董 旭，董茂忠，董 茜，張新宇，侯文靜，高雪梅，劉 英，張金娥*

(1.山東師范大學(xué) 化學(xué)化工與材料科學(xué)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250014；2.山東師范大學(xué) 后勤管理處，山東 濟(jì)南 250014；3.上海化工研究院 檢測(cè)中心，上海 200062；4.山東城市建設(shè)職業(yè)學(xué)院 環(huán)境工程系，山東 濟(jì)南 250103)

復(fù)合肥是指在氮、磷、鉀三種元素中，其中任意兩種或三種養(yǎng)分，由物理混合或化學(xué)反應(yīng)方法加工而成的肥料[1]。因其養(yǎng)分含量高、成分復(fù)雜等因素，常導(dǎo)致原料肥不易配伍，致使在儲(chǔ)存和使用過程中，出現(xiàn)結(jié)塊和養(yǎng)分釋放不合理等現(xiàn)象。不僅給農(nóng)業(yè)用肥帶來不便，而且成為影響我國(guó)化肥質(zhì)量的主要因素之一[2-3]。

加入防結(jié)塊劑的種類和配方不同，會(huì)直接影響肥料的防結(jié)塊性能。如何評(píng)價(jià)肥料防結(jié)塊性能優(yōu)劣，顯得尤為重要[4]。雖然有不少傳統(tǒng)的防結(jié)塊劑性能測(cè)試方法，但耗時(shí)長(zhǎng)，過程復(fù)雜，受環(huán)境溫度、濕度變化影響較大，而且難以科學(xué)評(píng)價(jià)肥料的防結(jié)塊性能[5]。

肥料結(jié)塊現(xiàn)象常伴隨著復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，影響肥料結(jié)塊的內(nèi)部和外部，通常有水分、溫度、存儲(chǔ)壓力和時(shí)間、顆粒的形狀和粒度及雜質(zhì)含量等[6]。本實(shí)驗(yàn)以溫度、濕度以及存儲(chǔ)時(shí)間為變量，探究溫度和濕度對(duì)化肥吸濕性和結(jié)塊性能的影響，給出溫度和濕度隨時(shí)間變化與復(fù)合肥的吸濕率、結(jié)塊率之間的關(guān)系，從而探討出一種強(qiáng)化溫度和濕度快速測(cè)試復(fù)合肥防結(jié)塊性能的方法。為化肥加入防結(jié)塊劑后的防結(jié)塊性能評(píng)價(jià)，提供一種科學(xué)快速的實(shí)驗(yàn)方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器及樣品

儀器：真空干燥箱(DZF-6050)，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；鼓風(fēng)干燥箱(GZX-9246MBE)，上海博迅實(shí)業(yè)有限公司；電子分析天平(PL203)，梅特勒·托利多儀器(上海)有限公司；電子計(jì)價(jià)秤(ACS-6)武義志瑜電器有限公司；恒溫恒濕培養(yǎng)箱(LRHS-250F)，上海龍躍儀器設(shè)備有限公司。

樣品：采自某企業(yè)工業(yè)級(jí)高塔尿基復(fù)合肥 (30-5-5) 。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

研究溫度和濕度對(duì)復(fù)合肥結(jié)塊率的影響時(shí)均以存放時(shí)間為變量，采用在恒溫恒濕培養(yǎng)箱中加溫加濕的方法來加速實(shí)驗(yàn)，采用在復(fù)合肥上加砝碼的方式模擬現(xiàn)實(shí)生活中的化肥堆包實(shí)驗(yàn)。設(shè)計(jì)一個(gè)正交實(shí)驗(yàn)，溫度選取30、35、40、45℃四個(gè)溫度點(diǎn)，濕度選取70%、80%、90%三個(gè)濕度點(diǎn)，一共做12組實(shí)驗(yàn)，同時(shí)為了減小實(shí)驗(yàn)的偶然誤差，每組做兩個(gè)平行實(shí)驗(yàn)。將所得結(jié)果數(shù)據(jù)列表并畫圖分析，進(jìn)而選取合適的測(cè)試復(fù)合肥防結(jié)塊性能的濕度和溫度。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

