液体高硼微量元素水溶肥料的制备

Preparation of Liquid Trace Element Water-Soluble Fertilizer with High Boron Content

刘鹏 Peng LIU , 韩效钊 Xiaozhao HAN , 黄家祥 Jiaxiang HUANG , 张旭 Xu ZHANG , 刘昆 Kun LIU , 黄晗达 Handa HUANG

1 合肥工业大学化学与化工学院安徽合肥 230009 School of Chemistry and Chemical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China 2 合肥绿农肥业有限责任公司安徽合肥 230088 Hefei Green Farming Fertilizer Co., Ltd., Heifei 230088, China

Author notes:

Correspondence to: 韩效钊(1964—)，男，教授，从事新型肥料研究；hxzhgd@sina.com

摘要：

硼是植物生长发育所必需的微量营养元素之一，但传统硼肥(硼砂和硼酸)在常温下溶解速度很慢且溶解度很小。以硼砂和硼酸为原料，采用一锅煮合成法制取四水八硼酸二钠液体产物，试验考察了温度、原料质量比、反应时间、搅拌转速对反应的影响。在合成产物中加入硫酸铜、硫酸锌，制得液体高硼微量元素水溶肥料，微量元素总量超过100 g/L，其中含硼质量浓度达到65 g/L。

关键词：

硼砂; 硼酸; 微量元素; 水溶肥料;

Abstract：

The boron is one of necessary micronutrient elements for plant growth and development, but the traditional boron fertilizer, borax and boric acid have slow dissolving speed and very small solubility at normal temperature. Using borax and boric acid as raw material, adopting one-pot synthesis method, liquid product of disodium octaborate tetrahydrate is made, and the effects of temperature, mass ratio of raw materials, reaction time, agitation speed on reaction are studied. By adding copper sulfate and zinc sulfate into synthetic product, the liquid trace element water-soluble fertilizer with high boron content is prepared, the total trace elements are above 100 g/L, among which the boron mass concentration reaches 65g/L.

Keyword：

borax; boric acid; trace element; water-soluble fertilizer;

硼是植物生长发育所必需的微量营养元素之一。硼能加强作物的某些重要生理机能，是植物正常受精的必要保证^[1]。当缺乏足够的硼时，植物就无法完成授粉，也无法形成种子并结出果实，如油菜的“花而不实”、棉花的“蕾而不花”、果树的落花落果等病症就是由于硼的缺乏所致。因此，硼直接关系到粮食作物和经济作物的产量问题^[2]。

根据全国第2次土壤普查数据统计，全国耕种土壤缺硼面积多达5亿亩(1亩=666.67 m²)以上，大部分地区的耕地缺硼比例大于60%^[3]。为了提高土壤中的硼含量，最直接的方法就是施用硼肥。传统硼肥主要品种是硼砂和硼酸，但常温下的溶解速度很慢且溶解度很小，饱和溶液中硼含量也难以超过10 g/L。为此，对液体高硼微量元素水溶肥料的制备开展了试验研究。

1 主要仪器与试剂

主要仪器：可见分光光度计，VIS-7220N，北京北分瑞利分析仪器(集团)公司；电热恒温鼓风干燥箱，DHG-9023A，上海精宏实验设备有限公司；数字控温电热套，HDM-250，江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司；电子分析天平，AUY120，岛津公司；电子天平，YP402N，上海精密科学仪器有限公司。

主要试剂：四硼酸钠(Na₂B₄O₇·10H₂O)、硼酸(H₃BO₃)、氢氧化钠(NaOH)、盐酸(HCl)、乙酸铵(CH₃COONH₄)、乙二胺四乙酸二钠(EDTA)、抗坏血酸(C₆H₈O₆)、硫酸铜(CuSO₄·10H₂O)、硫酸锌(ZnSO₄·7H₂O)，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；甲亚胺－H酸(C₁₇H₁₃NO₈S₂)，分析纯，上海笛柏化学品技术有限公司；硼酸(H₃BO₃)，优级纯，国药集团化学试剂有限公司。

2 试验内容

2.1 试验方法

一锅煮合成法：将一定量的硼砂和硼酸加入烧瓶中，加入一定量的蒸馏水，然后将烧瓶置于电热套中控温加热，同时启动搅拌器，反应一段时间后得到的产品可直接作为液体硼肥。硼酸与硼砂反应如下^[4-5]：

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;\;{\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{{\rm{B}}_{\rm{4}}}{{\rm{O}}_{\rm{7}}}{\rm{\cdot10}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 4}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{B}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}} \to {\rm{N}}{{\rm{a}}_{\rm{2}}}{{\rm{B}}_{\rm{8}}}{{\rm{O}}_{{\rm{13}}}}{\rm{\cdot}}\\ {\rm{4}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O + 12}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \end{array} $

