包含营养素的压实型氯化钾肥料及其制备方法

包含营养素的压实型氯化钾肥料及其制备方法
【专利摘要】本发明提供一种颗粒状凝聚MOP肥料，其具有一种或多种微量营养素，以及一种或多种粘合剂成分。该肥料通过压实MOP给料和一种或多种微量营养素以及一种或多种可选择的粘合剂以形成凝聚MOP组合物来制备。然后对凝聚MOP组合物进行进一步处理——例如破碎和筛选——以形成包含微量营养素的凝聚颗粒状MOP产品。该处理产生具有更好的元素和颗粒尺寸分布的包含微量营养素的肥料产品，而不降低处理和存储质量。
【专利说明】包含营养素的压实型氯化钾肥料及其制备方法
[0001]相关申请
[0002]本发明要求享有2011年8月4日提交的第61/514，952号美国临时申请的优先权，该申请的全文以引用的方式合并入本发明。
【技术领域】
[0003]本发明总体涉及肥料组合物，具体地，本发明涉及通过压实工艺将微量营养素夹带入氯化钾肥料中。
【背景技术】[0004]植物必需的营养素包括主要营养素、次要或大量营养素、以及痕量或微量营养素。主要营养素包括碳、氢、氧、氮、磷、和钾。碳和氧从空气中吸收，而其他营养素包括水(氢的来源)、氮、磷、和钾从土壤中获得。包含氮、磷、和/或钾的来源的肥料用于补充缺少这些营
养素的土壤。
[0005]根据传统肥料标准，肥料的化学组成或分析以必需的主要营养素氮、磷、和钾的百分比(以重量计)表示。更具体地，当表示肥料配方时，第一个数字代表以元素基准表示为“总氮” (N)的氮的百分比，第二个数字代表以氧化物为基准表示为“有效磷酸”(P2O5)的磷的百分比，以及第三个数字代表同样以氧化物为基准表示为“有效氧化钾”(K2O)的钾的百分比，或者另外公知为表达式(N-P2O5 - K2O)。
[0006]尽管磷和钾的量以他们的氧化物形式表示，但在肥料中并没有P2O5或1(20。磷最常见地以磷酸二氢钙存在，但是也以其他磷酸钙或磷酸铵出现。钾通常是氯化钾或硫酸钾形式。使用以下公式能够完成从P和K的氧化物形式向元素形式(N-P-K)的换算:
[0007]%Ρ=%Ρ205χ0.437%Κ=%Κ20 x0.826
[0008]%Ρ205=%Ρ χ2.29%Κ20=%Κ xl.21
[0009]另外公知为氯化钾KCl的氯化钾(MOP)是一种农业肥料，并且是最常见的钾肥来源。MOP通常通过传统的开采或溶液采矿技术从自然形成的地下矿产资源中提取。一旦被提取，MOP能够根据个别消费者期望被处理成适合特定工业、化工、人类或动物营养素或农业应用的许多不同的成品形式或KCl产品。
[0010]为了农业消费的目的，成品MOP通常是以颗粒形式出售。其纯度和颗粒尺寸可以根据产品将要投入的最终使用变化。该颗粒采用所属领域的技术人员公知的破碎和筛选工艺生产，例如通过压实和随后的破碎和筛选，由此将大块的MOP破碎成较小的颗粒。压实意味着MOP给料在高压下的连续辊压，在所得产物中产生材料的凝聚。MOP的分级，以及因此其市场价值也依赖于产品的纯度和颗粒尺寸。为了特定需要，MOP通常筛分到期望的粒度。
[0011]一种典型的MOP原料具有相当于食盐的颗粒尺寸，该尺寸小于期望的颗粒尺寸，为了获得更大的颗粒，首先采用压实工艺一例如简单的辊压机或类似设备一压实该原料以生产薄片状凝聚产品。随后的处理通常包括将MOP薄片受控破碎成颗粒，然后通过筛分或行业中公知的其他分类方法将这些颗粒分类成期望的尺寸范围。标准行业公知的辊压机(roll compactor)的一个非限定性示例是可以从伊利诺州伍德戴尔市(Wood Dale, IL)的K.R.Komarek股份有限公司购买的K.R.KomarekJ s B220B压实机(或任何“B”型或高压压块及压实机器)。
[0012]除了主要营养素之外，例如通过添加到土壤中的MOP肥料提供给植物的钾、微量营养素和次要营养素对于植物生长同样是必需的。所需的这些营养素的量比主要营养素的量少得多。次要营养素可以包括，但是不限于硫(S04)、钙(Ca)、镁(Mg)或它们的结合。微量营养素可以包括，但是不限于，例如硼⑶、锌(Zn)、锰(Mn)、镍(Ni)、钥(Mo)、铜(Cu)、铁(Fe)、氯(Cl)、或它们的结合。为了简单起见，从此处开始以及在整个说明书中，术语“微量营养素”指的是并包括次要营养素和微量营养素。