用電子計(jì)價(jià)秤稱取約200 g樣品于500 mL燒杯中，放入鼓風(fēng)干燥箱(設(shè)置溫度為50℃)中，干燥1 h。取10個(gè)培養(yǎng)皿，編號(hào)，稱取每個(gè)空白培養(yǎng)皿的質(zhì)量，并記錄。將干燥好的每份樣品，精密稱取約20 g，分別放入培養(yǎng)皿中，蓋上鐵絲網(wǎng)，放入恒溫恒濕培養(yǎng)箱中并壓上100 g砝碼，記錄時(shí)間，取樣1次/h，連續(xù)測(cè)5個(gè)時(shí)間點(diǎn)。取出培養(yǎng)皿后，取下鐵絲網(wǎng)稱取化肥和培養(yǎng)皿質(zhì)量，計(jì)算吸濕率。然后，將之放入真空干燥箱，保持0.03 MPa真空度干燥。取出培養(yǎng)皿，在離培養(yǎng)皿高度約5 cm處使其自由落下，用標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)篩篩分化肥顆粒和結(jié)塊，測(cè)其結(jié)塊率。

2 結(jié)果與討論

按以上步驟進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)，根據(jù)下列公式計(jì)算吸濕率和結(jié)塊率。

2.1 溫度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

為了考察外界溫度對(duì)復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率的影響，在相對(duì)濕度為70%時(shí)，分別選用了30、35、40、45℃共4個(gè)溫度點(diǎn)，測(cè)其吸濕率和結(jié)塊率的影響，數(shù)據(jù)見表 1、吸濕率曲線見圖 1、結(jié)塊率曲線圖 2。在相對(duì)濕度為80%時(shí)，溫度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響，數(shù)據(jù)和曲線分別見表 2和圖 3、圖 4。相對(duì)濕度為90%時(shí)，溫度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響，分別見表 3和圖 5、圖 6。

表 1 相對(duì)濕度為70%時(shí)溫度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

圖1 相對(duì)濕度為70%時(shí)溫度對(duì)吸濕率的影響

Fig.1 Effect of temperature on moisture rate with 70% relative humidity

圖2 相對(duì)濕度為70%時(shí)溫度對(duì)結(jié)塊率的影響

Fig.2 Effect of temperature on blocking rate with 70% relative humidity

由圖 1、圖 2可以看出，在70%相對(duì)濕度下，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率均隨時(shí)間延長(zhǎng)而升高。溫度為30℃和35℃時(shí)吸濕率和結(jié)塊率都相對(duì)較低，便于復(fù)合肥的生產(chǎn)和存放。在存放約4 h，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率變化不明顯，在45℃時(shí)的吸濕率約為35℃時(shí)的1.6倍，結(jié)塊率約為1.3倍。

表2 相對(duì)濕度為80%時(shí)溫度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

圖3 相對(duì)濕度為80%時(shí)溫度對(duì)吸濕率的影響

Fig.3 Effect of temperature on moisture rate with 80% relative humidity

圖4 相對(duì)濕度為80%時(shí)溫度對(duì)結(jié)塊率的影響

Fig.4 Effect of temperature on blocking rate with 80% relative humidity

由圖 3、圖 4可以看出，在80%相對(duì)濕度下，溫度為30℃時(shí)吸濕率和結(jié)塊率都較低，吸濕率約為3%，結(jié)塊率約為在50%。在存放4 h，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率均變化不明顯，45℃的吸濕率約為30℃的3倍，結(jié)塊率約為2倍。

