研究和评论:农业和盟军雷竞技苹果下载科学杂志》上。
菜单ISSN: E 2347 - 226 x, P 2319 - 9857
ISSN: E 2347 - 226 x, P 2319 - 9857
2Sri Venkateswara大学化学系Tirupati,印度
收到日期:18/08/2015;接受日期:08/03/2016;发表日期:17/03/2016
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世界人口的增加和对食物的需求,开发了新的农业实践来提高粮食生产通过使用更有效农药和化肥。控释技术是提高性能的一个宝贵的科学工具和安全的化学物质,它涉及到材料,如障碍周围活跃的材料交付后者需要最优的时间和速度。本文回顾了最近的趋势、发展雷竞技苹果下载和未来的应用控释肥料(crf)产生可再生资源。基于聚合物CRFs吸引更多的关注是由于环境问题,实现全球资源是有限的。聚合物和纳米技术在农业中的应用尤其在控的设计,crf及经济的特征和分类,控了性状和环境方面考虑开发和合成控。表示还考察了技术和未来的挑战中讨论把这些材料广泛的应用程序,和可能的解决方案,以及探讨了主要工业球员将这些材料市场。
随着全球人口起义和快速城市化,农学家剩下养活更多的人从农业领域的关键职责相应减少。化肥有轴向作用提高粮食生产发展中国家特别是在引进高产肥料响应性的作物品种。尽管如此,众所周知,许多作物的产量开始抑郁由于不平衡施肥和土壤有机质下降(1]。此外,过多的氮、磷肥料的应用也影响地下水和导致富营养化在水生生态系统。有限的土地和水资源的可用性,发展农业可以实现完全通过有效利用现代技术提高生产力。
传统化肥的使用可能会导致过高的浓度水平有效的行动。高浓度肥料可能会产生不良的副作用在目标区域,这可能导致农作物损失,或在周围环境(2]。负面影响农药在农业生态系统(即。,soil, flora, fauna and water bodies) and also on the health of the farmers using them and the society consuming the chemically grown food, have now started to become more evident all over the world. Therefore, it is important to improve its performance during utilization process. As a result, the use of green technology to mitigate the environmental damage is becoming a high priority. The use of bio-based technologies represents the biggest part of green technology according to which human needs, such as food, energy, commodities, medicine,污染控制等,应满足通过生物转化和bio-refinery过程中无污染、节能策略。
来解决这些问题,缓慢而控释肥料技术被认为是一个合适的方法来有效的植物提供营养,同时减少损失和污染。肥料的技术设计逐渐释放营养内容,配合植物的营养要求。这些属性可以是身体上的涂层技术在化肥颗粒的常规肥料与各种材料,减少他们的溶解率。控释肥料(crf)肥料颗粒内插入载体分子通常被称为辅料控制养分释放从而提高作物养分供应,减少环境、生态和健康危害3]。
偶尔的控释肥料(crf)和缓释肥料(缓释)被交替使用,但他们是不同的。通常,支持缓释和控释肥料之间的差异并不明显。然而,CRF一词通常用于肥料因素主导利率,模式,发布时间是众所周知的和可控的CRF制备缓释肥另一方面的特点是释放营养物质以较慢的速度比平常,但速度模式,和释放时间是不能很好地控制;他们可能会强烈影响处理存储、运输和分销,或含水量等土壤条件,湿润和干燥,融化和冻结和生物活性。因此,在缓释肥养分释放模式是完全依赖于土壤和气候条件和无法预测(或者只大致)控,释放模式,时间和数量,可以预测在一定范围内。例如,sulphur-coated尿素的分类(并受到争论由于显著变化释放模式之间的不同批次的肥料。结果,并被认为是尽管被讨论。
化肥
肥料应用于土壤,促进植物生长。它们包含一些有益的营养物质包括营养素和微量元素。营养素是氮、磷、钾添加到土壤的数量从0.2%到4.0%(在干物质重量的基础上),比微量营养物质更重要。微量元素是元素应用于土壤多少量,范围从5到200 ppm,或少于0.02%干重4]。这些元素硫(S), (B),硼铜(铜)、铁(Fe)、锰(Mn)、钼(Mo)、锌(锌)。
