本发明涉及缓释肥料领域，特别涉及一种水葫芦抗旱缓释肥料及其制备方法。
背景技术：
水葫芦，又名凤眼莲、水荷花、假水仙和水生风信子等，属单子叶多年生植物，雨久花科、凤眼兰属。水葫芦对自然水系有“三位一体式”的灭绝影响，即破坏水生态系统、阻塞航道、堵塞水管。为控制水葫芦的蔓延，世界各国耗费了大量的人力及财力，但都仅限于暂时性的清除。
水葫芦根系发达，生长迅速，具有大量吸收污水中的氮、磷等营养物质和净化重金属、有机污染等积极的生态效应。因此利用水葫芦净化水质是一种具有较大经济潜力的有效方法。水葫芦可以处理污水、改良水质、制备肥料。但目前农村地区的水葫芦资源化利用方式中，主要为简易的堆肥和传统的绿肥还田，也可直接利用其干粉或将燃烧后的灰分作为肥料或土壤改良剂使用。简易的堆肥和传统的绿肥还田易滋生病菌和虫卵，对农作物产生危害。此外，水葫芦含水率大，不易保存，异地使用难。
高吸水树脂一般为含有亲水基团和交联结构的高分子电解质。吸水前，高分子链相互靠拢缠在一起，彼此交联成网状结构，从而达到整体上的紧固。与水接触时，水分子通过毛细作用及扩散作用渗透到树脂中，链上的电离基团在水中电离。由于链上同离子之间的静电斥力而使高分子链伸展溶胀。由于电中性要求，反离子不能迁移到树脂外部，树脂内外部溶液间的离子浓度差形成反渗透压。水在反渗透压的作用下进一步进入树脂中，形成水凝胶。高吸水性树脂除了吸水，还能吸收肥料、农药，并缓慢的释放出来以增加肥效和药效。
缓释肥料具有减少施肥次数，提高肥料利用率，降低农林业生产成本的优点。国内外缓释肥料主要有几大类：第一类是物理型微囊法包膜或整体法溶解而成，如有机高分子包膜的控释肥料。第二类是化学合成型，将有机或无机化合物直接或间接地连接到预先形成的聚合物上。第三类是化学抑制型，添加脲酶抑制剂或硝化抑制剂。无论哪一类缓控释肥料，应用时都受到土壤、灌溉、降水等条件的限制，特别是在干旱和半干旱地区，采用环境友好型材料和普通加工工艺，制备具有抗旱、吸水、保水功能的缓释肥成为提高肥料利用效率、节水增效的重要产品和化肥革新研究的热点。
申请号为201010117970.1的中国发明专利公开了一种抗旱缓释尿素及制备方法，包括尿素和由里到外对尿素进行包被的三个包被层：水肥隔离养护层、缓释层和水分调节层，水肥隔离养护层所包含的各组分及其与尿素的重量比分别为：预糊化淀粉4～10％、羟乙基淀粉1～2％、硬脂酸镁0.1～0.5％、黄糊精0.4～2.0％、硼砂0.1～0.8％；缓释层所包含的各组分及其与尿素的重量比分别为：多功能缓控释剂15～30％、膨润土10～20％；水分调节层所包含的各组分及其与尿素的重量比分别为：高效抗旱剂10～20％、羧甲基纤维素3～5％、聚天门冬氨酸0.1～2％、高岭土2～6％；其中，多功能缓控释剂、高效抗旱剂、硬脂酸镁、黄糊精、硼砂的粒径小于0.25mm；高效抗旱剂吸水率在400倍以上，粒径小于0.25mm；预糊化淀粉、羟乙基淀粉、羧甲基纤维素、聚天门冬氨酸的粒径小于0.15mm；膨润土、高岭土的粒径小于0.05mm。
包括如下步骤：(1)包被水肥隔离养护层：将水肥隔离养护层的各组分、尿素、4～6g/L的聚乙二醇水溶液按比例进行物理混匀，其中聚乙二醇水溶液与尿素的重量比为4～8.5％，然后在造粒机内造粒；(2)包被缓释层：将缓释层的各组分、步骤(1)制备的尿素、4～6g/L的聚乙二醇水溶液按比例进行物理混匀，其中聚乙二醇水溶液与尿素的重量比为4～8.5％，然后在造粒机内造粒；(3)包被水分调节层：将水分调节层的各组分、步骤(2)制备的尿素、4～6g/L的聚乙二醇水溶液按比例进行物理混匀，其中聚乙二醇水溶液与尿素的重量比为4～8.5％，然后在造粒机内造粒；(4)将步骤(3)制备的尿素从造粒机中取出，晒干或在烘干机中55～65℃条件下烘干到水分含量小于10％。
上述专利所述的一种抗旱缓释尿素及制备方法依旧存在原料组分复杂、制作方法复杂且需设备投资等需要进一步提高的问题。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有抗旱和缓释功能、对环境友好且成本低廉的水葫芦抗旱缓释肥料，并且还提供一种工艺简单、设备投资少、易于工业化生产的制备方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案一为：
一种水葫芦抗旱缓释肥料，包括如下重量份的原料制备而成：水葫芦40～55份、尿素20～25份、过硫酸钾1.5～2份、植物多酚1.5～2.5份、丙烯酸10～15份、淀粉1.0～1.5份、丙烯酰胺15～25份、甲苯二异氰酸酯2～5份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.003～0.01份。
本发明的有益效果在于：水葫芦的重量份数达到40～55份，水葫芦具有丰富的孔隙，能吸附尿素，使得尿素与甲苯二异氰酸酯的反应在水葫芦的腔壁内进行，加上水葫芦具有一定的交联作用，使得尿素在水葫芦腔内交联更牢固，不易流失；同时水葫芦吸收了大量富营养水体中的氮磷元素，能被农作物吸收，起到绿色肥的作用；充分利用水葫芦的特性，变废为宝，符合可持续农业发展的要求。丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺，丙烯酸与淀粉接枝共聚得到的高分子量聚合物，两者均为高吸水树脂，具有三维网络结构，不溶于水，但遇水膨胀，可与肥料、生物制剂和水等紧密溶合在一起，达到反复吸收和缓慢释放肥料和水的目的，使养分的释放具有一定的缓冲性；养分缓慢释放，提高肥料的利用率；高吸水树脂减少水肥流失，延长肥效，抗旱性能优越。本发明在干旱、半干旱地区以及干旱季节，可有效地发挥水、肥的缓释效果。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案二为：
