本文隸屬于其他應用專題，全文共 4144 字，閱讀大約需要 11 分鐘

摘要：針對納米碳粉肥料水分散體系中易團聚、粒徑分布不均、大顆粒殘留多，進而影響肥料功能與產(chǎn)業(yè)化應用的行業(yè)痛點，本文以PSI-20微射流均質(zhì)機為核心制備設備，對納米碳粉溶液進行不同次數(shù)的均質(zhì)處理，并采用Nicomp Z3000納米激光粒度儀對均質(zhì)后樣品的粒徑分布及穩(wěn)定性進行表征分析。實驗結果表明：納米碳粉原液D50為1478.8nm，經(jīng)過九次均質(zhì)處理后，D50降至153.6nm，多分散系數(shù)（PI）維持在0.26左右，體系均一性顯著提升；隨著均質(zhì)次數(shù)增加，顆粒粒徑整體向小尺寸遷移，大顆粒被有效打散，分散穩(wěn)定性大幅增強。與傳統(tǒng)球磨方法相比，PSI-20微射流均質(zhì)機依托高壓微射流、剪切與空穴沖擊的協(xié)同作用，具有無金屬污染、制備效率高、粒徑可控、批次穩(wěn)定性好等優(yōu)勢，能夠從根本上破解納米碳粉團聚難題，實現(xiàn)納米碳粉肥料的高效均質(zhì)與納米級穩(wěn)定出料，為納米碳基肥料的配方優(yōu)化、工業(yè)化制備及規(guī)模化應用提供了穩(wěn)定可靠的技術支撐，助力農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型與化肥減量增效目標的實現(xiàn)。

關鍵詞：微射流均質(zhì)機；PSI；納米碳粉

在我國，人多地少，提高糧食單產(chǎn)成為應對我國糧食安全的重要措施。糧食的單產(chǎn)與肥料用量的相關性極顯著，所以要提高單產(chǎn)必須提高化肥用量，但增加化肥用量會對水體、土壤等造成污染，帶來一些環(huán)境問題，解決這個問題的主要途徑是提高肥料利用率^[1]。而且我國肥料利用率與發(fā)達國家相比普遍偏低，我國的肥料利用率還有較大的提高空間^[2]過去我們提高肥料利用率主要是釆用改變施肥方式的方法，近年來，人們漸漸開始將研制新型肥料作為提高肥料利用率的主要方法，目前，新型肥料主要有新型緩控釋肥料，生物肥料，有機肥料，多功能性肥料等。納米材料具有的特殊特性與傳統(tǒng)材料不同，所以其成為世紀科學和技術革命的重要內(nèi)容之一，將納米材料應用于肥料施用上，已經(jīng)受到人們的關注，其在促進作物對養(yǎng)分的吸收方面，提高肥料利用率方面均表現(xiàn)出很好的發(fā)展前景^[3]。

納米碳是一種具有高表面能、尺度很小納米材料，在提高作物養(yǎng)分利用效率，促進作物生長發(fā)育方面的良好效果已在多種作物上顯現(xiàn)^[4]。2007年劉鍵和張志明第一次在傳統(tǒng)肥料中添加了納米碳材料，其在田間對水稻、小麥、玉米、大豆及多種蔬菜作物進行試驗，結果表明，納米碳對蔬菜的增產(chǎn)效果十分顯著，并且對肥料的節(jié)約作用很是明顯，可節(jié)肥，與此同時納米碳還可以使蔬菜早熟^[5]。

納米碳粉自身具有高比表面積、高表面能的特性，在水分散體系中極易發(fā)生自發(fā)團聚、顆粒堆疊，導致產(chǎn)品出現(xiàn)粒徑分布不均、大顆粒團聚體殘留、分散穩(wěn)定性差、易沉降分層等一系列技術難題。這不僅大幅削弱其應有的功能特性，還嚴重影響肥料產(chǎn)品的均一性與施用效果，成為制約納米碳基肥料從實驗室走向規(guī)模化、標準化產(chǎn)業(yè)化應用的核心瓶頸。

