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表面活性剂在高塔造粒复混肥防结块中的应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2012-08-07  浏览次数:1336
核心提示:自2004年国内首条熔体塔式制高浓度尿基复混肥装置由上海院化肥所设计建成投产以来,国内陆续依靠自有或引进技术建成投产有十

 自 2004 年国内首条熔体塔式制高浓度尿基复混肥装置由上海院化肥所设计建成投产以来, 国内陆续依靠自有或引进技术建成投产有十多套高塔造粒复混肥生产装置。该工艺以尿素( 硝铵) 、磷、钾等为主要原料, 经过混配溶解后, 从造粒塔顶喷淋而下, 自然冷却造粒。根据观察, 与其他复混肥生产工艺相比, 高塔造粒所生产的复混肥结块更多发生在肥料颗粒的冷却过程, 其结块机理和形式有其特殊性。研究和开发应用于高塔造粒工艺的复混肥防结块剂, 对解决肥料结块问题, 具有重要的意义。

    虽然导致肥料结块的原因较为复杂, 但以下的理论可以解释大多数的结块现象: 1) 晶桥理论。由于水分作用, 肥料表层的溶解与结晶析出过程反复进行, 在肥料颗粒之间结晶体形成架桥而粘结。2) 毛细吸附理论。由于微细晶粒间毛细吸附的存在, 使液相弯面上的饱和蒸汽压低于外部的饱和蒸汽压, 这就为水蒸气向晶粒间的扩散提供了可能,使晶体易于吸潮, 逐渐导致结块。

    由于表面活性剂在两相界面上的特别作用, 能够改变界面的物理化学性能, 研究表面活性剂在高塔造粒复混肥防结块中的应用对改变目前防结块剂的研发现状具有积极的意义。本文拟对表面活性剂在高塔造粒复混肥防结块剂配方中的应用从理论和实践的角度作一探索。

     1 表面活性剂在防结块剂中的作用

      由于表面活性剂的多样性和亲水亲油特性, 选择合适的表面活性剂可以在复混肥防结块中起到不同的作用。

     1) 在肥料颗粒表面形成 1 层疏水层, 改善防水性, 如 C12 ~C18 碳链的氨基二羧酸盐抗水剂。

     2) 减弱粒子间的表面粘结作用, 如具有增滑作用的氟碳化合物、有机硅系列的化合物。

     3) 阻断盐分的扩散途径, 表面活性剂渗透到颗粒内部分布于各相间的界面上, 其亲水端朝向吸水性较强的组分, 使盐不易扩散到颗粒表面和接触区。国内外主要采用长链的脂肪胺表面活性剂, 如十八烷基胺、双十八烷基胺、十六烷基胺、十六烷基三甲基溴化铵、磺基丁二酸二丁酯钠盐、工业级的油酸钠、十二烷基硫酸钠、十二烷基磺酸钠等。

    4) 晶格歪曲( 晶格畸变) 的作用, 有些表面

    活性剂能抑制晶核的生长, 改善结晶的增长方式。复混肥原料中普遍采用的尿素或硝铵, 均是结晶性物质。结晶状尿素呈白色针状或棱柱状晶型, 吸湿性强; 而硝铵有 5 种结晶变体, 纯硝铵是白色正交结晶或白色细小颗粒状晶体。晶体在生长和形成过程中会受到某些表面活性剂的影响。宋海香等人研究结果表明, 表面活性剂直链烷基硫酸盐 LAS 和高分子聚合物聚乙烯醇 PVA 复配, 具有较好防结块效果, 类似的物质还包括聚乙二醇 PEG、聚丙烯酸钠盐、木质素磺酸钠、磷酸酯类化合物、聚丙- 醋酸乙烯共聚物等, 这样的物质能对尿素或硝铵的结晶起抑制和干扰作用, 引起晶格畸变和歪曲, 破坏晶间结合力, 降低结块程度。

