Удобрение

<час />

Фон

Удобрение - это вещество, добавляемое в почву для улучшения роста и урожайности растений. Технология удобрений, впервые использованная древними фермерами, значительно развивалась по мере того, как были обнаружены химические потребности выращиваемых растений. Современные синтетические удобрения состоят в основном из соединений азота, фосфора и калия с добавлением вторичных питательных веществ. Использование синтетических удобрений значительно улучшило качество и количество продуктов питания, доступных сегодня, хотя их долгосрочное использование обсуждается экологами.

Как и все живые организмы, растения состоят из клеток. Внутри этих клеток происходят многочисленные метаболические химические реакции, отвечающие за рост и размножение. Поскольку растения не едят пищу, как животные, они зависят от питательных веществ в почве, которые обеспечивают основные химические вещества для этих метаболических реакций. Однако поступление этих компонентов в почву ограничено, и по мере сбора урожая оно сокращается, что приводит к снижению качества и урожайности растений.

Удобрения заменяют химические компоненты, которые извлекаются из почвы при выращивании растений. Однако они также предназначены для улучшения потенциала роста почвы, а удобрения могут создать лучшую среду для выращивания, чем естественная почва. Их также можно адаптировать к выращиваемым культурам. Обычно удобрения состоят из соединений азота, фосфора и калия. Также они содержат микроэлементы, улучшающие рост растений.

Основными компонентами удобрений являются питательные вещества, которые жизненно важны для роста растений. Растения используют азот в синтезе белков, нуклеиновых кислот и гормонов. Когда растения испытывают недостаток азота, они отмечаются замедленным ростом и пожелтением листьев. Растениям также необходим фосфор, компонент нуклеиновых кислот, фосфолипидов и некоторых белков. Также необходимо обеспечить энергию для запуска метаболических химических реакций. Без достаточного количества фосфора рост растений замедляется. Калий - еще одно важное вещество, которое растения получают из почвы. Он используется в синтезе белка и других ключевых процессах растений. Пожелтение, пятна отмершей ткани, слабые стебли и корни - все это указывает на то, что растениям не хватает калия.

Кальций, магний и сера также являются важными материалами для роста растений. Однако они входят в удобрения только в небольших количествах, поскольку большинство почв естественным образом содержат эти компоненты в достаточном количестве. Другие материалы необходимы для роста растений в относительно небольших количествах. Эти микроэлементы включают железо, хлор, медь, марганец, цинк, молибден и бор, которые в основном действуют как кофакторы в ферментативных реакциях. Хотя они могут присутствовать в небольших количествах, эти соединения не менее важны для роста, и без них растения могут погибнуть.

Для обеспечения основных питательных веществ, необходимых для эффективного удобрения, используется множество различных веществ. Эти соединения можно добывать или выделять из природных источников. Примеры включают нитрат натрия, морские водоросли, кости, гуано, калий и фосфатную руду. Соединения также можно синтезировать химическим путем из основного сырья. Сюда входят такие вещества, как аммиак, мочевина, азотная кислота и фосфат аммония. Поскольку эти соединения существуют в нескольких физических состояниях, удобрения могут продаваться в твердом, жидком или жидком виде.

История

Процесс добавления веществ в почву для улучшения ее способности к росту был разработан на заре развития сельского хозяйства. Древние земледельцы знали, что первые урожаи на земельном участке были намного лучше, чем урожайность последующих лет. Это заставило их переехать в новые невозделываемые районы, которые снова показали ту же картину снижения урожайности с течением времени. В конце концов было обнаружено, что рост растений на участке земли можно улучшить, разбрасывая навоз по всей почве.

Со временем технология удобрений стала более совершенной. Были открыты новые вещества, улучшающие рост растений. Известно, что египтяне добавляли в почву пепел от выжженных сорняков. Древнегреческие и римские писания указывают на то, что использовались различные экскременты животных, в зависимости от типа почвы или выращиваемого растения. К тому времени было также известно, что выращивание зернобобовых растений на участках до выращивания пшеницы было полезным. Другие типы добавленных материалов включают морские ракушки, глину, растительные отходы, отходы различных производственных процессов и другой разный мусор.

