Πειραματική μελέτη της παρασκευής λιπασμάτων ελεγχόμενης απελευθέρωσης με τη βοήθεια φυσικών και χημικών μεθόδων εγκλεισμού
Authors: Τζήκα Μαρία 
Published: August 2021

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η πειραματική μελέτη της παρασκευής ενός λιπάσματος αργής αποδέσμευσης. Για να καταστεί αυτό δυνατό, έγινε αρχικά μια βιβλιογραφική έρευνα που αποσκοπούσε στην εξεύρεση των διαφόρων κατηγοριών λιπασμάτων αργής αποδέσμευσης και στην αξιολόγηση των προϊόντων της κάθε κατηγορίας. Προέκυψε ότι τα επικαλυμμένα λιπάσματα (συμβατικά λιπάσματα επικαλυμμένα από κάποιο υδρόφοβο πολυμερές), υπερέχουν έναντι των υπολοίπων λιπασμάτων αργής αποδέσμευσης, κυρίως γιατί ο ρυθμός αποδέσμευσης στα λιπάσματα αυτά είναι ελεγχόμενος και εξαρτάται αποκλειστικά σχεδόν από τις ιδιότητες του υμένα επικάλυψης. Από τις διάφορες συσκευές που χρησιμοποιούνται για την επικάλυψη λιπασμάτων αυτή που παράγει το καλύτερο ποιοτικά προϊόν, δηλαδή υμένα με ελάχιστες ατέλειες, είναι η ρευστοστερεά κλίνη. Συγκεκριμένα για την επικάλυψη των συμβατικών κόκκων λιπάσματος χρησιμοποιήθηκε μια τροποποιημένη ρευστοστερεά κλίνη, η κλίνη τύπου Wurster στην οποία τα σωματίδια ακολουθούν συγκεκριμένο υπόδειγμα ροής κατά τη ρευστοαιώρηση, δεν κινούνται τυχαία, πράγμα που διευκολύνει την ομοιόμορφη επικάλυψή τους. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία της κλίνης οι οποίοι στη συνέχεια χωρίζονται σε δύο κατηγορίες με σκοπό να μελετηθούν ξεχωριστά. Αρχικά μελετώνται οι παράμετροι που επηρεάζουν την κίνηση των σωματιδίων στην κλίνη. Οι παράμετροι αυτοί είναι: α) ο τύπος του κατανομέα του αέρα ρευστοαιώρησης (διάτρητος δίσκος), β) η απόσταση του εσωτερικού κυλινδρικού αγωγού κατανομής των σωματιδίων στην κλίνη (partition) από τον πυθμένα της κλίνης, γ) η ταχύτητα του αέρα ρευστοαιώρησης και δ) το μέγεθος και η κατανομή μεγέθους των κόκκων. Από τα αποτελέσματα των πειραμάτων προέκυψαν τα εξής: για το συγκεκριμένο σύστημα σωματιδίων, τα οποία είναι μεγάλου μεγέθους και υψηλής πυκνότητας, είναι απαραίτητη η ύπαρξη σχετικά υψηλής παροχής αέρα στην περιοχή καθόδου τους, ώστε να αποτρέπεται η γρήγορη και απότομη κίνησή τους προς τον πυθμένα και η βίαιη σύγκρουσή τους με αυτόν, άρα απαιτείται η χρησιμοποίηση διάτρητου δίσκου με υψηλό ποσοστό διάτρησης στην περιοχή καθόδου τους. Η απόσταση του εσωτερικού κυλινδρικού κατανομέα πρέπει να είναι τέτοια ώστε να μην διαταράσσεται η ομαλή κυκλοτερής κίνηση των σωματιδίων κατά τη ρευστοαιώρηση. Για το συγκεκριμένο σύστημα σωματιδίων τα οποία έχουν μεγάλη διάμετρο ( 2,5- 4 mm) προκαλείται μεγαλύτερη διατάραξη στην ομαλή λειτουργία της διεργασίας όταν η απόσταση μειωθεί (< 2.5 cm), παρά όταν αυξηθεί. Η ταχύτητα του αέρα ρευστοαιώρησης πρέπει να είναι τέτοια ώστε η κίνηση των σωματιδίων να διεξάγεται ομαλά, με γρήγορους ρυθμούς χωρίς να παρατηρούνται εξαιρετικές συγκρούσεις των κόκκων του λιπάσματος τόσο μεταξύ τους όσο και με τα τοιχώματα της κλίνης. Τέλος, έμφαση πρέπει να δοθεί στο γεγονός ότι ο ρυθμός αποδέσμευσης του λιπάσματος από επικαλυμμένους κόκκους είναι σημαντικά πιο αργός όταν το υπόστρωμα έχει πιο περιορισμένο εύρος διαμέτρων παρά όταν επικαλύπτονται ταυτόχρονα κόκκοι με διάφορα μεγέθη. Συγκεκριμένα, προτιμάται η χρησιμοποίηση κόκκων μικρής διαμέτρου αφού τα χαρακτηριστικά της καμπύλης απελευθέρωσης στην περίπτωση αυτή εξαρτώνται πολύ περισσότερο από τα χαρακτηριστικά του υμένα επικάλυψης και λιγότερο από το ποσοστό των κόκκων που παρουσιάζουν ατέλειες στον υμένα επικάλυψης. Η δεύτερη κατηγορία παραμέτρων περιλαμβάνει τις παραμέτρους που επηρεάζουν τα φαινόμενα σχηματισμού του πολυμερικού υμένα επικάλυψης γύρω από τους κόκκους του λιπάσματος. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν α) η θερμοκρασία εισόδου του αέρα ρευστοαιώρησης, β) η θερμοκρασία του αέρα ατομοποίησης, γ) η πίεση του αέρα ατομοποίησης, δ) ο ρυθμός ψεκασμού και δ) τα χαρακτηριστικά του υλικού επικάλυψης. Από την πειραματική μελέτη προέκυψε ότι η θερμοκρασία στην κλίνη πρέπει να κυμαίνεται 10- 15°C πάνω από το Tg του πολυμερούς. Αυτό σημαίνει ότι η θερμοκρασία εισόδου του αέρα ρευστοαιώρησης πρέπει να είναι 20-25°C πάνω από το Tg του πολυμερούς στην περίπτωση που αυτό έχει τιμή μεταξύ 15-20°C. Επίσης είναι προτιμότερο η θερμοκρασία του αέρα ατομοποίησης να έχει την ίδια τιμή με τη θερμοκρασία του αέρα ρευστοαιώρησης (θερμοκρασία στην είσοδο της κλίνης), ώστε να αποφεύγονται οι διαταραχές της θερμοκρασίας κατά τον ψεκασμό. Η παράμετρος λειτουργίας που επηρεάζει σε μεγαλύτερο βαθμό την ποιότητα του πολυμερικού υμένα είναι η πίεση του αέρα ατομοποίησης. Η καλύτερη ποιότητα πολυμερικού τοιχώματος σχηματίζεται για το δεδομένο υπόστρωμα (μεγάλη διάμετρος κόκκων, τραχεία επιφάνεια, με μορφολογικές ανωμαλίες) όταν η πίεση του αέρα ατομοποίησης είναι η μικρότερη δυνατή (σε μικρότερες πιέσεις δεν επιτυγχάνεται ψεκασμός). Ο ρυθμός ψεκασμού του υδροκολλοειδούς επηρεάζει την ποιότητα του υμένα επικάλυψης των κόκκων του λιπάσματος. Προτιμάται ο ψεκασμός για μια τόσο ανώμαλη επιφάνεια υποστρώματος να γίνεται με αργό ρυθμό που ωστόσο να μην είναι ο χαμηλότερος δυνατός ώστε να επιτρέπει την επικάλυψη του συνόλου της επιφάνειας από τα πρώτα στάδια της διεργασίας. Για την παρασκευή πολυμερικού υμένα με μικρή διαπερατότητα στο νερό είναι απαραίτητη η χρήση πολυμερούς που παρουσιάζει υψηλά ποσοστά κρυσταλλικότητας, όπως τα συμπολυμερή του βινυλίδενο-χλωριδίου. Επίσης για την παρασκευή υμένα χωρίς ατέλειες σε ήπιες συνθήκες είναι απαραίτητη η χρήση υδροκολλοειδούς με υψηλό ποσοστό στερεών και πολυμερούς με χαμηλό σχετικά Tg. Αφού μελετηθούν οι παράμετροι της διεργασίας που επηρεάζουν την ποιότητα του υμένα επικάλυψης στη συνέχεια αναπτύσσεται ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο περιγράφει την αποδέσμευση του λιπάσματος από τους επικαλυμμένους κόκκους σε απεσταγμένο νερό. Θεωρώντας ότι η αποδέσμευση του λιπάσματος γίνεται σε συνθήκες ψευδο-μόνιμης κατάστασης και ότι ο συντελεστής διάχυσης του υμένα του PVDC μεταβάλλεται εκθετικά με το χρόνο η θεωρητική καμπύλη που προκύπτει είναι σε συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Σημαντικό είναι ότι ακολουθείται η σιγμοειδής μορφή της πειραματικής καμπύλης αποδέσμευσης. Τέλος έγιναν κάποια συγκριτικά πειράματα αποδέσμευσης σε απεσταγμένο νερό ανάμεσα στο εργαστηριακά παρασκευασμένο λίπασμα αργής και ελεγχόμενης αποδέσμευσης και στα αντίστοιχα εμπορικά. Ο ρυθμός αποδέσμευσης του λιπάσματος από τους κόκκους του εργαστηρίου είναι πιο αργός από τον αντίστοιχο των εμπορικών λιπασμάτων. Τα αποτελέσματα λοιπόν των πειραμάτων αυτών είναι ενθαρρυντικά και αποτελούν μια ένδειξη ότι το λίπασμα που παρασκευάστηκε είναι καλής ποιότητας.