潘贤斌，何振全，盖国胜，杨玉芬（1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安　710055；

2.清华大学无锡应用技术研究院，江苏 无锡　214072；

3.清华大学材料学院粉体工程研究室，北京　100084）

颗粒土壤改良剂制备及崩解特性研究

潘贤斌1，2，何振全2，3，盖国胜2，3，杨玉芬2，3（1.西安建筑科技大学材料与矿资学院，陕西 西安710055；

2.清华大学无锡应用技术研究院，江苏 无锡214072；

3.清华大学材料学院粉体工程研究室，北京100084）

以微晶化磷矿粉、沸石粉为主要原料，通过圆盘造粒和崩解试验分别研究了微晶化处理时间、磷矿粉与沸石粉质量比、颗粒粒径以及粘结剂Ⅰ、崩解剂Ⅱ添加量对造粒与崩解性能的影响。结果发现：随着磷矿粉细度和沸石含量的减小，成粒率增加。研磨3h，磷矿粉与沸石质量比1∶0较1∶30成粒率增加14.16%，但1∶30与1∶15处理成粒率相差不大，仅为2.88%；当质量比为1∶0时，研磨3 h成粒率相比1 h增加15.16%，但4 h成粒率仅比3 h成粒率增加1.08%。当颗粒粒径大小为3～5 mm时，研磨4 h质量比1∶15崩解时间为31 s，相比研磨1 h制备的颗粒崩解时间增加72.2%；此外颗粒大小对颗粒崩解时间也有影响，同一条件下崩解时间排序为：5～10 mm＞3～5 mm＞1～3 mm处理。

磷矿粉；沸石粉；圆盘造粒；崩解试验

潘贤斌，何振全，盖国胜，等. 颗粒土壤改良剂制备及崩解特性研究［J］.广东农业科学，2016，43（9）：77-81.

近年来随着我国工业SO2、NO排放量的不断增加，加上长期大量使用氮肥，土壤酸化、土壤板结等问题变得越来越严重。据调查在630万km2的实际调查面积中，障碍土壤达到16.1%，其中耕地的问题更加突出，因此如何改良问题土壤成为了人们关注的焦点。沸石作为土壤改良剂常用于农业上，它是一种含水的碱金属或碱土金属的铝硅酸矿物，能改善土壤的抗侵蚀能力［1］，恢复土壤的团聚结构［2-3］，改良盐碱地［4-5］，修复重金属污染土壤［6-7］，降低土壤容重。磷矿粉也常用作土壤改良剂，它不仅可以增加土壤中的有效磷含量［8］，提高土壤的pH值［9］，增加交换性钙镁含量，减少铝毒，而且也能修复重金属污染土壤。然而，粉料具有播撒不均匀、易产生粉尘飞扬、易吸湿等诸多问题给实际的运输和使用带来了不便。为此，我们针对磷矿粉与沸石粉造粒以及崩解性能进行研究，探寻各影响因素对造粒和崩解过程的影响，目的是制备具有一定强度的颗粒，同时保证颗粒施入土壤后能够快速遇水崩解，在水和微生物的作用下，与植物根系有良好的接触，达到土壤改良的效果。

1　材料与方法

1.1试验材料

沸石粉：来源地河北灵寿县，属于斜发沸石，具体化学组成为SiO2（68.2%）、Al2O3（12.42%）、K2O（2.86%）、CaO（2.57%）、Na2O（1.08%）、MgO（0.81%）、Fe2O3（0.21%）、MnO（0.06%）、P2O5（0.01%）、B（0.01%），过孔径0.15 mm筛。

磷矿粉：来源地河北承德，全磷（P2O5）含量为25%，属于中品位磷矿，过孔径0.15 mm筛。

微晶化磷矿粉：经微晶化设备分别处理1、2、3、4 h制得，过孔径0.075 mm筛。

粘结剂Ⅰ、崩解剂Ⅱ：实验室自制。

1.2试验方法

1.2.1粒状土壤改良剂制备 按一定比例称取磷矿粉、沸石粉、粘结剂Ⅰ和崩解剂Ⅱ，共计3 kg。均匀混合后置于圆盘造粒机中进行造粒，转速设定为35 r/min，倾角为60°，加水量为35%。造粒15 min后，将粒状土壤改良剂从圆盘造粒机中取出放入托盘，整体置于电热恒温鼓风干燥机中，50℃烘干2 h。

