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摘要：针对纳米碳粉肥料水分散体系中易团聚、粒径分布不均、大颗粒残留多，进而影响肥料功能与产业化应用的行业痛点，本文以PSI-20微射流均质机为核心制备设备，对纳米碳粉溶液进行不同次数的均质处理，并采用Nicomp Z3000纳米激光粒度仪对均质后样品的粒径分布及稳定性进行表征分析。实验结果表明：纳米碳粉原液D50为1478.8nm，经过九次均质处理后，D50降至153.6nm，多分散系数（PI）维持在0.26左右，体系均一性显著提升；随着均质次数增加，颗粒粒径整体向小尺寸迁移，大颗粒被有效打散，分散稳定性大幅增强。与传统球磨方法相比，PSI-20微射流均质机依托高压微射流、剪切与空穴冲击的协同作用，具有无金属污染、制备效率高、粒径可控、批次稳定性好等优势，能够从根本上破解纳米碳粉团聚难题，实现纳米碳粉肥料的高效均质与纳米级稳定出料，为纳米碳基肥料的配方优化、工业化制备及规模化应用提供了稳定可靠的技术支撑，助力农业绿色转型与化肥减量增效目标的实现。

关键词：微射流均质机；PSI；纳米碳粉

在我国，人多地少，提高粮食单产成为应对我国粮食安全的重要措施。粮食的单产与肥料用量的相关性极显著，所以要提高单产必须提高化肥用量，但增加化肥用量会对水体、土壤等造成污染，带来一些环境问题，解决这个问题的主要途径是提高肥料利用率^[1]。而且我国肥料利用率与发达国家相比普遍偏低，我国的肥料利用率还有较大的提高空间^[2]过去我们提高肥料利用率主要是釆用改变施肥方式的方法，近年来，人们渐渐开始将研制新型肥料作为提高肥料利用率的主要方法，目前，新型肥料主要有新型缓控释肥料，生物肥料，有机肥料，多功能性肥料等。纳米材料具有的特殊特性与传统材料不同，所以其成为世纪科学和技术革命的重要内容之一，将纳米材料应用于肥料施用上，已经受到人们的关注，其在促进作物对养分的吸收方面，提高肥料利用率方面均表现出很好的发展前景^[3]。

纳米碳是一种具有高表面能、尺度很小纳米材料，在提高作物养分利用效率，促进作物生长发育方面的良好效果已在多种作物上显现^[4]。2007年刘键和张志明第一次在传统肥料中添加了纳米碳材料，其在田间对水稻、小麦、玉米、大豆及多种蔬菜作物进行试验，结果表明，纳米碳对蔬菜的增产效果十分显著，并且对肥料的节约作用很是明显，可节肥，与此同时纳米碳还可以使蔬菜早熟^[5]。

纳米碳粉自身具有高比表面积、高表面能的特性，在水分散体系中极易发生自发团聚、颗粒堆叠，导致产品出现粒径分布不均、大颗粒团聚体残留、分散稳定性差、易沉降分层等一系列技术难题。这不仅大幅削弱其应有的功能特性，还严重影响肥料产品的均一性与施用效果，成为制约纳米碳基肥料从实验室走向规模化、标准化产业化应用的核心瓶颈。

依托PSI 高压微射流均质技术，能够从根本上破解纳米碳粉肥料的分散稳定难题。该技术通过超高压瞬时射流、高强度剪切与空化冲击的协同作用，可高效打散顽固团聚体，精准控制颗粒粒径，实现物料的纳米级均匀分散，同时显著提升体系稳定性，避免后续沉降与二次团聚，真正达成高效均质、纳米级稳定出料的理想效果。这一技术方案为纳米碳基新型肥料的配方优化、工业化制备与规模化生产提供了稳定可靠的一体化解决方案，可有力推动纳米功能肥料产业落地。

• 实验样品：纳米碳粉溶液；

• 均质方法：1800bar压力下均质九次，出料温度控制在25-35℃；

• 表征方法：采用Nicomp Z3000纳米粒度仪测试粒径分布；

表2.1粒径测试结果

图2.1均质前后粒径分布变化叠加对比图

• 表2.1中呈现数据为样品原液及不同均质次数的粒径分布，PI值为多分散系数，主要反映体系的均一性，PI值越小，粒径越均一，即谱图会更窄。纳米碳粉溶液样品经过均质处理后，整体粒径显著下降，原液D50在1478.8nm，经过九次均质后，D50达到了153.6nm，说明高压微射流均质机对于纳米碳粉样品处理有明显效果。

  
  