控释肥料(crf)
营养供应控制的有效性提高养分利用效率(自虐)和减少环境问题主要取决于两个因素:匹配养分供应与植物需求和保持营养的可用性。一个可能的方法来提高养分利用效率,同时减少对环境的危害是使用控释肥料。控释肥料能满足作物营养对整个赛季通过单个应用程序的需求,包括储蓄在传播成本(5]。控增加营养的可用性由于控制养分释放到“修复”媒介在土壤中的固定流程以及提供营养形式首选的植物(如溶解、水解、降解等);那样控中的养分之间的协同效应增强。因此,高水平的肥料积累在环境中被最小化,从而减少等与传统化肥的使用有关的环境问题富营养化导致阿2损耗,死鱼,对环境不愉快的气味,和美学问题。
的控释肥料时它与聚合物是天然或合成聚合物的聚合物的肥料释放在预定的速率。聚合物本制剂中使用被归类为可降解或降解聚合物。合成可生物降解聚合物的例子包括聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯酰胺(PA)、天然橡胶(NR)和聚乳酸(PLA)这些生物可降解聚合物的优点是它们降解成无毒,生物活性物质。
一个真正的控释肥料只能在分子水平上制定。最近有使用不同类型的减缓或控释肥料(3其中一些如下:
•涂硫尿素(并)
•硫包膜复合肥料
•涂树脂肥料
•脲醛
•尿素和硝化抑制剂
•塔喷雾造粒复合肥融化
•尿素熔融喷涂造粒复合肥
•化学改性生物质涂层尿素的控制释放
•散装混合肥料
控系统的分类
控释肥料分为三种类型
氮磷钾low-solubility化合物:这些可以进一步分为生物分解的化合物通常基于urea-aldehyde冷凝产品,如脲醛(UF)和化学分解的化合物,如isobutyledene-diurea (IBDU)。
一个物理屏障控制释放肥料:化肥可以表现为核心或颗粒涂层疏水聚合物或矩阵的可溶性活性物质分散在一个连续体,限制了肥料的溶解。包裹肥料可以进一步分为化肥涂上有机聚合物热塑性塑料或树脂涂料,涂和化肥等无机材料硫或矿物涂料。材料用于制备矩阵还可以细分为疏水材料如聚烯烃、橡胶、等,和gel-forming聚合物(有时称为“水凝胶”),这在本质上是亲水的,减少的溶解可溶性肥料由于其高保水性(肿胀)。一般来说,矩阵比涂布在实践中不太常见的肥料。凝胶矩阵仍在发展。
无机low-solubility化合物:这种类型的控包括肥料如金属铵磷酸盐(如MgNH4PO4)和部分酸化磷酸盐岩石(地表铺面)。此外,生物和微生物分解N产品,如超滤、贸易通常称为缓释化肥和涂布或封装/阻挡缓释肥料产品。
制备聚合物涂层CRFs配方
可以缓慢释放植物养分肥料通过不同的方法,从而导致产品被称为缓慢或缓释肥料。传统的肥料是覆盖着保护涂层/封装为一个或多个层不溶于水的,半透的材料。典型的物理封装肥料的方法包括:
现场:可溶性肥料形式的液体分散在溶剂和解决方案是混合单体的聚合物。会发生聚合和依赖的方法;颗粒或颗粒肥料将形成。
喷雾法:这种方法是最常见的方法,涂料的肥料颗粒状态的艺术。通常,聚合物溶液在一个合适的溶剂是喷在颗粒的颗粒肥料,然后干通过蒸发除去溶剂。按需要经常重复治疗,直到达到所需的涂层百分比。
简单的混合:的颗粒肥料只是混合涂料在其熔点或聚合物溶液在一个合适的溶剂。
典型的物理方法封装肥料是喷涂,喷雾干燥,锅涂层,旋转磁盘雾化。这些方法专用设备转鼓,锅或者带式搅拌机,流化床。
释放行为控:更一般的分类与释放生物活性物质(药品、食品、化妆品、和化学品)提供了风扇和辛格(6]。他们提出了以下四种类型的模式版本控制:(i)扩散,(ii)侵蚀或化学反应(分解),(3)肿胀和(iv)渗透(图1)。这种分类涵盖了许多领域和技术生产控释材料,其中一些还没有用于控做准备。
图1:控的释放行为。
影响的因素生物降解这些聚合物的形态、分子量分布、化学结构和物理化学因素(离子强度、pH值)、机械应力等(7]。释放养分的生物可降解聚合物发生由于高分子链的水解成无毒的小分子。基于类型的侵蚀,生物可降解聚合物可以分类。侵蚀是一个物理过程而退化是指债券乳沟是一个化学过程。降解的聚合物既可以发生在整个批量或只在表面释放养分的表面积成比例输送系统。表面腐蚀所引起酶或微生物水解作用的过程,这个过程从表面开始。大部分的侵蚀最初有一个水吸收随后通过水解反应聚合物的降解。所做的各种各样的方法以提高可生物降解聚合物系统。一种方法包括交联聚合物网络的形成。在这种方法中,亲水性共聚物(例:聚乙二醇)是生物可降解聚合物和水凝胶交联可以吸收水分。 In another approach highly porous polymeric systems with controlled pore size and density are produced by the formation of sponge like matrices.
