其他行業應用專題 | PSI微射流均質機在納米碳粉肥料中的應用

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業化應用的行業痛點，本文以PSI-20微射流均質機為核心制備設備，對納米碳粉溶液進行不同次數的均質處理，并采用Nicomp Z3000納米激光粒度儀對均質后樣品的粒徑分布及穩定性進行表征分析。實驗結果表明：納米碳粉原液D50為1478.8nm，經過九次均質處理后，D50降至153.6nm，多分散系數（PI）維持在0.26左右，體系均一性顯著提升；隨著均質次數增加，顆粒粒徑整體向小尺寸遷移，大顆粒被有效打散，分散穩定性大幅增強。與傳統球磨方法相比，PSI-20微射流均質機依托高壓微射流、剪切與空穴沖擊的協同作用，具有無金屬污染、制備效率高、粒徑可控、批次穩定性好等優勢，能夠從根本上破解納米碳粉團聚難題，實現納米碳粉肥料的高效均質與納米級穩定出料，為納米碳基肥料的配方優化、工業化制備及規模化應用提供了穩定可靠的技術支撐，助力農業綠色轉型與化肥減量增效目標的實現。

關鍵詞：微射流均質機；PSI；納米碳粉

在我國，人多地少，提高糧食單產成為應對我國糧食安全的重要措施。糧食的單產與肥料用量的相關性極顯著，所以要提高單產必須提高化肥用量，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材料不同，所以其成為世紀科學和技術革命的重要內容之一，將納米材料應用于肥料施用上，已經受到人們的關注，其在促進作物對養分的吸收方面，提高肥料利用率方面均表現出很好的發展前景^[3]。

納米碳是一種具有高表面能、尺度很小納米材料，在提高作物養分利用效率，促進作物生長發育方面的良好效果已在多種作物上顯現^[4]。2007年劉鍵和張志明第一次在傳統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效果十分顯著，并且對肥料的節約作用很是明顯，可節肥，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生自發團聚、顆粒堆疊，導致產品出現粒徑分布不均、大顆粒團聚體殘留、分散穩定性差、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模化、標準化產業化應用的核心瓶頸。

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

• 實驗樣品：納米碳粉溶液；

• 均質方法：1800bar壓力下均質九次，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均質前后粒徑分布變化疊加對比圖

• 表2.1中呈現數據為樣品原液及不同均質次數的粒徑分布，PI值為多分散系數，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過均質處理后，整體粒徑顯著下降，原液D50在1478.8nm，經過九次均質后，D50達到了153.6nm，說明高壓微射流均質機對于納米碳粉樣品處理有明顯效果。

  
  

• 圖2.1為均質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，隨著均質次數的增加，粒徑變小（向左遷移）。

圖2.2均質前后顆粒數變化疊加對比圖

 圖3.2為均質前后對比圖，可以很清晰看出，均質后（藍色）尾端大顆粒遠低于均質前（紅色），同時0.5μm-1μm的部分，均質后明顯增多，證明已經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據互相印證，即亞微米級粒子數明顯增加。

• 參數配置：本次實驗使用Z型交互容腔（87μm），均質壓力1800bar，外接冷水循環裝置，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固定幾何結構均質腔中的微管通道，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或乳化結果。

  
  

• 核心優勢

1. 均質效果穩定且優良

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

2. 材質潔凈度高且合規性強

機身通體采用316不銹鋼材質，符合醫藥領域衛生要求，數據可通過機身后側U盤導出，符合相關法規標準。

3. 操作便捷

搭載數字化顯示屏，便于操作，并且對物料不會產生污染。

• 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。動態光散射方法（DLS）從傳統的光散射理論中分離，關注瑞利散射區的小顆粒，主要用于檢測納米級別的分散體系。動態光散射是通過光強值的波動得到自相關函數，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），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、醫藥、光電及過濾等領域。

圖3.4 AcuSizer A7000 AD多功能自動計數粒度儀

1、PSI-20高壓微射流均質機相比于傳統球磨技術，在粒徑控制、循環次數表現出更強的優勢。

2、本次實驗中，原液D50在1478.8nm，經過均質后，D50達到了153.6nm，粒徑達到行業目標并且減少大顆粒團聚體殘留，提升分散穩定性。

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

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，與我們顆粒計數器的測試圖，可以做到互相印證，即1μm以上的粒子數量明顯變少，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、穩定的壓力輸出及精準的溫度控制，具備均質效果穩定、材質潔凈合規、操作便捷、小試結果可線性放大至工業化生產等核心優勢，有效解決了傳統球磨方法效率低、易污染、粒徑不均、批次穩定性差的弊端

參考文獻

[1] 刁銳琦.農業土壤化學肥料的使用對土壤的影響分析[J].吉林農業,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].植物營養與肥料學報,2013， 19(2):259-273

[3] 許秀成,湯建偉,李萍.全球環境壓力下的增值肥料發展策略[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育的影響[J].植物營養與肥科學報,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量及品質影響的研究[J]. 安徽農業科學,2008, 36(35):15578-15580