表3 相對(duì)濕度為90%時(shí)溫度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

圖5 相對(duì)濕度為90%時(shí)溫度對(duì)吸濕率的影響

Fig. 5 Effect of temperature on moisture rate with 90% relative humidity

圖6 相對(duì)濕度為90%時(shí)溫度對(duì)結(jié)塊率的影響

Fig.6 Effect of temperature on blocking rate with 90% relative humidity

由圖 5、圖 6可以看出，在90%相對(duì)濕度下，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨溫度升高而升高，在4.5 h，45℃時(shí)的吸濕率約為30℃的2倍。在45℃時(shí)，存放3 h結(jié)塊率即達(dá)到100%。顯然，高溫高濕不利于復(fù)合肥的儲(chǔ)存。在90%相對(duì)濕度條件下，同樣存放4 h后，化肥的吸濕率和結(jié)塊率變化不明顯。

綜合結(jié)塊率曲線，由圖 2、圖 4、圖 6可以看出在相對(duì)濕度為70%時(shí)，在35℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中存放4 h后，結(jié)塊率從46.1%上升到70.4%；在相對(duì)濕度為80%時(shí)，在35℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中存放4 h后，結(jié)塊率從40.3%上升到100%；在相對(duì)濕度為90%時(shí)，在35℃恒溫恒濕培養(yǎng)箱中存放4 h后，結(jié)塊率從53.4%上升到100%。由此可見，在35℃條件下，復(fù)合肥的結(jié)塊現(xiàn)象比較明顯，而且考慮到復(fù)合肥的實(shí)際存儲(chǔ)和使用條件，夏季溫度最高在35℃左右，所以在以后的復(fù)合肥防結(jié)塊性能快速測(cè)試試驗(yàn)中，主要考察在35℃溫度下復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率。

2.2 濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

尿基復(fù)合肥是一種水溶性復(fù)合肥，尿基復(fù)合肥的吸濕存在最大相對(duì)濕度，當(dāng)空氣濕度等于尿基復(fù)合肥的最大相對(duì)濕度時(shí)，稱為臨界相對(duì)濕度。當(dāng)空氣濕度達(dá)到復(fù)合肥的臨界相對(duì)濕度時(shí)，復(fù)合肥開始吸水，吸附的水會(huì)形成溶液，直至達(dá)到飽和。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的外界相對(duì)濕度為70%、80%、90%。溫度為30℃時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響見表4，此時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響曲線見圖 7、圖 8。溫度為35℃時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響見表 5，此時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響曲線見圖 9、圖 10。溫度為40℃時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響見表 6，此時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響曲線見圖 11、圖 12。溫度為45℃時(shí)，相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響見表 7，此時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響曲線見圖 13、圖 14。

表 4 溫度為30℃時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

由圖 7、圖 8可以看出在溫度為30℃時(shí)，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨濕度變化情況較復(fù)雜，規(guī)律不明顯?？傮w來看，相對(duì)濕度為80%時(shí)吸濕率和結(jié)塊率都相對(duì)較低。

圖7 溫度為30℃時(shí)濕度對(duì)吸濕率的影響

圖8 溫度為30℃時(shí)濕度對(duì)結(jié)塊率的影響

表5 溫度為35℃時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

圖9 溫度為35℃時(shí)濕度對(duì)吸濕率的影響

Fig.9 Effect of humidity on moisture rate at 35℃

圖10 溫度為35℃時(shí)濕度對(duì)結(jié)塊率的影響

Fig.10 Effect of humidity on blocking rate at 35℃

由圖 9、圖 10可以看出，在溫度為35℃時(shí)，雖然復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨濕度變化情況較復(fù)雜，規(guī)律不明顯。但在相對(duì)濕度為80%時(shí)，存放4 h后，復(fù)合肥的吸濕率從1.2%升高到8%，結(jié)塊率從40.3%升高到100%。可見在溫度為35℃，相對(duì)濕度為80%時(shí)，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨著存放時(shí)間的變化，變化明顯。