在原料中加入一定量的硫酸铜、硫酸锌，可制备出符合农业行业标准《微量元素水溶肥料》(NY 1428—2010)^[6]要求的含有硼、铜、锌微量元素的水溶肥料。

1.2 分析测定

产物中的硼含量采用甲亚胺-H酸分光光度法测定^[7]。

1.3 标准曲线的绘制

(1) 配制硼标准溶液(Ⅰ)：称取预先干燥24 h的优级纯硼酸5.720 g，加入10 mL水温热溶解，用1 000 mL容量瓶定容。

(2) 配制硼标准溶液(Ⅱ)：吸取5.0 mL硼标准溶液(Ⅰ)，采用250 mL容量瓶定容，使用时现配。

(3) 标准曲线的绘制：分别吸取硼标准溶液(Ⅱ) 0.0，0.5，1.0，2.0和4.0 mL于5个50 mL干燥烧杯中，各加入10 mL EDTA溶液，用氢氧化钠溶液和盐酸溶液调节pH至5.0，然后分别加入5 mL乙酸铵缓冲溶液和5 mL显色剂溶液，转移至50 mL容量瓶中，加水稀释至刻度，摇匀，于室温下避光放置3 h。在波长415 nm处，以含硼质量浓度0.0 μg/mL的标准溶液为参比溶液，用分光光度计测定5个样品的吸光度，测得的硼标准曲线数据见表 1；以硼质量浓度为横坐标、测得的吸光度为纵坐标绘制的硼标准曲线如图 1所示^[6]；根据测定数据拟合的硼标准曲线线性方程为Y=0.156X+0.000 4，线性相关系数为0.999 89。

表 1

标准曲线数据

吸取硼标准溶液(Ⅱ)体积/mL	硼质量浓度/ (μg·mL^-1)	吸光度A
0.0	0.0	0.000
0.5	0.2	0.030
1.0	0.4	0.064
2.0	0.8	0.127
4.0	1.6	0.249

图 1

硼标准曲线

2 试验结果与分析

2.1 原料质量比对硼含量的影响

控制反应温度110 ℃、搅拌转速80 r/min、反应时间30 min，考察不同原料质量比(硼砂与硼酸质量比)对产物硼含量的影响，试验结果如图 2所示。

图 2

原料质量比对硼含量的影响

由图 2可知：在一定范围内，随着原料质量比的增大，产物中的硼含量逐渐增加；当原料质量比为1.5时，产物中的硼含量不再增加，这是由于原料中的硼酸已经完全反应，多余的硼砂没有反应也不能完全溶解在溶液中，会以晶体的形式析出，导致产物中的硼含量不再增加。

2.2 反应温度对硼含量的影响

控制原料质量比1.5、搅拌转速80 r/min、反应时间30 min，考察不同反应温度对产物硼含量的影响，试验结果如图 3所示。

图 3

反应温度对硼含量的影响

由图 3可知：在一定范围内，随着反应温度的升高，产物中的硼含量逐渐增加；当反应温度达到110 ℃时，溶液出现沸腾现象。

2.3 搅拌转速对硼含量的影响

控制原料质量比1.5、反应温度110 ℃、反应时间30 min，考察不同搅拌转速对产物硼含量的影响，试验结果如图 4所示。

图 4

搅拌转速对硼含量的影响

由图 4可以发现：搅拌转速的加快有利于反应的进行，可使产物中的硼含量增加；当搅拌转速达到80 r/min以后，搅拌转速对反应产物中硼含量的影响较小。

2.4 反应时间对硼含量的影响

控制原料质量比1.5、反应温度110 ℃、搅拌转速80 r/min，考察不同反应时间对产物硼含量的影响，试验结果如图 5所示。

图 5

反应时间对硼含量的影响

由图 5可知：在一定范围内，随着反应时间的延长，产物中的硼含量不断增加；当反应时间超过30 min后，产物中的硼含量基本维持稳定。

3 液体高硼微量元素水溶肥料的制备

由图 5可知，在较适宜的反应条件下制备的产品硼含量最高不会超过70 g/L。为了使产物达到NY 1428—2010的要求，先在原料质量比1.5、反应温度110 ℃、搅拌转速80 r/min的条件下反应30 min，然后加入一定量的硫酸铜和硫酸锌^[8-9]，调节产物的pH，得到稳定的不透明液体产物。采用甲亚胺－H酸分光光度法测定产物中的硼和原子吸收分光光度法测定产物中的铜和锌的含量，测定结果分别为65.2，17.8和18.4 g/L，总含量为101.4 g/L。

4 结语

以硼砂和硼酸为原料合成四水八硼酸二钠，传统的方法是将该产物用高速离心干燥机离心干燥，得到的固体产品中硼含量较高且易溶于水，但干燥过程需要消耗能量，使用时需加水溶解并稀释。采用本试验得到的优化反应条件，取消干燥过程，再加入硫酸铜和硫酸锌，制备出液体型含锌、铜的高硼微量元素水溶肥料，微量元素总量为101.4 g/L，产品符合NY 1428—2010的要求；产品中硼含量较高，可以达到65 g/L。

ckwx 参考文献

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刘晓燕.我国农田土壤肥力和养分平衡状况研究[D].北京: 中国农业科学院, 2008.

张洪卫.四水八硼酸二钠的制备方法: 201210244199.3[P].2014-1-29.

田杰.一种新型速溶硼肥的研制与应用[J].安徽农学通报, 2007(23): 47-47.

中华人民共和国农业部.微量元素水溶肥料: NY 1428—2010[S].北京: 中国农业出版社, 2010.

中华人民共和国农业部.水溶肥料铜、铁、锰、锌、硼、钼含量的测定: NY/T 1974—2010[S].北京: 中国农业出版社, 2010.

韩效钊, 黄晗达, 吴云, 等.液体型有机硼锌肥制备及应用效果[C]//全国功能性肥料研究开发暨新产品、新工艺、新设备交流研讨会论文集.2014: 56-63.