[0013]微量营养素应用于农作物的一种常见方法是土壤施用。建议的施用量通常是小于以元素为基准的IOIb/英亩。单独的微量营养素在这样低的用量下的施用是困难的，并且易于导致差的分布均匀度。微量营养素包含在混合的肥料中是一种传统的施用方法，并且一些方法允许利用传统施用设备实现更加一致的分布。通过消除单独施用步骤还降低了成本。伴随混合肥料施用微量营养素的四种方法可以包括在制造期间掺入、与颗粒肥料混掺、涂覆在颗粒肥料和种子上、以及与液体除草剂或液体肥料混合。
[0014]与颗粒肥料混掺是混掺微量营养素化合物和磷、氮和钾肥的实践。这一实践的主要优点是能够产生将以常规肥料施用量为给定的田地提供建议的微量营养素用量的肥料等级。主要缺点是在混合操作及随后处理过程中会发生营养素的偏析。微量营养素的颗粒尺寸通常较小，这可能引起混掺中的偏析。为了减少或防止处理及运输过程中的粒度偏析，理想的微量营养素颗粒必须接近与磷、氮和钾颗粒相同的尺寸。由于植物营养需要非常小数量的微量营养素，该实践已经导致微量营养素颗粒不均匀分布并且通常距离大多数植物太远而不能立即受益，由于在整个生长季节多数微量营养元素只在土壤溶液中移动几毫米。
[0015]涂层降低了偏析的可能性。然而，一些表面粘合材料并不能令人满意，因为在装袋、存储和处理过程中它们不能保持微量营养素涂层，这导致微量营养素来源从颗粒状肥料组分中偏析。
[0016]已经采取步骤以减少偏析问题，例如像名称为“含硫肥料组合物及其制备方法”的美国专利第6，544，313号描述的肥料部分的硫或硫片晶的情况，以及名称为“生产具有微量营养素的肥料的方法”的美国专利第7，497，891号描述的微量营养素的情况，通过引用的方式将这两者的全文合并于此。然而，这一制备方法针对制粒工艺。
[0017]一些微量营养素微粒化和压实应用存在于氯化钠(盐)和硫酸镁石(一水硫酸镁)这样的产品中；然而从发明人的认知来说，采用辊压机将微量营养素包含在主要营养素——例如MOP——中在现有技术中是未知的。
[0018]微量营养素的添加历来在MOP矿工和磨工处理范畴外的下游操作中完成。增加农作物产量以便满足不断增长的世界人口是显而易见的长期需要。因此仍然存在经济地制造包含一种或多种微量营养素的压实、破碎并筛选的、颗粒状MOP增值肥量产品的需要，其最大化将微量营养素引入土壤溶液并且最终到达植物根部区域。

【发明内容】
[0019]本发明的实施例包括具有一种或多种微量营养素的凝聚颗粒MOP肥料，这些微量营养素，例如，但是不限于硼(B)、锌(Zn)、锰(Mn)、钥(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、氯(Cl)、元素形式的硫(S)、氧化硫酸盐形式的硫(SO4),以及它们的不同浓度的结合。该肥料还可以包括压实助剂、着色剂和/或一种或多种例如六偏磷酸钠(SHMP)这样的粘合组分。微量营养素在压入MOP时保持可溶，并且在采用标准肥料实践施用时容易溶解。
[0020]根据本发明的实施例，该肥料通过将MOP给料和一种或多种微量营养素及一种或多种可选的粘合剂压实形成凝聚的MOP产品来制备。然后对该凝聚的MOP产品进行进一步处理——例如通过破碎和筛选——以形成包含微量营养素的凝聚颗粒状MOP产品。该方法产生包含微量营养素的肥料产品，与前述微量营养素应用相比，该产品具有优良的或更加均匀的元素和颗粒尺寸分布，而不影响处理或存储质量。与现有的干施方法相比，包含微量营养素的肥料的分散均匀性允许个别植物更好地使用微量营养素。
[0021]本发明的上述概括并不旨在描述本发明的每一个说明性实施例或所有实施方式。下面的详细的说明书更加具体地列举了这些实施例。【专利附图】

【附图说明】
[0022]图1是微量营养素注入MOP给料的工艺流程图。
[0023]图2是显示赫西(Hersey) 0-0-62M0P (基于N-P2O5-K2O)附加了微量营养素(HM)的样品的破损结果的图表。
[0024]图3是显示卡尔斯巴德(Carlsbad) 0-0-60M0P (基于N-P2O5-K2O)附加了微量营养素的、使用硫的测试产品MOP的产量的图表。