营养物质的释放率可以控制涂层颗粒的粒径,涂层厚度和涂层表面的渗透。涂层材料的渗透性取决于化学成分的肥料。厚封装颗粒像硫涂料将使养分释放当一个缺陷或破裂出现在涂层表面。在这种情况下,会发生破裂,因为水的渗透到涂层和内部渗透压。郭et al。8)提出了氮释放机制脲醛(UF)缓释肥料颗粒基于三个步骤。第一步:涂层材料成为因从土壤中吸收水分,所以得到转化成水凝胶有助于增加孔大小的3 d网络涂料,这样有利于扩散的肥料凝胶网络的核心。因此,一层水肿胀的涂料和佛罗里达大学之间的核心形成颗粒。第二步:水慢慢地扩散到十字架有关聚合物网络和佛罗里达大学的可溶性部分溶解;因此可溶性肥料的一部分变得缓慢释放到土壤的肿胀与水的动态交换网络水凝胶和水在土壤中。第三步:土壤微生物穿透肿胀的涂料和组装在佛罗里达大学颗粒从而降低氮的不溶性部分在佛罗里达大学颗粒尿素和氨进而通过动态交换缓慢释放到土壤。这些措施也被描述为滞后期,线性阶段,由其他研究人员和衰减期。这种机制可以有效地适应解释其他CRF配方的释放行为。不同的数学机械化的模型基于经验和机械方法+经验和半经验模型提出了预测的养分释放使用理化参数。然而,大多数机制表明,营养释放控主要由扩散机制对控制温度、厚度的涂层材料,类型的养分,土壤微生物的存在与否有关。
在肥料行业跟踪纳米技术特性
纳米技术的设计、特性、结构、设备的生产和应用,系统通过控制形状和大小在纳米尺度。近年来,纳米科学和纳米技术已经引入了一个新维度科学学科和技术领域由于其能力表现出超级功能性质的材料在monodimensions9]。固体纳米粒子大的表面区域和他们的反应远远大于微米大小的材料。同时,它们的表面和界面为身体提供一个活跃的衬底,化学和生物反应。的确,纳米技术的可行性提供了利用纳米和纳米材料作为缓释载体构建所谓的“智能肥料”作为新的设施来提高养分利用效率、环境友好和可持续发展农业。纳米粒子在这些研究的主要好处是水库的肥料或填料使用。nanofertilizers创新需要一个多学科的方法。
Nanofertilizers有独特的功能,如超高吸收,增加生产,增加光合作用,在叶片的表面积和重大扩张(10]。nanofertilizer的使用导致了提高效率的元素降低了土壤的毒性,至少达到消费的过度消费所造成的消极影响肥料的频率,减少肥料的应用。缓释或控释肥料技术也有可能增加营养吸收的效率。工程纳米颗粒可用于减轻干旱土壤的水分潴留的慢性问题,提高作物生产增加的可用性在根际养分。纳米涂层和绑定——和子共帮助调节肥料的养分释放胶囊。封装在纳米颗粒肥料是这些新设施做的三种方式)的营养可以封装在纳米多孔材料,b)与聚合物薄膜涂层,c)作为粒子或纳米尺寸的乳剂。此外,nanofertilizers将结合设备为了同步;氮肥的释放及其p被作物吸收,防止不良的土壤养分损失,通过直接内化作物水和空气,和避免养分与土壤的相互作用,微生物,水和空气。
