔化，热空气将熔融的硫压入喷头，喷向尿素，硫磺在转动的尿素颗粒 表面形成一层薄膜，转入石蜡鼓中上蜡，同时加入杀菌剂，如煤焦油等。上蜡 后肥粒转入冷却器中冷到82C以下，加入调理剂，转动数分钟，过筛，即得最 后产品。

五、包膜肥料养分释放机理

释放机理是研究缓 /控释肥料颗粒中养分的释放过程及其受控的机制，不同 种类包膜材料其养分释放机制是不同的。较早生产的 脲甲醛肥料其主要机理 是 靠材料的 低溶解度和低渗出率 来达到缓释的目的。后期的 包膜型控释肥料 其大 多数是靠难溶或微溶性的材料对单质或复合型的肥料进行包裹， 因此其养分释 放基本上是通过 渗透和扩散作用 进行，很多学者对此进行了相关方面的研究， 并取得一定的进展目前公认的养分释放机制有 破裂机制和扩散机制。

破裂机制 ，包膜控释肥料养分的释放首先是水汽透过膜，然后是水汽凝结 在固体肥料核上并溶解部分肥料，引起内部压力的累积，这时如果内部压力超 过膜的承受力，包膜破裂，颗粒的全部养分迅速释放出来，这就是破裂机制。 破裂机制主要通过Raban等，用改进的聚合物硫包膜尿素颗粒进行试验而得到 的。一个包膜尿素颗粒没入水中，水将通过包膜渗入颗粒内部。水渗入的速率 决定于驱动力的大小、膜厚度和包膜材料的特性。驱动力起源于膜内外不同的 水汽压力，水汽进入肥料核，溶解固体肥料，引起膜内部压力的累积和增加， 最终引起内部膨胀，进而使膜破裂。膜的破裂导致肥料养分的迅速释放，破裂 的时间取决于膜的机械强度、厚度、包膜颗粒的半径等。 破裂机制适合于脆而 无弹性的包膜肥料 ，如硫包膜尿素典型的养分释放机制。

扩散机制 ，如果膜能抵抗内部的压力，肥料就通过扩散而释放，其动力主 要是膜内外的浓度梯度和压力梯度，这就是扩散机制。扩散机制是通过对 聚合 物包膜尿素 在水中进行释放试验而得到的。结果表明，整个释放过程包含 3个阶 段： 迟滞期 （几乎观察不到尿素的释放 ）；恒释期 （释放速率持续不变期 ）；滞后期

（释放速率逐渐下降期 ）。在迟滞期，水汽进入颗粒，并溶解部分膜内的固体肥

料。这个过程的驱动力是膜内外的汽压梯度，颗粒的质量、体积、内部压力均

随之增大。迟滞期的长短由颗粒内部孔隙充满水所需要的时间所决定。当颗粒 内部的饱和溶液达到临界体积时，养分开始释放，释放速率保持不变直到颗粒 内部饱和溶液与固体肥料化学势达到平衡 （延滞期 ）。膜内部持续不变的浓度是 使肥料向包膜型缓控释肥

膜外的渗出保持不变的动力。当肥料核全部消失时，随着内部溶液的 浓度减小，释放的动力随之降低，释放速率减弱，这就是释放过程的第 3个阶段

（滞后期 ）。扩散机制适合于聚合物包膜肥料 ，如聚氨酯膜，醇酸包膜和聚乙烯

包膜肥料等。

六．影响包膜控施肥性能的因素

1、包膜内外水蒸气压差

在迟滞期，水分充满肥料颗粒内部孔隙所需的时间决定了迟滞期的长短； 而在恒速期和滞后期，包膜内外的水蒸气压差是控制肥料释放率的关键因素。 在恒速期，由于包膜内一直是饱和肥料溶液，饱和蒸气压不变，膜外水的饱和 蒸气压也不变，包膜内外的饱和蒸汽压差的恒定使得养分释放速率恒定。当固 体肥料溶解完后，包膜内养分溶液浓度开始下降， 包膜内外水蒸气压差逐渐变 小，释放速率逐渐下降。 湖南省土壤肥料研究所的 郑圣先 等人为了研究水蒸气 压对包膜型控释肥料养分释放的影响，在相同条件下（温度为 30C，外界环境

相同），分别采用去离子水、KH2PO4饱和溶液和KCI饱和溶液（30E时，纯 水蒸气压为4242 Pa KH2PO4饱和溶液为3946 Pa KCI饱和溶液为3566 Pa） 作为包膜肥料外的溶液进行试验，得到养分释放速率表现为 KCI 饱和溶液

2、土壤温度

Sharo n Gambash等人的研究表明，包膜型控释肥料的养分释放速率与温度有 关。包膜肥料的 缓释性能随温度的升高而变差 。温度对肥料缓释性能的影响体 现在以下三个方面：