[0025]图4是显示卡尔斯巴德0-0-60M0P (基于N-P2O5-K2O)附加了微量营养素的、使用钥的测试产品MOP的产量的图表。
[0026]图5是显示卡尔斯巴德0-0-60M0P (基于N-P2O5-K2O)附加了微量营养素的测试产品MOP的破损结果的图表。
[0027]图6是显示卡尔斯巴德0-0-60M0P (基于N-P2O5-K2O)附加了微量营养素的测试产品MOP的粉化结果的图表。
[0028]图7是显示卡尔斯巴德0-0-60M0P (基于N-P2O5-K2O)附加了微量营养素的测试产品MOP的吸湿结果的图表。
[0029]图8是卡尔斯巴德0-0-60M0P (基于N-P2O5-K2O)附加了微量营养素的最终测试产品MOP的照片。
[0030]图9是根据本发明的一个实施例的包含微量营养素的压实MOP颗粒样品的X射线能谱分析(EDS)谱图。
[0031]图10是图9样品的扫描电子显微镜(SEM)显微照片。
[0032]图1lA是图10的SEM中的氯的EDS图。
[0033]图1IB是图10的SEM中的钾的EDS图。
[0034]图1IC是图10的SEM中的锰的EDS图。
[0035]图1lD是图10的SEM中的钠的EDS图。
[0036]图1lE是图10的SEM中的锌的EDS图。
[0037]图1lF是图10的SEM中的氧的EDS图。[0038]图1IG是图10的SEM中的硫的EDS图。
[0039]图12A是根据本发明的一个实施例的包含微量营养素的压实MOP的粉碎颗粒样品的EDS谱图。
[0040]图12B是图12A中的包含微量营养素的压实MOP的完整颗粒样品的EDS谱图。
[0041]尽管本发明能够修改为不同的变型和替代形式，其细节已经通过举例方式在附图中示出并将详细描述。然而应该理解的是，目的不是将本发明限定于所描述的具体实施例。相反，其意图在于覆盖属于本发明主旨和范围内的所有变型、等同物、及替代方案。
【具体实施方式】
[0042]根据本发明的实施例的凝聚肥料颗粒产品总体包括MOP肥料基体和一种或多种微量营养素(或次要营养素)，这些微量营养素包括，但是不限于硼(B)、锌(Zn)、锰(Mn)、钥(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、铁(Fe)、氯(Cl)、元素形式的硫⑶、氧化硫酸盐形式的硫(SO4)，以及他们的不同浓度的结合。如上所述，术语“微量营养素”指的是并且包括次要营养素和微量营养素。一种或多种微量营养素的浓度范围可以从约0.001到约99.99重量百分比，并且更具体地从约0.001到约10重量百分比。
[0043]MOP肥料基体可以是任何市场上可买到的MOP来源，例如，但是不限于如具有从约20重量百分比到约80重量百分比范围的K2O成分(按N-P2O5-KxO的比例)的MOP给料。在一个具体的非限定性示例中，MOP给料的化学分析是0-0-60wt%(重量百分比)；在另一非限定性示例中，MOP给料的化学分析是0-0-62wt% ;在又一非限定性示例中，MOP给料的化学分析是 0-0-55wt% ；
[0044]正如在名称为“压实的颗粒状氯化钾及其生产方法和设备”、通过引用方式全文合并于此的美国专利第7，727，501号所述，该肥料还可以包括一种或多种粘合剂或组分，以便改善成品的压实颗粒状MOP产品的强度和处理性能，因此在处理或运输过程中该颗粒不大可能磨损或分解。粘合剂是添加到压实线路的给料中以改善压实颗粒的强度和性能的化学物质。在向压实混合物提供粘结性能的同时，该粘合剂起到隔离或螯合MOP给料中的杂质的作用。粘合剂可以包括，例如六偏磷酸纳(SHMP)、焦磷酸四钠(TSPP)、焦磷酸四钾(TKPP)、三磷酸钠(STPP)、磷酸氢二铵(DAP)、磷酸一铵(MAP)、颗粒状磷酸一铵(GMAP)、硅酸钾、硅酸钠、淀粉、右旋糖酐、木质素磺酸盐、膨润土、蒙脱石、高岭土、或它们的结合。除了粘合剂之外或者替代粘合剂，一些微量营养素本身可以作为粘合剂来改善颗粒强度。
