[发明专利]一种木质素基缓释氮肥及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种木质素基缓释氮肥及其制备方法和应用。该制备方法包括如下步骤：S1：对木质素进行酚化改性得到酚化木质素；S2：将酚化木质素溶于碱性溶液，然后与胺化剂和醛溶液混合得混合液，于温度为60～80℃，功率为350～450W的微波条件下反应，即得所述木质素基缓释氮肥。本发明通过酚化改性将酚类物质引入到木质素的结构中，从而显著提高了木质素的活性位点含量；然后通过微波条件下的曼尼希改性反应将胺化剂中的氮以化学键结合接枝到木质素结构中，得到木质素基缓释氮肥。制备得到的木质素基缓释氮肥的氮接枝率高，有机氮含量高；当其被施入土壤后，会在微生物的作用下逐渐降解从而缓慢地释放出养分，以此来达到缓释的效果。

技术领域

本发明属于缓释肥料技术领域，具体涉及一种木质素基缓释氮肥及其制备方法和应用。

背景技术

从20世纪70年代初期以来,我国农业的氮肥投入迅速增加。然而，氮肥的当季利用率仅为30～35％，显著低于发达国家的45～55％。据统计，由于不合理施肥，我国每年有超过1500万吨的氮流失于农田之外，其原因在于常规化肥(如尿素等)遇水易流失或易挥发，导致肥料利用率低，且过量施用氮肥引发了一系列的生态环境安全问题。此外，大量施用化肥加剧了农田土壤酸化且部分地区非常严重，致使农作物产量降低。因此，如何提高肥料利用率是解决当前环境污染的迫切需求，也是我国农业是否能够长期可持续发展的重大问题。

缓释氮肥的出现解决了氮肥利用率低的问题，这种新型氮肥具有施肥次数少、肥料损失少等优点，氮肥利用率可达60～70％。现阶段缓释氮肥的研发主要有两种，包括稳定性肥料和包膜氮肥。然而，稳定性肥料仅仅是添加抑制剂来延缓尿素在土壤环境中的水解，降低氮素的损失。当降水量超过20mm时，其缓释效果明显降低。对于在肥料颗粒表面形成隔水层制备的包膜氮肥而言，尽管其隔水层延缓了养分在土壤环境中的溶解释放速率，但其包膜工艺不稳定且膜材大多难降解，一定程度上限制了其大面积推广应用。

木质素，自然界中唯一能从再生资源获得的高聚合度的芳香有机原料，具有无毒、价廉、可被微生物降解的特性。然而，木质素作为一类三维立体结构的高分子聚合物，其结构复杂，包含多种结构单元(G、S、H等)、链接键(β-O-4、β-β、β-5等)和官能团(-OH、-OCH₃等)。因此，木质素可以进行氧化、还原、水解、醇解、酸解、光解、生物降解、酰化、磺化、烷基化、卤化、硝化、缩聚或接枝共聚等诸多化学反应，使其在不同领域得以转化利用。

事实上，木质素是一种理想的生物质基材料和化学品的原材料。其中，造纸行业和生物质精炼行业的木质素多以副产品的形式呈现，利用率低。造纸黑液木质素和生物质精炼木质素被大量用于直接燃烧以获取热量或作为废弃物被直接掩埋，不仅造成资源的浪费，同时导致环境污染等问题。木质素分子特有的三维网状结构以及多种丰富的官能团，使其具有缓释性、螯合性等特性，能直接作为原料或者经过改性制备木质素基缓释肥料。同时，木质素具有较高的生物学稳定性，如果将木质素作为缓释材料的载体，不仅能减缓肥料养分的释放速度，提高肥料的利用率，还能带来良好的生态环境效益。但是，木质素本身有机氮的含量低(约为0.15％)，作为缓释氮肥使用时，无法达到有机氮的含量的标准要求，必须与其它氮含量高的氮肥配合施用(如2020.02.04公开的专利CN201911143896.8)。

作为一类重要的有机化学反应，曼尼希反应能够有效地将胺类化合物中的胺基接枝到木质素的结构中，这已经被广泛地应用于木质素基新材料的研发领域。然而，由于木质素结构中可用于曼尼希反应的活性位点含量较少，故木质素通过此方法接枝的有机氮含量较低。近年来，研究发现通过对木质素进行改性，可以显著增加其活性位点的数量，提高氮的负载量，这使应用曼尼希反应来制备木质素基缓释氮肥成为了可能。相比于传统肥料，木质素基缓释肥料能够显著提高肥料养分的利用率，适应现代农业的生产和发展要求。

因此，开发一种具有较高的氮负载量的木质素基缓释氮肥具有重要的研究意义和经济价值。

发明内容