Введение к работе
Актуальность проблемы. Основная составляющая прироста урожая обеспечивается внесением удобрений, причем, с максимальной эффективностью в случае учета вида возделываемой культуры и особенностей почвенно-климатических условий ее выращивания. Важнейшее значение имеет производство простых и комплексных удобрений, содержащих фосфор - компонент, под действием которого в растительном мире происходит процесс фотосинтеза, ускоряются процессы распада белка. Однако, эффективность традиционных минеральных удобрений снижается из-за ретроградации, вымывания основных питательных элементов, нестабильности товарных свойств продуктов в период транспортировки и хранения. Коэффициент полезного действия фосфорных удобрений невысок из-за трансформации большей части вносимого фосфора в неусвояемые формы, что приводит к накоплению его в почве в виде недоступных для растений соединений. Проблема рационального использования природных ресурсов, в частности, фосфатного сырья, обуславливает необходимость поиска и реализации возможных приемов повышения КПД удобрений. С точки зрения производителей практический интерес могут представлять те приемы, которые не слишком усложняют отлаженный технологический процесс производства удобрений и не требуют использования дефицитных и дорогих реагентов.
Получение фосфорных удобрений традиционным разложением природных фосфатов кислотами имеет ряд недостатков. Из-за высокого содержания кальция и других примесей – магния, железа, алюминия - не удается достигнуть максимального перевода фосфора в доступную для растений форму без большого расхода кислотных реагентов. При этом предварительная очистка сырья от примесей приводит к накоплению отходов и существенному усложнению технологических схем.
Решение вышеперечисленных проблем можно ожидать от вовлечения в производство туков гумусосодержащих веществ (торф, лигнин, сапропели, бурые угли и другие) в качестве процесс преобразующих компонентов. Сложные по химическому составу они широко распространены в природе и выполняют ряд уникальных биосферных функций, таких как регулирование водного, теплового и питательного режима почв, способность образовывать устойчивые, но легкорастворимые соединения с металлами и гидроксидами, а также увеличивать проникновение питательных элементов в растение и активизировать дыхание семян. При этом гумусосодержащие природные и антропогенные материалы обладают высокой влагоемкостью, не слеживаются, технологичны и транспортабельны.
Распространенные в настоящее время простые смеси органических и минеральных удобрений, микроэлементов, формируются, как правило, на стадии грануляции или вносятся непосредственно на поле. При этом гуминовые вещества не вовлекаются в сам процесс переработки минерального сырья.
В настоящей работе исследуется влияние гумусосодержащих веществ на процесс кислотного разложения фосфатного сырья на состав и свойства получаемых новых удобрительных продуктов с улучшенными физико-химическими и механическими характеристиками.
Цель работы - изучение технологических особенностей совместной переработки фосфатного и гумусосодержащего сырья для создания основ рациональной технологии удобрительных продуктов повышенной эффективности и экологичности.
Реализация цели требует решения следующих задач:
- исследование процесса разложения – активации фосфатного сырья и гумусосодержащих веществ с использованием азотной, фосфорной кислот и их смесей;
- изучение особенностей процесса разложения в зависимости от вида гумусосодержащего компонента;
- сопоставительная оценка воздействия активированных гуматов на переработку сырья различных месторождений;
- определение основных параметров технологического процесса, состава и свойств продуктов в зависимости от вида минерального и органического сырья, вовлекаемого в переработку;
- перспективы реализации полученных данных в производстве линейки органоминеральных продуктов различного состава.
Научная новизна. Показано на примере фосфатов Каратау, Кингисеппского, Вятско-Камского, Егорьевского и Ковдорского месторождений существенное возрастание степени превращения минеральных соединений фторапатита и его производных в дигидро- и гидроортофосфаты кальция в органоминеральных системах, включающих азотную, ортофосфорную кислоты и гуминовые соединения. Установлена взаимосвязь полученного эффекта с минеральным составом сырья, его происхождением и особенностями активации органического компонента. Показано, что положительное воздействие характерно и для других видов гумусосодержащих компонентов, включая вещества антропогенного происхождения.
Установлена ответственность гуматсодержащего компонента органо-минеральной системы за образование дигидро- и гидроортофосфатов кальция в диапазоне условий, при которых формирования таких соединений ранее не отмечалось.
Получены динамические характеристики процесса трансформации фосфатных соединений в органо-минеральных системах, включающих фосфатное сырье – торф – минеральные кислоты.
Предложен принцип и показана возможность экспресс-определения относительной скорости ретроградации агрохимически востребованных фосфатов минеральных и органоминеральных удобрений.
Практическая значимость. Получены практические данные по совмещенному процессу разложения - активации смеси природных фосфатов и гумусосодержащих веществ. Показано, что при обработке сырья азотной, фосфорной кислотами или их смесями гуминовые вещества торфа повышают степень перевода фосфора в усвояемые формы до 30%, в водорастворимые - в два и более раз.
Проведены комплексные исследования влияния технологических параметров на эффективность разложения фосфатного сырья различных месторождений, состав и свойства получаемых удобрительных продуктов. Отмечена интенсификация дозревания фосфатных продуктов.
Впервые показана возможность, при введении в процесс гуминовых веществ, достижения 99%-ной степени разложения сырья без предварительного удаления примесей и при существенном снижении расхода кислотных реагентов.
Впервые изучены и оптимизированы технологические режимы процесса кислотной обработки фосфатно-торфяной смеси: параллельность или последовательность стадий разложения и активации, однократная или дробная подача кислотных реагентов.
Рекомендованные технические решения позволяют получить линейку продуктов с улучшенными физико-химическими и механическими свойствами, снизить расход кислотных реагентов на 30-50% при гарантии высокой степени использования фосфатного сырья и отсутствии отходов.
На защиту выносятся следующие положения:
- результаты исследования влияния гумусосодержащих веществ на процессы кислотной переработки фосфатов различных месторождений, интерпретация установленных закономерностей;
- результаты определения и оптимизации основных технологических параметров процесса разложения - активации природных фосфатов и торфа с использованием азотной, фосфорной кислот и их смесей;
- результаты оценки составов и свойств полученных органоминеральных продуктов;
- вариант технического решения – конкретизации результатов исследования.
Личный вклад автора состоит в анализе литературных источников, в проведении экспериментальных исследований, всех необходимых расчетов, обобщении экспериментальных данных, анализе и обсуждении их совместно с руководителем.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на: Научно-практической конференции, посвященной 182-й годовщине образования СПбГТИ(ТУ), Санкт-Петербург, 25-26 ноября 2010 г.; Научно-техничесой конференции молодых ученых «Неделя науки – 2011» СПбГТИ(ТУ), Санкт-Петербург, 30 марта – 01 апреля.2011 г.; Научно-практической конференции, посвященной 183-й годовщине образования СПбГТИ(ТУ), Санкт-Петербург, 24-25 ноября 2011 г.; Международной конференции по химической технологии «ХТ’12», Москва, 18-23 марта 2012 г.; Научно-технической конференции молодых ученых «Неделя науки – 2012» СПбГТИ(ТУ), Санкт-Петербург, 28-29 марта 2012 г.; Научно-практической конференции, посвященной 184-й годовщине образования СПбГТИ(ТУ), Санкт-Петербург, 29-30 ноября 2012 г.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 2-х статьях в изданиях, входящих в утвержденный ВАК перечень ведущих рецензируемых изданий, и тезисах 7 докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка используемой литературы и приложения. Объем диссертации составляет 159 страниц машинописного текста, включая 26 рисунков и 33 таблицы. Библиографический список содержит 175 литературных источников.