依托PSI 高壓微射流均質(zhì)技術，能夠從根本上破解納米碳粉肥料的分散穩(wěn)定難題。該技術通過超高壓瞬時射流、高強度剪切與空化沖擊的協(xié)同作用，可高效打散頑固團聚體，精準控制顆粒粒徑，實現(xiàn)物料的納米級均勻分散，同時顯著提升體系穩(wěn)定性，避免后續(xù)沉降與二次團聚，真正達成高效均質(zhì)、納米級穩(wěn)定出料的理想效果。這一技術方案為納米碳基新型肥料的配方優(yōu)化、工業(yè)化制備與規(guī)模化生產(chǎn)提供了穩(wěn)定可靠的一體化解決方案，可有力推動納米功能肥料產(chǎn)業(yè)落地。

• 實驗樣品：納米碳粉溶液；

• 均質(zhì)方法：1800bar壓力下均質(zhì)九次，出料溫度控制在25-35℃；

• 表征方法：采用Nicomp Z3000納米粒度儀測試粒徑分布；

表2.1粒徑測試結果

圖2.1均質(zhì)前后粒徑分布變化疊加對比圖

• 表2.1中呈現(xiàn)數(shù)據(jù)為樣品原液及不同均質(zhì)次數(shù)的粒徑分布，PI值為多分散系數(shù)，主要反映體系的均一性，PI值越小，粒徑越均一，即譜圖會更窄。納米碳粉溶液樣品經(jīng)過均質(zhì)處理后，整體粒徑顯著下降，原液D50在1478.8nm，經(jīng)過九次均質(zhì)后，D50達到了153.6nm，說明高壓微射流均質(zhì)機對于納米碳粉樣品處理有明顯效果。

  
  

• 圖2.1為均質(zhì)前后粒徑分布變化疊加對比圖，圖中分別為原液（粉）、處理一次（藍）、處理三次（綠）、處理七次（紅）、處理九次（淺綠），可以清晰看到，隨著均質(zhì)次數(shù)的增加，粒徑變小（向左遷移）。

圖2.2均質(zhì)前后顆粒數(shù)變化疊加對比圖

 圖3.2為均質(zhì)前后對比圖，可以很清晰看出，均質(zhì)后（藍色）尾端大顆粒遠低于均質(zhì)前（紅色），同時0.5μm-1μm的部分，均質(zhì)后明顯增多，證明已經(jīng)將尾端大顆粒打碎至小顆粒。

可以看出尾端大顆粒去除效果與粒徑數(shù)據(jù)互相印證，即亞微米級粒子數(shù)明顯增加。

• 參數(shù)配置：本次實驗使用Z型交互容腔（87μm），均質(zhì)壓力1800bar，外接冷水循環(huán)裝置，控制出料端溫度范圍為25-35℃；

  
  

• 工作原理：通過氣動或電液傳動的增壓器使物料在高壓作用下以極大的速度流經(jīng)固定幾何結構均質(zhì)腔中的微管通道，物料流在此過程中受到超高剪切力、超高碰撞力、空穴效應等物理作用，使得平均粒徑降低、體系分散更加均一，由此獲得理想的均質(zhì)或乳化結果。

  
  

• 核心優(yōu)勢

1. 均質(zhì)效果穩(wěn)定且優(yōu)良

固定孔徑的純金剛石交互容腔，通過穩(wěn)定壓力輸出超高剪切力、超高碰撞力，可以保證出料穩(wěn)定均一。并且交互腔內(nèi)壁光滑度高，小試結果可以線性放大到生產(chǎn)型設備，同時保證生產(chǎn)效果。