表 6 溫度為40℃時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

圖11 溫度為40℃時(shí)濕度對(duì)吸濕率的影響

Fig.11 Effect of humidity on moisture rate at 40℃

圖12 溫度為40℃時(shí)濕度對(duì)結(jié)塊率的影響

Fig.12 Effect of humidity on blocking rate at 40℃

由圖 11、圖 12可以看出，在溫度為40℃時(shí)，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨相對(duì)濕度的增大而增大。其中在相對(duì)濕度為80%時(shí)，存放4 h后，復(fù)合肥的吸濕率從2.7%升高到7.4%，結(jié)塊率從61.5%升高到100%，可見在溫度為40℃，相對(duì)濕度為80%時(shí)，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨著存放時(shí)間的變化比較明顯。

表 7 溫度為45℃時(shí)相對(duì)濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

圖13 溫度為45℃時(shí)濕度對(duì)吸濕率的影響

Fig.13 Effect of humidity on moisture rate at 45℃

圖14 溫度為45℃時(shí)濕度對(duì)結(jié)塊率的影響

Fig.14 Effect of humidity on blocking rate at 45℃

由圖 13、圖 14可以看出，在溫度為45℃時(shí)，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨相對(duì)濕度的增大而增大。其中在相對(duì)濕度為80%時(shí)，存放4 h后，復(fù)合肥的吸濕率從2.7%升高到8.8%，結(jié)塊率從68.9%升高到100%。

在討論溫度的影響時(shí)，我們已經(jīng)得出35℃是尿基復(fù)合肥的一個(gè)快速測(cè)試的溫度。同時(shí)在圖 9、圖 10可以得出，在溫度為35℃，相對(duì)濕度為80%時(shí)，復(fù)合肥的吸濕率和結(jié)塊率隨時(shí)間變化比較明顯，所以得出結(jié)論：在復(fù)合肥防結(jié)塊性能快速測(cè)試試驗(yàn)中選用的合適溫度為35℃，相對(duì)濕度為80%。

2.3 存儲(chǔ)時(shí)間對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響

復(fù)合肥在生產(chǎn)出來后，由于季節(jié)交換、晝夜溫差以及天氣變化，溫度、濕度也隨之變化，隨著存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)，化肥顆粒表面就會(huì)重復(fù)地出現(xiàn)溶解、結(jié)晶、再溶解、再結(jié)晶的現(xiàn)象，從而造成化肥的結(jié)塊。

在以上的溫度和濕度對(duì)吸濕率和結(jié)塊率的影響的討論中，可以看出吸濕率和結(jié)塊率均隨著存儲(chǔ)時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。但是在存放4 h后，吸濕率和結(jié)塊率達(dá)到穩(wěn)定，隨時(shí)間延長(zhǎng)變化不再明顯，因此選擇存放時(shí)間為4 h比較合理。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以尿基復(fù)合肥為代表，其目的是探索復(fù)合肥防結(jié)塊性能的一種快速測(cè)試方法。采用不同的溫度、濕度進(jìn)行正交實(shí)

驗(yàn)，通過分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合圖表，得出結(jié)論，在復(fù)合肥防結(jié)塊性能快速測(cè)試中，溫度為35℃，相對(duì)濕度為80%、存儲(chǔ)時(shí)間為4 h為最佳選擇。

4 展望

通過本實(shí)驗(yàn)，成功探索了尿基復(fù)合肥防結(jié)塊性能的一種快速測(cè)試方法。此法為尿基復(fù)合肥的防結(jié)塊性能快速測(cè)試，提供了一種科學(xué)、可靠的依據(jù)。

由于復(fù)合肥成分復(fù)雜，結(jié)塊機(jī)理也較為復(fù)雜，每種復(fù)合肥的防結(jié)塊性能測(cè)試方法不可能千篇一律，充分探究每種復(fù)合肥的結(jié)塊規(guī)律，進(jìn)行歸納總結(jié)，探究出每種類型的復(fù)合肥的防結(jié)塊性能快速測(cè)試方法十分必要，這對(duì)提高市面上復(fù)合肥的質(zhì)量以及對(duì)于防結(jié)塊劑生產(chǎn)廠家，快速測(cè)試其助劑的防結(jié)塊性能具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)，對(duì)于化肥的生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、貿(mào)易等都很有價(jià)值。