预测crf的养分释放
控释肥料旨在提供良好的控制释放在土壤和植物需求预计将提供高利用效率(问题)和减少对环境的不利影响。有效利用营养和适当的管理应用程序需要的工具预测不同土壤和环境条件下的释放。处理membrane-coated肥料时,似乎几乎自然要考虑一些扩散控制释放的过程。事实上,大多数的建模工作是基于假设养分的释放涂层控是由溶质扩散的速率控制肥料或水/蒸汽的速度渗透到CRF通过涂层。
扩散模型
的第一个数学模型开发了尿素释放sulphur-coated颗粒土壤条件下(11]。根据他们的描述,尿素颗粒的硫涂层裂缝或小洞用蜡密封或塑料材料。颗粒被应用到土壤后,涂层由于微生物活动开始退化,暴露出洞,让水进入。在他们的模型中,假设尿素颗粒的扩散通过孔或洞侵蚀引起的涂层。运输是受温度和土壤含水量的影响。菲克第一定律的一维形式描述扩散通过涂层:
d_m / d_ (t) = -DS_k (dC_k) / (dx_k)
m是尿素的质量扩散出颗粒,D是尿素在水中的扩散系数,Sk crosssectional区发生扩散,通过和Ck尿素浓度。
Jarel和Boersma12)声称,通过硫脲的扩散涂层发生在两个步骤:(i)稳定N释放阶段期间尿素溶解(只要固体尿素存在于核心);和(2)的释放率率阶段期间尿素减少当颗粒慢慢倒空。部分尿素的释放速度的表达式(M0, = m / M0先生的初始质量尿素颗粒)在两个阶段进行
(dm_r) / dt = (DS) _p / M_ (0 l) C_sat t < t_1
和(dm) _r / dt = (DS) _p / (M_0 l) (1-m_r)ρt > t_1
= m / M0先生,M0的初始质量尿素颗粒,Cs是饱和尿素溶液的浓度,l是涂层厚度;ρ是固体尿素的密度,t1的休闲期释放的衰减率随着颗粒内部的解决方案变得不饱和。
不幸的是,该模型忽略了一些相关的重要因素和特点从membrane-coated颗粒扩散。正是因为这个原因,下面的阿伦尼乌斯与扩散系数D类型的模型
D =吃^ ((-2135⁄T))
T的绝对温度K,值为2135 (K - 1)代表某种“明显的能量激活”尿素扩散。这个表达式作为一个可能的解释是依赖于温度的释放率对温度,经常发现涂层CRF /缓释肥。然而,额外支持该模型的假设是扩散系数与时间有关,因此给以下表达式
D = d0 t ^ n
在哪里t是时间,D0是一个初始值t= 0,n是一个经验常数。的时间依赖性D提出了一种滞后曲线描述随时间累积释放(即。,sigmoidal release pattern) which could otherwise not have been obtained by simply applying Fick’s law described before.
