电化学法合成聚丙烯酰胺及多元缓释肥料研究

摘要

缓释肥料具有保水保肥的优点,能持续为作物提供养分,是近年来兴起的一种新型服料,但目前存在工艺流程复杂、肥料成本高等缺点,制约了缓释肥料的普遍应用。我们设想通过电化学这一简单、绿色的方法,以价格低廉的丙烯酰胺类聚合物为载体,尿素(Urea)、磷酸二氢钾(KH2PO4)为原料制备具有缓释性能的高分子多元复合肥料。　　 本文探讨了一种新的合成缓释肥料的方法,首先以自制的PbO2电极为阳极,Ti为阴极,H2SO4为支持电解质,在自制电解槽中进行电合成制备载体(聚丙烯酰胺-CO-丙烯酸),通过动力学参数的计算,对电化学合成PAM的机理进行了探讨。然后用电化学方法在载体上接枝Urea,再加入KH2PO4,得到含氮、磷、钾的高分子复合缓释肥料。采用红外光谱分析、热重分析、循环伏安分析对产品的表面结构、热稳定性和电化学行为进行了表征,利用浸提法模拟缓释肥料的释放性能,通过对萝卜和白菜进行大田试验,对产物的肥效进行了考察。结论如下:　　 1、考察了单体丙烯酰胺(AM)浓度、电流密度(I)、引发剂(Ce4+)浓度、等因素对聚合过程的影响,得出电合成聚丙烯酰胺的最佳工艺参数:ω(AM)=9％,ω(ce4+)=0.8%,I=0.25 A·cm-2,在此条件下单体转化率可达到76.3%,聚合产物相对分子质量为187万。　　 2、电化学合成聚丙烯酰胺-CO-丙烯酸为载体的缓释肥料的最佳工艺参数为:ω(Urea)=7.2%,ω(KH2PO4)=5.4%。此条件下得到的缓释肥料相对分子质量为78.69万,有效肥含量为58.5%,其中氮含量为32.5%,磷含量为13%,钾含量为13%,通过模拟缓释肥料释放试验,得出该缓释肥料的释放期为60天,释放效率为80%;萝卜、白菜大田试验的结果表明,该肥料实际增产量率为8.19%。　　 3、正交实验、效应曲线和方差分析表明:在电合成丙烯酰胺的过程中,各因素对转化率的影响作用依次为单体浓度>引发剂浓度>电流密度,各因素对产物分子量的影响作用依次为单体浓度>电流密度>引发剂浓度。　　 4、FT-IR谱图证明:用电化学方法成功制备了聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酰胺-CO-丙烯酸,并在载体上成功接技了尿素。　　 5、Ce4+的循环伏安分析表明:在引发剂Ce4+和电化学反应的协同作用下,体系产生了多种自由基(包括活性羟基自由基、引发剂自由基、氧原子自由基等),这些自由基共同引发AM聚合形成PAM,同时在1.6V左右出现的氧化峰,证明引发剂Ce4+在电化学作用下循环利用,不断产生引发剂自由基,不断聚合形成PAM。　　 6、通过电化学动力学分析,确定了电化学合成PAM的反应历程,得出了阳极和阴极的表观传递系数分别为:α＝1,α＝1,从实验中得到Ce4+的反应级数为1,反应的控制步骤为第3步,即:σ+σ-H2C=CH+·OH+Ce4++e→·OH H2C=CH Ce4++e｜｜CONH2CONH2(transitional complex)HOCH2-·CH+Ce3+→｜CONH2。