一种制备水葫芦抗旱缓释肥料的方法，该方法包括如下步骤：
步骤1、将40～55份水葫芦粉碎，加入20～25份尿素，混合均匀；
步骤2、将15～25份丙烯酰胺、1.0～1.9份过硫酸钾于60～80℃的条件下反应1～3h，加入1.5～2.5份植物多酚，反应10～20分钟后加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为6～8，再加入2～5份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀，得到A组分；
步骤3、将1.0～1.5份淀粉、0.1～0.5份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80～85℃并反应1.5～2h，加入10～15份丙烯酸反应1.5～2h，降温至60～70℃，加入A组分，加入0.003～0.01份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5～2h；
步骤4、将步骤3所得产物在温度103±2℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明水葫芦抗旱缓释肥料的制备方法的有益效果在于：该制备方法仅需利用现有的粉碎机、反应釜、干燥箱就可实现，无需使用或改造设备，设备投资成本低，制备方法简单，且制备过程中所需的温度较低、时间较短，因此制备所需的能耗较少。因此，本发明的制备方法简单高效，设备投资成本低，能耗低，易于实现工业化生产。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式予以说明。
本发明最关键的构思在于：利用水葫芦丰富的孔隙，使尿素与甲苯二异氰酸酯的反应在水葫芦的腔壁内进行，有效吸收肥料，不易流失；同时充分利用水葫芦所具有的一定的吸湿性和交联性，变废为宝，解决水葫芦利用的问题；通过丙烯酸、丙烯酰胺等聚合得到的高分子量聚合物，所吸收的水分和肥料不能被简单的物理方法挤出，可反复吸收和释放，达到有效地发挥水、肥的缓释效果。
具体的，本发明提供的水葫芦抗旱缓释肥料，包括如下重量份的原料制备而成：水葫芦40～55份、尿素20～25份、过硫酸钾1.5～2份、植物多酚1.5～2.5份、丙烯酸10～15份、淀粉1.0～1.5份、丙烯酰胺15～25份、甲苯二异氰酸酯2～5份、N,N-亚甲基双丙烯酰胺0.003～0.01份。
本发明的有益效果在于：水葫芦的重量份数达到40～55份，水葫芦具有丰富的孔隙，能吸附尿素，使得尿素与甲苯二异氰酸酯的反应在水葫芦的腔壁内进行，加上水葫芦具有一定的交联作用，使得尿素在水葫芦腔内交联更牢固，不易流失；同时水葫芦吸收了大量富营养水体中的氮磷元素，能被农作物吸收，起到绿色肥的作用；充分利用水葫芦的特性，变废为宝，符合可持续农业发展的要求。丙烯酰胺聚合形成聚丙烯酰胺，丙烯酸与淀粉接枝共聚得到的高分子量聚合物，两者均为高吸水树脂，具有三维网络结构，不溶于水，但遇水膨胀，可与肥料、生物制剂和水等紧密溶合在一起，达到反复吸收和缓慢释放肥料和水的目的，使养分的释放具有一定的缓冲性；养分缓慢释放，提高肥料的利用率；高吸水树脂减少水肥流失，延长肥效，抗旱性能优越。本发明在干旱、半干旱地区以及干旱季节，可有效地发挥水、肥的缓释效果。
进一步的，所述的水葫芦为整株水葫芦，含水率在45～55wt％。
由上述描述可知，水葫芦得到充分利用，不需要对打捞上来的水葫芦进行预处理，含水率较高，克服了含水率高不易保存利用的缺点，同时省去干燥的成本。
进一步的，所述甲苯二异氰酸酯由2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯混合而成，2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯的质量比为4:1。
由上述描述可知，上述甲苯二异氰酸酯为工业上最常用的产品规格，原料易获得。
本发明提供的制备上述水葫芦抗旱缓释肥料的方法，包括如下步骤：
步骤1、将40～55份水葫芦粉碎，加入20～25份尿素，混合均匀；
步骤2、将15～25份丙烯酰胺、1.0～1.9份过硫酸钾于60～80℃的条件下反应1～3h，加入1.5～2.5份植物多酚，反应10～20分钟后加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为6～8，再加入2～5份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀，得到A组分；
步骤3、将1.0～1.5份淀粉、0.1～0.5份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80～85℃并反应1.5～2h，加入10～15份丙烯酸反应1.5～2h，降温至60～70℃，加入A组分，加入0.003～0.01份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5～2h；
步骤4、将步骤3所得产物在温度105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明方法的优点：