[0045]根据本发明的一个实施例，通过将一种或多种微量营养素混合到压实线路的MOP给料中制得包含微量营养素的凝聚颗粒状MOP肥料。微量营养素可以在压实之前添加到给料。该混合的MOP原料的压实和之后传统的进一步处理——例如破碎和筛选——产生包含遍及颗粒产品均匀分布的微量营养素的凝聚MOP肥料颗粒。
[0046]用于生产压实的颗粒状MOP的生产线或生产线路总体包括材料给料设备，例如带式输送机、气动输送机等等，其将不同的颗粒MOP流、筛分、回收的或丢弃的MOP材料、一种或多种微量营养素、以及一种或多种可选的粘合剂输入到压实机。然后压实机在高压下将给料压实成凝聚MOP 中间薄片或块状物，然后这些薄片或块状物可以被破碎、分类、调整大小、或另外再修整成期望的成品MOP产品。
[0047]图1是说明本发明的生产方法的一个预期实施例所包含的步骤的流程图。特别地，图1示出了生产线路的MOP给料中微量营养素的注入。该微量营养素可以在线路的不同位置由注射器添加到MOP给料中，该注射器包括计量装置以允许更加精确地控制添加到每单位MOP给料的每个组分的数量。
[0048]在微量营养素和可选择的粘合剂添加到MOP给料之后，混合添加物和MOP给料。混合步骤可以通过允许这些材料在它们通过给料机构联合运输的过程中汇集或混合来被动地发生，或者可选择地可以具有添加到MOP生产线路中处在注射器和压实机之间的具体混合设备，以便在压实之前提供更加强力或主动的微量营养素、可选择的粘合剂、和MOP给料的混合。
[0049]现在与微量营养素恰当混合的混合MOP给料紧接着被压实。压实过程可以使用传统的压实设备如辊压机及或类似设备完成。然后采用例如破碎、筛分方法或其他适合生产期望的颗粒尺寸或类型的制成品的传统分类方法将凝聚的中间产品进一步加工成期望的颗粒状制成品。这些步骤也在图1的流程图中示出。
[0050]在本发明的一个具体实施例中，理想情况是将多于一种的不同微量营养素组合，这可以通过注入预混合的多种微量营养素的组合实现，或者另外通过将期望数量的微量营养素单独放置或注入到MOP中实现。将要理解的是，允许一种或多种微量营养素和/或粘合剂同时或者单独加入MOP给料的任何伴随过程或设备的变型预期处于本发明范围内。
[0051]以下典型示例进一步定义了本发明的实施例。
[0052]示例 I
[0053]生产了许多与不同微量营养素压实的MOP肥料组合物并评价了其技术可行性。由美国密歇根马赛克赫西钾盐矿(此后称“马赛克赫西”)提供的MOP给料与不同的微量营养素以不同浓度压实。MOP的化学分析为以重量计98.8%的KC1，以重量计1.1%的氯化钠(NaCl), 283ppm 的?丐(Ca), Ilppm 的铁(Fe), 59ppm 的镁(Mg),和 287ppm 的硫酸盐(SO4)。MOP给料的总的水分含量计为以重量计0.1439%。由马赛克赫西提供的MOP给料材料是采用溶液采矿技术生产的0-0-62%K20成品(以术语N-P2O5-K2O表示)。MOP给料是白颜色的，这是由溶液采矿技术生产的MOP的固有特征。
[0054]在赫西微量营养素(HM)样品(下表1)的生产中使用的微量营养素包括硼(四硼酸钠Na2B4O7形式)、锌(一水硫酸锌ZnSO4.H2O形式)、锌(氧化锌ZnO形式)、锰(硫酸锰MnSO4.H2O形式)、和/或钥(二水钥酸钠Na2MoO4.2H20形式)。
[0055]生产以下组合物(此后的“ HM产品”):
[0056]表1测试运行的微量营养素描述
[0057]
【权利要求】
1.一种包含一种或多种微量营养素的凝聚MOP产品，该MOP产品由压实的MOP组合物形成，其特种在于，该组合物包含: 氯化钾，其量为从大约99.999重量百分比到大约0.001重量百分比； 至少一种微量营养素组分，其量为从大约0.001重量百分比到99.999重量百分比，其中至少一种微量营养素组分中的每一种可作为化合物中的金属离子。
2.如权利要求1所述的MOP产品，其特征在于，该MOP产品包含多个通过将压实的MOP组合物破碎并进行大小分类形成的凝聚MOP颗粒。
3.如权利要求2所述的MOP产品,其特征在于,至少一种微量营养素组分在每一个凝聚MOP颗粒中均匀分布，因此，与未压实的干混合物相比，其适用于向种植区域提供微量营养素的均匀施用以促进微量营养素更好地进入种植区域中植物的根部区域。