1.2.2成粒率及合格率测定 参照国家标准《有机无机复混肥GB18877-2009》将烘干冷却后的粒状土壤改良剂通过标准筛筛分，计算成粒率及合格率：

式中，m1为粒径大于1 mm的颗粒质量，m2为物料总质量，m3为粒径在1～4.75 mm范围内的颗粒质量。

1.2.3颗粒土壤改良剂崩解试验 参考中国药典2015年版第四部崩解时限检验法，将吊篮通过上段的不锈钢轴悬挂于金属支架上，浸入1 000 mL烧杯中，并调节吊篮位置使其下降时筛网距烧杯底部25 mm，烧杯内盛有温度37（±1）℃的水，调节水位高度使吊篮上升时筛网在水面下15 mm，吊篮顶部不可浸没于溶液中。取6粒颗粒土壤改良剂放入吊篮中，加挡板，启动崩解仪，记录通过筛网（0.425 mm）的时间，每个处理3次重复。

采用 Excel2010、origin8.5软件进行数据分析，SPSS16.0软件进行差异显著性检验。

2　结果与分析

2.1造粒及其影响因素

2.1.1不同原料造粒试验 粘结剂Ⅰ、崩解剂Ⅱ添加量均为10%，沸石粉、磷矿粉添加量分别为80%的混合料在圆盘造粒机中进行造粒，烘干后测定其成粒率与合格率，重复2次，结果见表1。由表1可知，原料对造粒有很大影响，不同原料造粒的难易程度不同，磷矿粉相比较沸石粉而言较易成粒。磷矿粉平均成粒率、平均合格率分别为81.0%和65.1%，而沸石粉分别为58.0%和46.6%。原因可能是磷矿粉流动性相比较沸石粉要小，粉料间摩擦力大，成粒性要好。物料流动性可以通过测定休止角进行表征［10］，休止角越大，流动性越小，本试验磷矿粉休止角实测值为46°，沸石休止角实测值为33°。磷矿粉沸石两者成粒率差异达到极显著水平，合格率差异达到显著水平。

表1　磷矿粉、沸石粉造粒结果

2.1.2磷矿粉细度及沸石添加量对成粒率的影响 粘结剂Ⅰ、崩解剂Ⅱ添加量均为10%，研磨时间分别为1、2、3、4 h的磷矿粉与沸石粉（质量比分别为1∶0、1∶15、1∶30）混合料在圆盘造粒机中进行造粒，烘干后测定其成粒率，结果见图1。由图1可知，随着研磨时间的增加，同一配比组分成粒率总体成增大趋势，这是因为细度越小粉料间由于范德华力的作用，聚集现象会越显著，更易成粒［11］。1∶0处理研磨3 h后成粒率比研磨1 h增加15.16%，但研磨3 h后再增加研磨时间对成粒率的影响不大，研磨4 h成粒率仅比研磨3 h成粒率增加1.08%，原因可能是研磨效率随着时间的延长而减小，研磨3 h后粒度变化较小，粒度变化趋于平稳。此外原料的配比对成粒率也有很大影响，同一研磨时间下，随着沸石粉添加量的增加成粒率总体成降低趋势，研磨3 h，1∶0处理比1∶30处理成粒率增加14.16%，但1∶30处理与1∶15处理成粒率相差不大，仅为2.88%。原因可能是沸石的成粒性相比较磷矿粉要差，随着沸石粉添加量的增大，混合料的成粒性降低。