利用水葫芦丰富的孔隙，将水葫芦粉碎后加入尿素，可使尿素进入水葫芦腔壁内；在过硫酸钾的引发作用下，丙烯酰胺聚合成高分子量的聚合物聚丙烯酰胺，具有高吸水性，也能吸收肥料等药剂，加入的具有交联作用的植物多酚使得聚合物更稳定，聚丙烯酰胺在水葫芦和尿素的混合物的表面形成包被的保护层，在加碱调节至一定的酸碱性条件下加入甲苯二异氰酸酯，甲苯二异氰酸酯进入水葫芦腔壁内与尿素反应，使尿素固定在水葫芦内，形成双层防止尿素流失的保护层，整体反应产物为A组分；淀粉在引发剂过硫酸钾的作用下与丙烯酸产生接枝共聚，形成高吸水性树脂淀粉接枝丙烯酸盐，加入A组分，在A组分表面形成高吸水性的保护层，再加入少量具有吸水性和交联作用的N,N-亚甲基双丙烯酰胺，产物交接更牢固，吸收的水分和肥料不易流失，且能被反复吸收和缓慢释放出来。
从上述描述可知，本发明提供的制备方法的有益效果在于：该制备方法仅需利用现有的粉碎机、反应釜、干燥箱就可实现，无需使用或改造设备，设备投资成本低，制备方法简单，且制备过程中所需的温度较低、时间较短，因此制备所需的能耗较少。因此，本发明的制备方法简单高效，设备投资成本低，能耗低，易于实现工业化生产。
进一步的，所述的水葫芦为整株水葫芦，含水率在45～55wt％。
由上述描述可知，水葫芦得到充分利用，不需要对打捞上来的水葫芦进行预处理，含水率较高，克服了含水率高不易保存利用的缺点，同时省去干燥的成本。
进一步的，所述水葫芦粉碎至2cm以下。
由上述描述可知，水葫芦粉碎至2cm以下，水葫芦表面孔隙更丰富，与尿素的接触面积更大，使得水葫芦能吸附的尿素含量更大。
进一步的，所述甲苯二异氰酸酯由2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯混合而成，2,4-甲苯二异氰酸酯和2,6-甲苯二异氰酸酯的质量比为4:1。
由上述描述可知，上述甲苯二异氰酸酯为工业上最常用的产品规格，原料来源广，易获得。
本发明所述的水葫芦抗旱缓释肥料，吸水率为自身重量的400～900倍，可反复吸水释水；同时具有较强的养分缓释性能，在水中24h氮素溶出率在8.2％～10.8％之间，尿素缓释效果长达100～200天；通常一亩玉米地需要施用尿素40千克，而每亩玉米地施用15千克水葫芦抗旱缓释肥料就可保证氮源和水分的充足；同时水葫芦提供的绿肥又可为作物提供养分，减少氮肥流失，节约肥料成本，促进植物生长。
本发明的实施例一为：
步骤1、将45份水葫芦粉碎至2cm以下，加入22份尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺18份、过硫酸钾1.6份在70℃条件下反应2h，加入1.8份植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为7，加入3份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将1.2份淀粉、0.2份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应1.5h，加入12份丙烯酸反应1.5h，降温至60℃，加入A组分，加入0.005份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例二为：
步骤1、将42份水葫芦粉碎至2cm以下，加入22份尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺18份、过硫酸钾1.3份在75℃条件下反应1.5h，加入2份植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为7，加入2.5份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将1.2份淀粉、0.3份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应1.5h，加入12份丙烯酸反应1.5h，降温至60℃，加入A组分，加入0.006份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例三为：
步骤1、将50份水葫芦粉碎至2cm以下，加入23份尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺18份、过硫酸钾1.6份在70℃条件下反应2h，加入1.8份植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦和尿素的混合物，调节pH值为7，加入3份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将1.2份淀粉、0.15份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应1.5h，加入12份丙烯酸反应1.5h，降温至60℃，加入A组分，加入0.005份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例四为：
步骤1、将50份水葫芦粉碎至2cm以下，加入23份尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺18份、过硫酸钾1.6份在75℃条件下反应2h，加入1.75份植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为7，加入3份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将1.2份淀粉、0.15份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应1.5h，加入13份丙烯酸反应1.5h，降温至60℃，加入A组分，加入0.005份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例五为：
