电解锰渣基缓释肥的制备及其性能研究
电解锰渣（EMR）是电解金属锰生产中的酸性浸渣，含有NH4+-N、Mn等可溶性污染物。虽然建筑材料已经成为我国大规模消纳电解锰渣的主要途径，但由于电解锰渣的产量和库存巨大以及有限的市场需求和其他成本问题，导致其无法在建材行业完全消纳。因此，应努力寻求多元化的策略，以减轻建材行业使用电解锰渣的压力。本课题针对电解锰渣造粒难、营养元素流失快、重金属易浸出等问题，以电解锰渣和地聚合物凝胶分别作为锰源和粘结剂制备电解锰渣基缓释肥。对比分析了磷酸/硅酸钾激发剂制备的电解锰渣-偏高岭土（MK）基缓释肥中 Mn 的释放行为和缓释机理。此外，探索了以红土替代MK作活性硅铝源制备缓释肥的可能性，并揭示了电解锰渣-红土基缓释肥中Mn的缓释机理。 研究表明，碱激发MK作粘结剂制备的缓释肥（SRFs-alGo）中Mn释放浓度明显低于酸激发MK作粘结剂制备的缓释肥（SRFs-acGo）。Mn在SRFs-acGo和SRFs-alGo中的扩散动力学分别符合一级动力学模型和 Ritger-Peppas 模型。Mn 的缓释机理主要为 Mn 组分的转变和地聚合物的物化作用。电解锰渣中大部分 MnSO4·H2O 在 SRFs-alGo中转化为MnO2、Mn4Si8O20、Ca4Mn4Si8O24，Mn形态转变为氧化态和残渣态。而SRFs-acGo中NH4MnPO4·H2O晶体的形成不会显著改变Mn的化学形态。SRFs-alGo中Mn均匀分布在颗粒表面和体相上，而SRFs-acGo中较高比例的Mn分布在颗粒表面。SRFs-alGo中K-(A)-S-H凝胶通过物理包封和离子交换来限制Mn的释放，而磷酸激发地质聚合物凝胶（Si-O-Si-O-P-O）主要依赖于对Mn的物理包封/吸附。上述作用使得SRFs-acGo中的Mn比SRFs-alGo更容易从SRFs颗粒中释放。 为进一步解决MK获取难、价格昂贵等问题，选用贵州红粘土替代MK充当活性硅铝源，与钾水玻璃共制备电解锰渣-红土基缓释肥（SRFs-LA）。实验结果表明，红土基地聚合物作为粘结剂，能够实现电解锰渣初级颗粒团聚，且满足国家缓释肥标准（GB/T 23348-2009）对缓释肥粒度要求。SRFs-LA缓解了Mn的释放速率和浓度，且Mn扩散方式由non-Fick扩散机制和骨架溶蚀共同作用主导。其中As、Cd、Cr、Hg、Pb 的浸出浓度极低，符合国标（GB 15618-2018）中农用地土壤污染风险筛选值的规定。缓释机理分析得出，SRFs-LA形成后，电解锰渣中MnSO4·H2O转化为CaMnSi2O6、MnO2和(NH4)2Mn(SO4)2·6H2O。且地聚合物凝胶不仅能够通过Si-Al体系中[AlO4]四面体结构依靠电荷平衡效应禁锢 Mn(Ⅱ)，还能将含 Mn 矿物物理包封在地聚合物的三维网络结构中。同时，地聚合物凝胶可能填充缓释肥内部的孔隙，减少大孔比例，进而减轻孔隙对Mn释放速率的影响。 盆栽试验发现电解锰渣处理下茶苗根系含铁量高是长期积累所致。SRFs-alGo、SRFs-acGo 和 SRFs-LA 处理组培育的茶苗嫩叶中重金属的含量均满足标准（NY 659-2003和GB 2762-2022）的要求，表现为SRFs-alGo和SRFs-LA处理促进茶苗生长、蛋白质和光合色素的合成。可溶性糖和脯氨酸含量在施用 SRFs-acGo 和电解锰渣后较CK 显著增加，其积累可能与植物的金属耐受性有关。因此推测白茶幼苗可能通过产生大量的渗透压物来应对 Mn 及重金属诱导带来的代谢紊乱，并以生长减少为标志反映出茶苗已达到锰忍耐的极限。由于直接施用电解锰渣使得叶片中活性氧（ROS）的积累过多，叶片抗氧化系统失效。基于抗氧化酶活性研究结果推测 SRFs-acGo提供的Mn可能已经达到白茶苗生长所需Mn的阈值。本研究制备的三类缓释肥促进白茶幼苗生长能力为SRFs-LA＞SRFs-alGo＞SRFs-acGo。
缓释肥;制备工艺;电解锰渣;地聚合物凝胶;锰元素;缓释机理
西南科技大学
硕士
环境科学与工程
徐中慧
2023
中文
TQ445.7
2023-09-12（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）