     5) 某些特殊物质虽然本身不具有防结块作用, 但与复合肥的特定物质能发生化学反应, 生成具有表面活性的新物质, 能有效地降低结块程度,如十五烷基磺酰氯、对甲苯磺酸钠、十二烷基苯磺酸钠等作为碳酸氢铵的防结块剂。以十五烷基磺酰氯为例, 在生产过程中, 十五烷基磺酰氯加入碳化系统后, 与氨水反应生成十五烷基磺酸铵阴离子表面活性剂:

 C15H33SO2Cl + NH4OH → C15H33SO3NH4 + HCl

     其原理是表面活性剂在碳化氨水液中形成乳状液, 其中存在着一定数目、有多个阴离子组成的胶团, 由于胶团表面及附近的NH+4 浓度比远离胶团处的NH+4 浓度大得多, 通入变换气后碳酸氢铵晶核首先在胶团的附近形成, 这样晶核形成的数目将被胶团所控制, 有利于晶核生长, 同时表面活性剂在碳酸氢铵微晶的表面上, 以亲水基接触碳酸氢铵颗粒表面而形成选择定向吸附, 使界面被疏水基覆盖显示疏水性, 这样可防止化肥成品与空气中的水气接触时界面状态性质发生变化, 有效防止晶体间的粘接, 从而达到良好的防结块效果。

    郑世华等人发现, 某种有机酸类物质也能和铵根离子或尿素发生类似的反应, 在尿基复混肥上防结块效果显著。反应式为:

                

    2 研制的防结剂配方及其应用情况

    在多数厂家的观察发现, 高塔造粒复混肥的结块, 发生在肥料生产后的 5 ~7 天内。其原因在于在该类肥料生产后,堆放过程中, 潜热释放受堆码限制需要一定的时间, 在这一过程中肥料随温度变化 发生晶型转变和盐析等因素的影响导致了肥料的结块。针对以上情况, 结合表面活性剂的性能特点,我们筛选数种阴阳离子表面活性剂与高分子聚合物复配, 编号防结剂 1, 配方如下( 质量分率):

     防水剂 硬脂酸 20%; 分散剂 脂肪醇聚氧乙烯醚 20%; 渗透剂 烷基萘磺酸钠盐 20%; 晶控剂磷酸酯类化合物和聚乙烯醇混合物 40%。

     以上物料混合加热( 80 ~100℃) 熔融, 在包裹筒中, 将防结剂喷洒在高塔造粒复混肥上, 测试其防结块效果, 对比传统的伯胺加机油( 1 ∶4) 及其它厂家产品( 添加量 0.15%), 结果如表 1。

                  

     我们在两家复混肥生产公司使用防结剂 1 进行测试: 肥料 A, 陕西某厂复合肥( 24- 10 - 6) ; 肥料 B, 湖北( 15 - 15 - 15) 均未加防结块剂; 肥料A1、肥料 B1 为肥料 A、肥料 B 分别加入 0.15%防结块剂 1, 4 种肥料均自然堆码 20 包高, 按时取样测试肥料的平均结块率( 测试方法: 肥料每包 1 m 高正反摔 2 次, 筛分, 称结块量)。其结果见图 1。

                      

     从测试数据分析, 运用表面活性剂和高分子聚合物复配的防结块剂产品在高塔造粒复混肥上防结块效果较为明显, 有一定的推广价值。其原理在于防结剂 1 能在肥料颗粒表面形成 1 层均匀有效的憎水保护膜, 阻止颗粒表面的水分冷凝和吸收, 降低外界水分的影响, 从而抑制颗粒间“晶桥”的形成。在防结剂 1 中含有针对性的结晶生长改变剂, 能有效改变颗粒表面的结晶习

性, 降低晶间吸附力, 阻止颗粒结块, 同时表面活性剂降低了肥料颗粒表面张力, 降低毛细管作用, 从而有效地防止结块。

    3 结束语

     由于传统的伯胺加机油类防结块剂在土壤中残留会对环境造成危害, 使用的效果也不尽令人满意, 探索和开发新型高效可生物降解的表面活性剂在高塔造粒复混肥防结块中的应用有着广阔的前景。

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