经验性和semi-empericalmodels
一种不同的方法建模CRF释放是由Kochba et al。13)和Gambash et al。14),他认为营养释放是一个一阶衰减的过程。作者概述了一个概念性的方案由两个阶段组成:水扩散进入颗粒,流出的涂料解决方案。他们的模型被简化为一个方程,这被认为是描述只有第二阶段
日志((Q_o-Q_t)) / Q_o = kt
哪里Q0的肥料量应用于土壤土壤肥料每公斤(g), Qt是后公布时间t的累计数量,和k的衰变速率常数。为了证明释放对温度和水分的依赖关系,作者认为衰变速率常数,k,水蒸气压力线性相关
据美联社〗美国k = _ (w) + B
在Pw水蒸气压力在一个给定的温度。作者声称,这个关系解释了温度和蒸汽释放的依赖。在他们的公式,作者暗示的驱动力释放肥料应用的数量成正比,和温度或蒸汽压的影响介绍通过速率常数k。这个公式不是常用的膜过程,但它仍然提供了一个一阶解释放,几乎伴随着一个到达通过求解扩散模型的解决方案。
概念模型
努力是描述不同阶段参与包裹肥料的释放,提供一个全面的描述过程和因素影响释放(15]。
发布过程的第一阶段从涂层CRF的渗透水(主要是蒸汽)通过涂料(图1)。蒸汽凝结在坚实的核心和溶解其中的一部分,因此诱导形成的内部压力。在这个阶段,两条途径是可能的。如果内部压力超过膜电阻、膜破裂和整个颗粒释放瞬间的内容。Goertz [16叫这个序列”失效机理”或“灾难性的释放。“如果膜抵抗内部压力,肥料释放通过扩散由浓度梯度涂层,或质量流量驱动压力梯度,或两者的结合。这称为“扩散机制。“失败的机制是一个典型的脆弱,无弹性涂料,如硫硫(或修改)或其他无机涂料。观察扩散释放等种肥料polyurethane-like涂料、醇酸树脂和类型聚烯烃。根据上面的描述,失效机理收益率逐步释放函数为单个颗粒,而逐渐的扩散机制结果肥料释放s形形状。发布模式/形状的颗粒可能然而不同于单个的颗粒由于颗粒及涂层性能的变化。
扩散释放
种尿素进行试验(17),分别测量渗水和尿素释放。这些实验表明释放过程包括三个阶段(i)的初始阶段,在此期间几乎没有观察到释放(滞后期),(2)不断释放阶段,(3)释放率的逐渐衰减阶段。
在延迟期间,水渗透汽化的颗粒和肥料的溶解部分的核心。这个过程背后的驱动力是蒸汽压力梯度涂层。凝结蒸汽的空间被限制为实芯内部的空洞和核心和涂层。颗粒的重量稍有增加,伴随的内部压力。观察到颗粒体积的增加,主要是alkyd-type树脂。假设滞后期的持续时间与所需的时间内部空洞装满水,从而诱导良好解决方案的联系与内在的涂层。雷竞技网页版
肥料释放时开始形成饱和溶液的临界体积在颗粒内部,也诱发了积聚的压力。这是第二阶段的开始,不断的释放率阶段。释放率保持不变,只要与固体颗粒的饱和溶液平衡肥料。常数(饱和度)浓度收益率化肥运输(即恒定的驱动力。,常数浓度梯度或压力梯度)。实验发现,颗粒的体积仍然几乎不变的在这个阶段,表明疏散的释放量化肥被水占据,继续进入颗粒。因此,一旦核心的肥料溶解,内部溶液的浓度降低(稀释)发布,并相应地释放减少的驱动力。这是衰减阶段,其中一部分可能太慢了(一种温和的“尾矿效应”)。上面的描述作为一个详细的基础数学模型扩散释放机制(18]。
发布失败
物理方案的主要过程发生故障期间发布机制是基于实验Raban [17与修改(聚合物)sulphur-coated尿素颗粒——PSCU。
发布过程开始时水蒸汽穿透涂层。渗水率被定义为的驱动力(蒸汽压力梯度),涂层厚度和涂层材料的特性。水的蒸汽冷凝和肥料溶解,从而导致形成涂层颗粒内部的内部压力。内部压力高于阈值的增加可能导致破裂的涂层(与扩散的情况下,涂层抗压力)。涂层的破坏导致瞬时释放的肥料。Zaidel [18]分析了部队在渗水到单个颗粒和压力增加的速度,可以开发一个表达式的“破裂”或破裂的时候,结核病,单一的涂层(膜)。
t_ (b)识别≌r_0 / P_h l_0 /ΔπY / M