• 图2.1为均质前后粒径分布变化叠加对比图，图中分别为原液（粉）、处理一次（蓝）、处理三次（绿）、处理七次（红）、处理九次（浅绿），可以清晰看到，随着均质次数的增加，粒径变小（向左迁移）。

图2.2均质前后颗粒数变化叠加对比图

 图3.2为均质前后对比图，可以很清晰看出，均质后（蓝色）尾端大颗粒远低于均质前（红色），同时0.5μm-1μm的部分，均质后明显增多，证明已经将尾端大颗粒打碎至小颗粒。

可以看出尾端大颗粒去除效果与粒径数据互相印证，即亚微米级粒子数明显增加。

• 参数配置：本次实验使用Z型交互容腔（87μm），均质压力1800bar，外接冷水循环装置，控制出料端温度范围为25-35℃；

  
  

• 工作原理：通过气动或电液传动的增压器使物料在高压作用下以极大的速度流经固定几何结构均质腔中的微管通道，物料流在此过程中受到超高剪切力、超高碰撞力、空穴效应等物理作用，使得平均粒径降低、体系分散更加均一，由此获得理想的均质或乳化结果。

  
  

• 核心优势

1. 均质效果稳定且优良

固定孔径的纯金刚石交互容腔，通过稳定压力输出超高剪切力、超高碰撞力，可以保证出料稳定均一。并且交互腔内壁光滑度高，小试结果可以线性放大到生产型设备，同时保证生产效果。

2. 材质洁净度高且合规性强

机身通体采用316不锈钢材质，符合医药领域卫生要求，数据可通过机身后侧U盘导出，符合相关法规标准。

3. 操作便捷

搭载数字化显示屏，便于操作，并且对物料不会产生污染。

• 表征设备----Nicomp Z3000纳米激光粒度仪

• 原理：Nicomp®3000系列纳米激光粒度仪采用动态光散射原理检测分析样品的粒度分布。其主要用于检测纳米级别及亚微米级别的体系，粒径检测范围0.3nm-10μm。动态光散射方法（DLS）从传统的光散射理论中分离，关注瑞利散射区的小颗粒，主要用于检测纳米级别的分散体系。动态光散射是通过光强值的波动得到自相关函数，从而获得衰减时间常量τ，进而计算获得粒子的扩散速度D（Diffusion Coefficient，扩散系数），代入Stokes-Einstein方程式，就可以计算得到颗粒的半径。

图3.3 Nicomp Z3000纳米激光粒度仪

• 表征设备----AcuSizer 多功能自动计数粒度仪

• 原理：基于SPOS这一技术原理结合自动稀释技术，检测范围覆盖从纳米级到微米级，能够在检测液体中颗粒数量的同时，精确测量颗粒的粒度分布；搭载新一代AccuSizer的软件分析功能，能够提供真实精细的分布结果，广泛应用于精细化工、半导体、医药、光电及过滤等领域。

图3.4 AcuSizer A7000 AD多功能自动计数粒度仪

1、PSI-20高压微射流均质机相比于传统球磨技术，在粒径控制、循环次数表现出更强的优势。

2、本次实验中，原液D50在1478.8nm，经过均质后，D50达到了153.6nm，粒径达到行业目标并且减少大颗粒团聚体残留，提升分散稳定性。

3、本次实验中，样品尾端大颗粒明显减少，说明微射流均质机对于样品的尾端处理能力颇为优秀。

4、本次处理样品，处理前对比处理后，D10/D50/D90均在下降，可结合表3.1看出，粒径从微米级别下降到亚微米级别，与我们颗粒计数器的测试图，可以做到互相印证，即1μm以上的粒子数量明显变少，1μm以下的粒子明显增多。

5、PSI凭借固定孔径的纯金刚石交互容腔、稳定的压力输出及精准的温度控制，具备均质效果稳定、材质洁净合规、操作便捷、小试结果可线性放大至工业化生产等核心优势，有效解决了传统球磨方法效率低、易污染、粒径不均、批次稳定性差的弊端

参考文献

[1] 刁锐琦.农业土壤化学肥料的使用对土壤的影响分析[J].吉林农业,2013(09), 24-26

[2] 朱兆良,金继运.保障我国粮食安全的肥料问题[J].植物营养与肥料学报,2013， 19(2):259-273

[3] 许秀成,汤建伟,李萍.全球环境压力下的增值肥料发展策略[J].磷肥与复肥, 2008，23(6):5-8

[4] 刘安勋,卢其明,曹玉江.纳米复合材料对水稻生长发育的影响[J].植物营养与肥科学报,2007,13(2):344-347

[5] 刘键,张阳德,张志明。纳米增效肥料对冬小麦产量及品质影响的研究[J]. 安徽农业科学,2008, 36(35):15578-15580