步骤1、将50份水葫芦粉碎至2cm以下，加入22.5份尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺20份、过硫酸钾1.5份在70℃条件下反应2h，加入2份植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为7，加入3.5份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将1.2份淀粉、0.25份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应1.5h，加入12份丙烯酸反应1.5h，降温至60℃，加入A组分，加入0.007份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例六为：
步骤1、将52份水葫芦粉碎至2cm以下，加入23份尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺22份、过硫酸钾1.6份在70℃条件下反应2h，加入1.8份植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为7，加入3份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将1.2份淀粉、0.15份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应1.5h，加入13份丙烯酸反应1.5h，降温至60℃，加入A组分，加入0.008份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例七为：
步骤1、将48份水葫芦粉碎至2cm以下，加入22.5份尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺18份、过硫酸钾1.6份在70℃条件下反应2h，加入2.3份植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为7.5，加入3.5份甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将1.2份淀粉、0.2份过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应1.5h，加入13.5份丙烯酸反应1.5h，降温至60℃，加入A组分，加入0.008份N,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例八为：
步骤1、将400g水葫芦粉碎至2cm以下，加入200g尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺150g、过硫酸钾13g在60℃条件下反应3h，加入15g植物多酚，反应10分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为6，加入20g甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将10g淀粉、2g过硫酸钾加入反应釜中，加热到80℃反应2h，加入100g丙烯酸反应2h，降温至60℃，加入A组分，加入0.03gN,N-亚甲基双丙烯酰胺反应2h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
本发明的实施例九为：
步骤1、将550g水葫芦粉碎至2cm以下，加入250g尿素，混合均匀；
步骤2、将丙烯酰胺250g、过硫酸钾18g在80℃条件下反应1h，加入25g植物多酚，反应20分钟后，加入步骤1的水葫芦与尿素的混合物，调节pH值为8，加入50g甲苯二异氰酸酯，搅拌均匀得到A组分；
步骤3、将15g淀粉、2g过硫酸钾加入反应釜中，加热到85℃反应1.5h，加入150g丙烯酸反应1.5h，降温至65℃，加入A组分，加入0.1gN,N-亚甲基双丙烯酰胺反应1.5h；
步骤4、将步骤3所得产物在105℃条件下干燥至含水率1wt％以下，粉碎即得抗旱缓释肥料成品。
综上所述，本发明提供的一种水葫芦抗旱缓释肥料及其制备方法，以高含水率的整株水葫芦为原料，原料来源广、成本低，同时充分利用了水葫芦的孔隙、吸湿及交联等各种特性，变废为宝，解决水葫芦利用的问题；通过丙烯酸、丙烯酰胺等聚合得到的具有三维网络结构的高吸水树脂，可与肥料、生物制剂和水等紧密溶合在一起，达到反复吸收和缓慢释放肥料和水的目的，使养分的释放具有一定的缓冲性；养分缓慢释放，提高肥料的利用率，减少水肥流失，延长肥效，抗旱性能优越；在干旱、半干旱地区以及干旱季节，可有效地发挥水、肥的缓释效果。同时，本发明的制备方法仅需利用现有的粉碎机、反应釜、干燥箱就可实现，无需使用或改造设备，设备投资成本低，制备方法简单高效，能耗低，易于实现工业化生产。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。