l0 r0颗粒半径,涂层厚度,Y是涂料的屈服应力(Pa), Ph值是水膜的渗透性(厘米吗2一天1巴勒斯坦权力机构1),Δπ跨膜渗透压的梯度(Pa)和M杨氏弹性模量的涂料(Pa)。
策略的使用与CRF
控应用农艺作物和常年的水果作物。改善与CRF与可溶性肥料相比增长和产量一直在记录土豆(茄属植物tuberosum) (19,20.)和洋葱(洋葱)21]。效果包括道达尔和增强市场收益率。CRF对番茄的影响(茄属植物lycopersicum)和辣椒(甜椒)混合,减少和提高收益率相比可溶性肥料(22熏蒸剂)减少土壤中微生物种群的减少杂草和土传昆虫和疾病是最大的障碍的使用一些产品。减少土壤微生物种群能够延缓肥料释放了6到8周(23]。
因此,μ,佛罗里达大学和其他并相对短期产品适用性有限的蔬菜作物,土壤熏蒸是一种公认的实践。然而,养分释放控不是减少熏蒸土壤因为他们不依赖于土壤微生物释放。土壤温度和水分影响大多数S / crf的养分释放率,和凉爽季节作物或作物生长在干燥的土壤将可怜的S / CRFs候选人。肥料与可溶性养分供应和缓释形式可以开发与早熟蔬菜作物的养分需求,并提供足够的营养在整个种植周期(24]。与转换相关的一些优势制定常规肥料使用纳米技术(表1)[25]。
| 理想的属性 | nanofertilizers-enabled技术的例子 |
|---|---|
| 控释制剂 | 所谓智能肥料可能成为现实通过改变了传统产品的配方使用纳米技术。纳米制剂配方可能允许化肥智能控制养分释放速度的匹配作物的吸收模式 |
| 溶解度和色散矿物微量元素 | Nanosizedformulation的矿物质微量元素可以提高土壤中溶解和分散的不溶性营养,减少土壤吸收和固定,增加bio-availability。 |
| 养分吸收效率 | 纳米制剂可能增加肥料效率和土壤养分的吸收比在作物生产和节约肥料资源。 |
| 控制释放模式 | 两种水溶性肥料的养分释放率和释放模式可能精确控制在信封封装形式的半透膜涂布resin-polymer,蜡和硫。 |
| 养分释放的有效时间 | 纳米制剂可以扩展土壤有效养分的肥料供应时间。 |
| 肥料养分的损失率 | 纳米制剂可以减少损失率的肥料养分供应肥料在土壤浸出和/或泄漏。 |
表1:与转换相关的一些优势制定常规肥料利用纳米技术(25]。
建议未来的工作
行业在这方面表现出极大的兴趣。然而,可用产品的例子非常少之又少。目前大多数发展似乎在研究与发展(R&D)阶段,农业部门很可能会看到一些在未来纳米技术的大规模应用。
这项研究强调了地区生产在未来可以进行研究。
1。利用先进的技术控准备成本效益。
2。改善量化土壤降解涂料减少尾矿效应和不受欢迎的产品的积累在土壤中。
3所示。更好地理解这预测好的缓释肥养分释放的行为模式/控定量的基础上。
4所示。利用数学模型和开发测试预测养分的释放行为和特征的释放行为的控/缓释协助质量控制。
5。导致更好的量化减少营养物质的损失。
6。改善评估预期利益对环境的利用控/缓释也减少污染的生态系统和提高土壤生产力。
成果将极大地取决于上述方向的可能性进行多学科研究,以解决这些复杂的问题,甚至可能更多的这些努力和支持优先考虑社会。
相比传统的肥料,逐渐释放的养分释放CRFs可能更好地配合工厂的需求,减少浸出和提高肥料利用效率。控减少对早熟的需求在关键时期体力劳动义务,减少压力和特定的毒性(由于同步与植物的养分释放的要求),增加可用性的营养和养分的供应形式偏好的植物,和增加营养和植物根系之间的协同效应。缓释肥/控产品提供农业生产者的机会提高养分利用效率,尤其是在较低的土壤阳离子交换量。然而,土壤熏蒸、温度和水分含量时,必须考虑选择农作物的肥料。控制——释放产品选择释放率相匹配的蔬菜作物的养分需求通过季节应该提供足够的营养。观点,值得注意的是,研究人员应该设计nano-CRFs利用天然辅料材料提出高效、有效、可靠和具有成本效益的crf配方基础上的资源限制从而减少粮食危机和其他作物生产面临的挑战。从本质上说,科学家应该预料到修补农艺返回通过科学小礼品;这背后的动机必须针对研究,创新,和CRF的商业化产品。