图1　不同细度磷矿粉与沸石粉添加量对成粒率的影响

2.1.3粘结剂Ⅰ添加量对成粒率的影响 磷矿粉（研磨4 h）与沸石粉质量比为1∶30，粘结剂Ⅰ添加量分别为5%、10%、10%（另添加崩解剂Ⅱ10%）、15%、20%的混合料在圆盘造粒机中进行造粒，烘干后测定其成粒率，结果见图2。由图2可知，随着粘结剂Ⅰ添加量的增加，成粒率逐渐增大，添加量 20%、15%、10%的成粒率比5%分别增加11.18%、9.06%、5.98%，粘结剂Ⅰ最佳添加量为15%。这是因为粘结剂Ⅰ一方面具有黏结性能，另一方面具有吸附性和填充性，能增加颗粒间的接触面积，缩短分子间距，增强分子间的结合力［12］。另外，粘结剂Ⅰ添加量10%与粘结剂Ⅰ添加量10%+崩解剂Ⅱ添加量10%处理差异不显著，说明崩解剂Ⅱ添加量对成粒率影响不大。

图2　不同粘结剂Ⅰ添加量对成粒率的影响

2.2颗粒土壤改良剂崩解及其影响因素

2.2.1磷矿粉细度及沸石粉添加量对崩解时间的影响 颗粒粒径大小为3～5 mm，粘结剂Ⅰ、崩解剂Ⅱ添加量均为10%，对磷矿粉与沸石粉质量比分别为1∶0、1∶15、1∶30的成型颗粒进行崩解实验，结果见图3。由图3可知，随着研磨时间的增加，同一配比颗粒崩解时间大致成增大趋势。1∶15处理研磨4 h成型颗粒崩解时间为31 s，比研磨1 h成型颗粒增加72.2%。这是因为一方面粒度越小，粉料接触面积增大，排列更加紧密，表面水膜减薄，分子间作用力增大；另一方面粒度越小，毛细管半径减小，毛细管水的迁移速度减慢，水不易渗透到颗粒内部，崩解缓慢。另外沸石添加量的大小也对崩解时间有影响，同一研磨时间下崩解时间长短排序大致为：1∶15 ＞1∶30 ＞1∶0处理。可能是因为沸石具有独特的晶体结构［13］，它是由硅（铝）氧四面体连成三维的格架，格架中有各种大小不同的空穴和通道，具有很大的开放性。磷矿粉可以填充到这些空穴和通道中，增加了颗粒的致密性，不易崩解。但当沸石添加量超过一定限度后，磷矿粉不足以填充到所有的空穴和通道中时，颗粒较易被水渗透，发生崩解。

图3　不同细度磷矿粉与沸石粉添加量对崩解时间的影响

2.2.2颗粒粒径对崩解时间的影响 磷矿粉与沸石质量比为1∶15，粘结剂Ⅰ、崩解剂Ⅱ添加量均为10%，对粒径范围分别为1～3、3～5、5～10 mm的成型颗粒进行崩解实验，结果见图4。由图4可知，随着研磨时间的增加，同一粒径的颗粒崩解时间大致成增大趋势。粒径5～10 mm处理研磨4 h制备的颗粒崩解时间为54 s，比研磨1 h崩解时间增加107.7%。这是因为随着研磨时间的增加，粉料比表面积增大，更易发生团聚造成颗粒的强度增加，崩解困难。另外颗粒大小也对颗粒的崩解时间有影响，同一研磨时间下崩解时间长短排序为：粒径5～10 mm＞粒径3～5 mm＞粒径1～3 mm处理。这可能是因为水向颗粒内部渗透会受到阻力，颗粒的粒径越大，水由外部向内迁移所经过的路径越长，遇到的阻力也就越大，崩解花费时间也就越多［14］。