Организованные исследования технологии удобрений начались в начале семнадцатого века. Ранние ученые, такие как Фрэнсис Бэкон и Иоганн Глаубер, описывают благотворное влияние добавления селитры в почву. Глаубер разработал первое полноценное минеральное удобрение, которое представляло собой смесь селитры, извести, фосфорной кислоты, азота и поташа. По мере развития научных химических теорий были обнаружены химические потребности растений, что привело к улучшению составов удобрений. Химик-органик Юстус фон Либих продемонстрировал, что растениям для роста необходимы минеральные элементы, такие как азот и фосфор. Можно сказать, что промышленность химических удобрений началась с патента, выданного сэру Джону Лоусу, в котором описан метод производства фосфата, который является эффективным удобрением. Промышленность синтетических удобрений пережила значительный рост после Первой мировой войны, когда предприятия, производившие аммиак и синтетические нитраты для взрывчатых веществ, были переведены на производство азотных удобрений.

Сырье

Описанные здесь удобрения представляют собой сложные удобрения, состоящие из основных удобрений и вторичных питательных веществ. Они представляют собой только один тип удобрений, также производятся и другие типы отдельных питательных веществ. Сырье в твердом виде может поставляться производителям удобрений в больших количествах в тысячи тонн, в бочках или в металлических бочках и мешках.

Первичные удобрения включают вещества, полученные из азота, фосфора и калия. Для производства этих соединений используется различное сырье. Когда аммиак используется в качестве источника азота в удобрении, один из методов синтетического производства требует использования природного газа и воздуха. Фосфорный компонент производится из серы, угля и фосфоритов. Источником калия является хлорид калия, основной компонент калийных удобрений.

В некоторые удобрения добавляют вторичные питательные вещества, чтобы сделать их более эффективными. Кальций получают из известняка, который содержит карбонат кальция, сульфат кальция и карбонат кальция-магния. Источником магния в удобрениях является доломит. Сера - это еще один материал, который добывают и добавляют в удобрения. Другие добываемые материалы включают железо из сульфата железа, медь и молибден из оксида молибдена.

Производственный
процесс

Полностью интегрированные заводы были спроектированы для производства сложных удобрений. В зависимости от фактического состава конечного продукта производственный процесс будет отличаться от производителя к производителю.

Компонент азотных удобрений

• 1 Аммиак - это один из компонентов азотных удобрений, который можно синтезировать из недорогого сырья. Поскольку азот составляет значительную часть земной атмосферы, был разработан процесс производства аммиака из воздуха. В этом процессе природный газ и пар закачиваются в большое судно. Далее в систему закачивается воздух, а кислород удаляется сжиганием природного газа и пара. В основном это оставляет азот, водород и углекислый газ. Углекислый газ удаляется, и аммиак производится путем подачи электрического тока в систему. Катализаторы, такие как магнетит (Fe ₃ О ₄ ) были использованы для повышения скорости и эффективности синтеза аммиака. Из аммиака удаляются любые примеси, и он хранится в резервуарах до дальнейшей обработки.
• 2 Хотя сам аммиак иногда используется в качестве удобрения, он часто превращается в другие вещества для простоты обращения. Азотная кислота производится путем предварительного смешивания аммиака и воздуха в резервуаре. В присутствии катализатора происходит реакция, которая превращает аммиак в оксид азота. Оксид азота далее реагирует в присутствии воды с образованием азотной кислоты.

• 3 Азотная кислота и аммиак используются для производства нитрата аммония. Этот материал является хорошим компонентом удобрения, потому что он имеет высокую концентрацию азота. Эти два материала смешиваются в резервуаре, и происходит реакция нейтрализации с образованием нитрата аммония. Затем этот материал можно хранить до тех пор, пока он не будет готов к гранулированию и смешиванию с другими компонентами удобрений.

  

Компонент фосфорного удобрения

• 4 Чтобы выделить фосфор из фосфоритной руды, ее обрабатывают серной кислотой, получая фосфорную кислоту. Часть этого материала далее реагирует с серной кислотой и азотной кислотой с образованием тройного суперфосфата, отличного источника фосфора в твердой форме.
• 5 Часть фосфорной кислоты также реагирует с аммиаком в отдельном резервуаре. В результате этой реакции образуется фосфат аммония, еще одно хорошее первичное удобрение.

Компонент калийных удобрений

• 6 Хлорид калия обычно поставляется производителям удобрений оптом. Производитель преобразует его в более удобную форму, гранулируя. Это упрощает смешивание с другими компонентами удобрения на следующем этапе.