4.如权利要求2所述的MOP产品，其特征在于，多个凝聚MOP颗粒具有实质上均匀的尺寸分布，以减少或消除材料处理及运输过程中由于颗粒尺寸迁移引起的偏析。
5.如权利要求1所述的MOP产品，其特征在于，氯化钾的来源包含Μ0Ρ，其具有基于N-P2O5-K2O规约的0-0-60重量百分比的K2O或0-0-62重量百分比的K2O的化学组成。
6.如权利要求5所述的MOP产品，其特征在于，氯化钾来源包含Μ0Ρ，其具有基于N-P2O5-K2O规约的0-0-60重量百分比的K2O的化学组成。
7.如权利要求5所述的MOP产品，其特征在于，氯化钾来源包含Μ0Ρ，其具有基于N-P2O5-K2O规约的0-0-62重量百分比的K2O的化学组成。
8.如权利要求1所述的MOP产品，其特征在于，至少一种微量营养素选自包含硼(B)、锌(Zn)、锰(Mn)、钥(Mo)、镍(Ni)、铁(Fe)JH (Cu)、元素形式的硫(S)、氧化硫酸盐形式的硫(SO4)、以及他们的结合的群组。
9.如权利要求1所述的MOP产品,其特征在于,一种或多种微量营养素在组合物中存在的量为从大约0.001到大约10重量百分比。
10.如权利要求1所述的MOP产品，其特征在于，组合物进一步包含粘合剂。
11.如权利要求10所述的MOP产品，其特征在于，粘合剂选自由六偏磷酸纳(SHMP)、焦磷酸四钠(TSPP)、焦磷酸四钾(TKPP)、三磷酸钠(STPP)、磷酸氢二铵(DAP)、磷酸一铵(MAP)、颗粒状磷酸一铵(GMAP)、硅酸钾、硅酸钠、淀粉、右旋糖酐、木质素磺酸盐、膨润土、蒙脱石、高岭土、或它们的组合构成的群组。
12.—种制备包含微量营养素的凝聚MOP产品的方法,其特征在于,包含: 提供MOP组合物，其包含从大约99.999重量百分比到大约0.001重量百分比的量的氯化钾，以及从大约0.001重量百分比到大约99.999重量百分比的至少一种微量营养素组分，其中至少一种微量营养素组分中的每一种可作为化合物中的金属离子； 压实MOP组合物以形成压实的MOP组合物； 将MOP组合物破碎成颗粒以生产凝聚MOP产品。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包含: 根据尺寸将凝聚MOP产品颗粒分类。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，颗粒的尺寸分布实质上是均匀的，并且不均匀的颗粒重新调整尺寸直到其一致。
15.如权利要求12所述的方法,其特征在于,至少一种微量营养素选自由硼(B)、锌(Zn)、锰(Mn)、钥(Mo)、镍(Ni)、铜(Cu)、元素形式的硫⑶、氧化硫酸盐形式的硫(SO4)、以及他们的组合组成的群组。
16.如权利要求12所述的方法，其特征在于，提供MOP组合物包含向氯化钾提供多种微量营养素，每一种微量营养素单独加入并且在压实之前进行混合。
17.如权利要求12所述的方法，其特征在于，提供MOP组合物包含向氯化钾提供多种微量营养素，微量营养素在加入氯化钾之前整批混合。
18.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包含在压实之前向MOP组合物加入粘合剂。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，粘合剂选自由六偏磷酸纳(SHMP)、焦磷酸四钠(TSPP)、焦磷酸四钾(TKPP)、三磷酸钠(STPP)、磷酸氢二铵(DAP)、磷酸一铵(MAP)、颗粒状磷酸一铵(GMAP)、硅酸钾、硅酸钠、淀粉、右旋糖酐、木质素磺酸盐、膨润土、蒙脱石、高岭土、或它们的组合构成的群组。
20.如权利要求12所述的方法,其特征在于,一种或多种微量营养素在组合物中存在的量为从大约0.001到大约10重量百分比。
【文档编号】C05B15/00GK103930387SQ201280049326
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2012年8月2日 优先权日:2011年8月4日
【发明者】戴尔·弗格森, 罗纳德·奥尔森, 凯里·海恩比格纳 申请人:莫斯霍汀有限公司