2. 材質(zhì)潔凈度高且合規(guī)性強

機身通體采用316不銹鋼材質(zhì)，符合醫(yī)藥領域衛(wèi)生要求，數(shù)據(jù)可通過機身后側(cè)U盤導出，符合相關法規(guī)標準。

3. 操作便捷

搭載數(shù)字化顯示屏，便于操作，并且對物料不會產(chǎn)生污染。

• 表征設備----Nicomp Z3000納米激光粒度儀

• 原理：Nicomp®3000系列納米激光粒度儀采用動態(tài)光散射原理檢測分析樣品的粒度分布。其主要用于檢測納米級別及亞微米級別的體系，粒徑檢測范圍0.3nm-10μm。動態(tài)光散射方法（DLS）從傳統(tǒng)的光散射理論中分離，關注瑞利散射區(qū)的小顆粒，主要用于檢測納米級別的分散體系。動態(tài)光散射是通過光強值的波動得到自相關函數(shù)，從而獲得衰減時間常量τ，進而計算獲得粒子的擴散速度D（Diffusion Coefficient，擴散系數(shù)），代入Stokes-Einstein方程式，就可以計算得到顆粒的半徑。

圖3.3 Nicomp Z3000納米激光粒度儀

• 表征設備----AcuSizer 多功能自動計數(shù)粒度儀

• 原理：基于SPOS這一技術原理結合自動稀釋技術，檢測范圍覆蓋從納米級到微米級，能夠在檢測液體中顆粒數(shù)量的同時，精確測量顆粒的粒度分布；搭載新一代AccuSizer的軟件分析功能，能夠提供真實精細的分布結果，廣泛應用于精細化工、半導體、醫(yī)藥、光電及過濾等領域。

圖3.4 AcuSizer A7000 AD多功能自動計數(shù)粒度儀

1、PSI-20高壓微射流均質(zhì)機相比于傳統(tǒng)球磨技術，在粒徑控制、循環(huán)次數(shù)表現(xiàn)出更強的優(yōu)勢。

2、本次實驗中，原液D50在1478.8nm，經(jīng)過均質(zhì)后，D50達到了153.6nm，粒徑達到行業(yè)目標并且減少大顆粒團聚體殘留，提升分散穩(wěn)定性。

3、本次實驗中，樣品尾端大顆粒明顯減少，說明微射流均質(zhì)機對于樣品的尾端處理能力頗為優(yōu)秀。

4、本次處理樣品，處理前對比處理后，D10/D50/D90均在下降，可結合表3.1看出，粒徑從微米級別下降到亞微米級別，與我們顆粒計數(shù)器的測試圖，可以做到互相印證，即1μm以上的粒子數(shù)量明顯變少，1μm以下的粒子明顯增多。

5、PSI憑借固定孔徑的純金剛石交互容腔、穩(wěn)定的壓力輸出及精準的溫度控制，具備均質(zhì)效果穩(wěn)定、材質(zhì)潔凈合規(guī)、操作便捷、小試結果可線性放大至工業(yè)化生產(chǎn)等核心優(yōu)勢，有效解決了傳統(tǒng)球磨方法效率低、易污染、粒徑不均、批次穩(wěn)定性差的弊端

參考文獻

[1] 刁銳琦.農(nóng)業(yè)土壤化學肥料的使用對土壤的影響分析[J].吉林農(nóng)業(yè),2013(09), 24-26

[2] 朱兆良,金繼運.保障我國糧食安全的肥料問題[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2013， 19(2):259-273

[3] 許秀成,湯建偉,李萍.全球環(huán)境壓力下的增值肥料發(fā)展策略[J].磷肥與復肥, 2008，23(6):5-8

[4] 劉安勛,盧其明,曹玉江.納米復合材料對水稻生長發(fā)育的影響[J].植物營養(yǎng)與肥科學報,2007,13(2):344-347

[5] 劉鍵,張陽德,張志明。納米增效肥料對冬小麥產(chǎn)量及品質(zhì)影響的研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學,2008, 36(35):15578-15580