图4　不同细度磷矿粉与颗粒粒径对崩解时间的影响

2.2.3崩解剂Ⅱ添加量对崩解时间的影响 磷矿粉（研磨4 h）与沸石粉质量比为1∶30，粘结剂Ⅰ添加量5%、崩解剂Ⅱ添加量0%（A），粘结剂Ⅰ添加量5%、崩解剂Ⅱ添加量5%（B），粘结剂Ⅰ添加量5%、崩解剂Ⅱ添加量10%（C），粘结剂Ⅰ添加量5%、崩解剂Ⅱ添加量15%（D），粘结剂Ⅰ添加量5%、崩解剂Ⅱ添加量20%（E），崩解剂Ⅱ添加量20%（F）的混合料分别在圆盘造粒机中进行造粒，烘干后筛出5～10 mm的颗粒测定崩解时间，结果见图5。由图5可知，随着崩解剂Ⅱ添加量的增加，崩解时间降低，E、D、C、B处理的崩解时间比A处理分别减少33.64%、24.30%、16.82%、6.54%，崩解剂Ⅱ最佳添加量为20%。这是因为崩解剂Ⅱ遇水后矿物晶层间距加大，水分子会进入到晶层中，另外崩解剂Ⅱ的阳离子交换作用也可造成吸水膨胀［15-16］，颗粒发生崩解。E处理（崩解剂Ⅱ添加量20%，粘结剂Ⅰ添加量5%）与F处理（崩解剂Ⅱ添加量20%）差异不显著，说明粘结剂Ⅰ添加量对颗粒崩解时间影响不大。

图5　不同崩解剂Ⅱ添加量对崩解时间的影响

3　结论

本试验结果表明，磷矿粉比沸石粉成粒性要好，两者成粒率差异达到极显著水平。随着磷矿粉细度的减小，混合料的成粒率逐渐增加，最大成粒率为82.15%。随着沸石粉添加量的增加，混合料的成粒率降低。当崩解剂Ⅱ、粘结剂Ⅰ添加量均为10%，磷矿粉与沸石粉质量比在1∶0、1∶15、1∶30变化时，可获得70%以上的成粒率，满足对成粒性的要求。

随着沸石粉添加量的增加和颗粒粒径的增大，颗粒越不容易崩解，最长崩解时间为62 s。当磷矿粉细度减小时，颗粒崩解时间延长。当崩解剂Ⅱ、粘结剂Ⅰ添加量均为10%，颗粒粒径大小为3～5 mm，磷矿粉与沸石粉质量比在1∶0、1∶15、1∶30变化时，崩解时间均在30 s以下。

随着粘结剂Ⅰ添加量的增加，混合料的成粒率增大，最佳添加量为15%，成粒率为74.79%。颗粒崩解时间随崩解剂Ⅱ添加量的增加而减小，当颗粒粒径在5～10 mm时，最佳添加量为20%，崩解时间为24 s。

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（责任编辑 杨贤智）

Preparation of granular soil conditioner and its disintegration characteristics

PAN Xian-bin1，2，HE Zhen-quan2，3，GAI Guo-sheng2，3，YANG Yu-fen2，3
（1. College of Materials and Mineral Resources，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China；2.Wuxi Reserarch Institute of Applied Technologies，Tsinghua Universitu，Wuxi 214072，China；
3.Department of Material Science and Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The effects of different types of materials，fineness，the mass ratio of phosphate rock powder and zeolite，particle size，and the amount of bentonite and attapulgite on the properties of granulation and disintegration were studied. It was found that the rate of grain increased with the decrease of fineness and content of zeolite. Grinding for 3 h，the rate of grain increased by 14.16% when the mass ratio of phosphate rock powder and zeolite was 1∶1 compared to the ratio of 1∶30，however 1∶30 group had no significant difference with 1∶15 group，only 2.88%；When the mass ratio was 1∶0，the rate of grain increased by 15.16% for grinding 3 h compared to 1 h，but only 1.08% compared to 4 h. When the particle size was 3-5 mm and the mass ratio was 1∶15，the disintegration time of particle was 31 s，which increased by 72.2% when the grinding time changed from 4 h to 1 h. In addition，the particle size of particle also had an impact on the disintegration time，the disintegration time under the same conditions were sorted as follows：5-10 mm group＞3-5 mm group＞1-3 mm group.

phosphate rock powder；zeolite；disc granulation；disintegration test

S156.2

A

1004-874X（2016）09-0077-05

2016-07-04

国家自然科学基金 （51374136） ；新疆维吾尔自治区科技支疆项目（2016E02020）；山东省自主创新成果转化重大专项（2013ZHZX1A0307）

潘贤斌（1991-），男，在读硕士生，E-mail：panxbstudent@126.com

盖国胜（1958-），男，博士，研究员，E-mail：gaigs@139.com