Гранулирование и смешивание

• 7 Для производства удобрений в наиболее удобной форме каждое из различных соединений, нитрат аммония, хлорид калия, фосфат аммония и тройной суперфосфат, гранулируются и смешиваются вместе. Один метод гранулирования включает помещение твердых материалов во вращающийся барабан с наклонной осью. При вращении барабана частицы твердого удобрения принимают маленькие сферические формы. Их пропускают через сито, отделяющее частицы подходящего размера. Затем на частицы наносят покрытие из инертной пыли, сохраняя каждую отдельную и препятствуя удержанию влаги. Наконец, частицы сушат, завершая процесс гранулирования.
• 8 Различные типы частиц смешиваются друг с другом в соответствующих пропорциях для получения комбинированного удобрения. Смешивание происходит в большом смесительном барабане, который вращает определенное количество оборотов для получения наилучшей смеси. После смешивания удобрение выгружается на конвейерную ленту, которая транспортирует его к упаковочной машине.

Упаковка

• 9 Удобрения обычно поставляются фермерам в больших мешках. Для заполнения этих мешков удобрения сначала загружаются в большой бункер. Соответствующее количество выпускается из бункера в мешок, который удерживается зажимным устройством. Мешок находится на вибрирующей поверхности, что позволяет лучше упаковывать. Когда наполнение завершено, пакет транспортируется в вертикальном положении к машине, которая запечатывает его. Затем мешок транспортируется на паллетоукладчик, который укладывает несколько мешков в стопку, подготавливая их к отправке дистрибьюторам и, в конечном итоге, фермерам.

Контроль качества

Чтобы гарантировать качество производимых удобрений, производители контролируют продукт на каждом этапе производства. Сырье и готовая продукция проходят комплекс физических и химических испытаний, чтобы показать, что они соответствуют ранее разработанным спецификациям. Некоторые из тестируемых характеристик включают pH, внешний вид, плотность и температуру плавления. Поскольку производство удобрений регулируется государством, на образцах проводятся анализы состава для определения общего содержания азота, фосфатов и других элементов, влияющих на химический состав. Также проводятся различные другие тесты, в зависимости от конкретной природы состава удобрений.

Побочные продукты / отходы

Относительно небольшое количество азота, содержащегося в удобрениях, внесенных в почву, фактически усваивается растениями. Многое смывается в окружающие водоемы или фильтруется в грунтовые воды. Это привело к добавлению значительного количества нитратов в воду, потребляемую населением. Некоторые медицинские исследования показали, что определенные нарушения мочевыделительной и почечной систем являются результатом чрезмерного содержания нитратов в питьевой воде. Также считается, что это особенно вредно для младенцев и даже может быть канцерогенным.

Считается, что нитраты, содержащиеся в удобрениях, сами по себе не вредны. Однако некоторые бактерии в почве превращают нитраты в нитрит-ионы. Исследования показали, что при проглатывании нитрит-ионы они могут попасть в кровоток. Там они связываются с гемоглобином, белком, который отвечает за хранение кислорода. Когда нитрит-ион связывается с гемоглобином, он теряет способность накапливать кислород, что приводит к серьезным проблемам со здоровьем.

Нитрозамины - еще один потенциальный побочный продукт нитратов в удобрениях. Они являются результатом естественной химической реакции нитратов. Было показано, что нитрозамины вызывают опухоли у лабораторных животных, питая опасения, что то же самое может произойти и с людьми. Однако не было исследований, показывающих связь между использованием удобрений и опухолями человека.

Будущее

Исследования удобрений в настоящее время сосредоточены на уменьшении вредного воздействия на окружающую среду при использовании удобрений и поиске новых, менее дорогих источников удобрений. Чтобы сделать удобрения более экологичными, изучаются такие вещи, как улучшенные методы внесения, внесение удобрений в форме, которая менее восприимчива к стокам, и приготовление более концентрированных смесей. Также исследуются новые источники удобрений. Было обнаружено, что осадок сточных вод содержит много питательных веществ, необходимых для хорошего удобрения. К сожалению, он также содержит определенные вещества, такие как свинец, кадмий и ртуть, в концентрациях, которые могут быть вредными для растений. Предпринимаются усилия по удалению нежелательных элементов, что делает этот материал жизнеспособным удобрением. Другой разрабатываемый источник - навоз. Первыми удобрениями были навоз, однако они не использовались в больших количествах, поскольку их обработка оказалась слишком дорогой. Когда технология улучшится, а затраты уменьшатся, этот материал станет новым жизнеспособным удобрением.