[发明专利]原位秸秆改性/反应挤出一体化连续工艺制备高氮量或多营养秸秆缓释肥

说明书

本发明涉及一种高氮量或多营养秸秆缓释肥的原位秸秆改性/反应挤出一体化连续制备工艺，在螺杆挤出机中挤出时，物料处于高温高压状态，纤维素被溶胀并部分降解、半纤维素降解成低聚糖、木质素被塑化并部分降解，同时小分子的反应前体在纤维素和木质素碎片以及纤维素和木质素及半纤维素降解产物的表面和分子链间原位发生反应，生成大分子的含氮生物降解缓释肥，伴随水分的蒸发，加入的其它易溶或微溶的肥料结晶析出，从而得到高氮含量或含多种营养元素的秸秆缓释肥。本发明解决了当前秸秆改性方法存在的试剂用量大、生产周期长、工艺繁琐等方面问题，同时克服了现有技术体系仅仅从秸秆原料中提取某种特定组分转化利用而将其余组分作为污染物排放的缺陷。

技术领域

本发明涉及生物降解高分子材料技术领域，具体是一种原位秸秆改性/反应挤出一体化连续工艺制备高氮量或多营养秸秆缓释肥。

背景技术

作为农业大国，中国的秸秆产量巨大，每年约为9×10⁸t，占全世界秸秆总量的20~30%。为实现农作物秸秆资源化以及农业的可持续发展，综合利用秸秆的措施和技术得到长足发展，如农作物秸秆饲料化、基料化、肥料化、能源化、工业原料化等。调查结果显示，目前，在我国，在各种应用中，秸秆用作饲料用量约占秸秆总量的30.69%、基料用量约占2.14%、肥料用量约占14.78%、能源用量约占18.72%、造纸工业原料约为2.37%，而被废弃和燃烧掉的秸秆约占秸秆总量的31.31%。

农作物秸秆具有高的养分价值，通过还田可以改善土壤中的养分含量，提高有机质含量和肥力。此外，还可以通过改善土壤团粒结构实现秸秆的肥料化利用并达到化肥的减量化以及农产品产量的提升。秸秆还田包括：①直接还田，即将秸秆粉碎后直接施入田间，秸秆与土壤混合后逐渐腐烂，从而提高土壤肥力。此方法方便快捷、高效低耗，应用较为普遍；但存在提高土壤肥力不足以及分解过程产生次生危害，如与农作物生长争氮、产生有机酸、引发病虫害等方面问题。间接还田，即用秸秆养畜或发酵，最后以粪便或沼渣的方式还田。此方法能够提高秸秆的综合利用效率。生化腐熟还田，即利用微生物对秸秆进行发酵处理，堆制成有机肥之后再还田。但秸秆加工成有机肥存在肥料生产与肥料集中使用时间不匹配，导致有机肥料大量储存，严重制约着秸秆有机肥商品化的发展。

秸秆主要由纤维素、半纤维素和木质素构成。纤维素和半纤维素之间、纤维素内部分子之间靠氢键相连，形成庞大的氢键网络；半纤维素和木质素通过酯键、醚键等化学键连接形成网络结构，纤维素被包裹在里面。三者相互缠绕、错综复杂地交联在一起，形成致密稳定的立体三维结构，使得木质纤维素具有很强的抵抗外界生物降解或非生物破坏的能力。因此，必须通过预处理对秸秆进行改性，以解构其致密的网络，改变木质纤维素的微观、宏观结构和化学组成，使其易被微生物或酶降解。预处理成本在木质纤维素生物转化过程所占的比例最高，也是秸秆高效资源化或能源化利用的前提。目前，秸秆改性主要通过物理、化学、生物或多种方法的联合使用，以达到提高纤维素组分生物可及性以及可降解性的目的。对改性方式的选择，主要关注的方面包括：改性条件是否简单易行，改性方式是否效率高、周期短，改性方式会不会对后续利用造成影响，改性方式的成本及经济效益。

反应挤出是将螺杆挤出机作为反应器，通过单体或聚合物熔体在挤出机内同时发生物理和化学反应，直接制备聚合产物或改性高聚物的一种工艺方法，具有混合形式多样、易清理、产品质量高、生产效率高且可大规模生产、易实现自动化且可控制性强、投资少、工作环境好、成本低、利润高等方面优势，成为国内外的研究热点。

发明内容

针对上述背景，本发明通过一种新颖的原位秸秆改性/反应挤出一体化连续工艺制备高氮含量或含多种营养元素的秸秆缓释肥。这些秸秆缓释肥不但能够在降解过程中缓慢释放营养元素，而且还可以有效提高土壤肥力，改善土壤质量。此外，加工工艺简单、成本低。