Yavaş salınımlı zeolit bazlı gübre hazırlanması ve karakterizasyonu
Preparation and characterization of slow release zeolite based fertilizer
Yazar: MELİKE OĞUZ
Danışman: PROF. DR. HAKAN ARSLAN
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Bitki besleme = Plant nutrition ; Klinoptilolit = Clinoptilolite ; Zeolitler = Zeolites

Özet:
Bu çalışmada, bitkiler için oldukça faydalı olması dolayısıyla bitki beslemede sıklıkla kullanılan amonyum nitrat gübresi ile ülkemizde rezervi yüksek olan, ucuz, ulaşılması kolay, toksik olmayan, tarımda genellikle toprak düzenleyici olarak kullanılan zeolit minerali kullanılarak yavaş salınımlı zeolit bazlı gübre hazırlanmıştır. Doğal zeolit Manisa Gördes yöresinden temin edilmiş olup, kimyasal ve minerolojik yapısı TGA/DTA, FTIR, BET, XRD, SEM-EDS ve ICP-OES karakterizasyon teknikleriyle aydınlatılmıştır. ICP-OES sonuçlarına göre zeolitin içerdiği Si/Al oranı 4.78, SEM-EDS analiz sonuçlarına göre Si/Al oranı 4.50 ve XRD analiz sonucuna göre Si/Al oranı 4.90 olarak tespit edilmiş olup doğal zeolitin türünün klinoptilolit olduğu, içeriğinde sanidin ve kuvars safsızlıklarının bulunduğu belirlenmiştir. Doğal zeolit ve amonyum nitrat kullanılarak elde edilen zeolitli gübrede, hazırlama sonrası yıkanma sayısı, farklı zeolit:amonyum nitrat katı:katı oranları, uygulama sıcaklığı, reaksiyon süresi ve zeolitin farklı boyut parametreleri optimizasyon çalışmaları kapsamında incelenmiştir. Optimum zeolitli gübre 0-200 µm zeolit boyutu kullanılarak 1:4 zeolit:amonyum nitrat katı:katı oranında, 200 °C'de sekiz saat sentez süresinde elde edilmiştir. Optimum koşullarda elde edilen zeolitli gübrenin elementel azot analiz sonuçlarına göre %N içeriği %5.06 olarak tespit edilmiştir. Zeolitli gübrenin karakterizasyonu doğal zeolitte olduğu gibi TGA/DTA, FTIR, BET, XRD, SEM-EDS teknikleriyle yapılmış ve suda 15 günlük yavaş salınımı incelenmiştir. Doğal zeolite amonyum nitrat adsorpsiyonu zeolit yapısını önemli ölçüde değiştirmemiş, TGA analizinde yapı doğal zeolite göre daha fazla kütle kaybına uğramış, FTIR analizinde nitrat piklerinin varlığı tespit edilmiş, XRD analizi sonucuna göre zeolit kristal yapısı korunmuştur. BET analizine göre amonyum nitrat adsorpsiyonu zeolitli gübrenin yüzey alanını azaltmış ve SEM görüntülerinde yapının agregatlaştığı tespit edilmiştir. Zeolitli gübrenin 15 günlük yavaş salınımında yapısından suya salınan NO3⎺ ve NH4+ iyonları IC cihazıyla tayin edilmiştir. Yavaş salınım sonrası zeolitli gübrenin karakterizasyonu doğal zeolit ve zeolitli gübrede olduğu gibi TGA/DTA, FTIR, BET, XRD, SEM-EDS teknikleriyle yapılmış, böylece doğal zeolit ve zeolitli gübreye göre meydana gelen değişimler izlenebilmiştir. Zeolitli gübrenin yavaş salınımı sonrası %N içeriği %1.58 olarak tespit edilmiş, TGA analizinde kütle kaybı zeolitli gübreye göre azalmış, FTIR analizinde nitrat piklerinin kaybolduğu gözlemlenmiştir. BET yüzey alanı zeolitli gübreye göre yapısındaki iyonları saldığı için yeniden artmış, SEM görüntülerinde yapının yeniden doğal zeolit görüntülerine yakın bir görünüm aldığı gözlemlenmiştir. XRD analizi ile EDS kimyasal analizlerine göre yavaş salınım sonrası zeolitli gübrede N elementi dışındaki diğer elementlerin miktarları doğal zeolit ve zeolitli gübre ile benzerlik göstermektedir. Detaylı karakterizasyon analiz sonuçlarına göre elde edilen bilgiler birbirleri ile uyumlu olup elde edilen zeolitli gübre yavaş salınımlıdır ve yavaş salınım 15. güne kadar devam etmiştir. Bu metotla elde edilen zeolitli gübrenin yavaş salınımlı zeolitli gübre olarak kullanılabileceği, ticarileştirilebileceği ve entegre gübreleme programlarına dahil edilerek bitkisel verimin arttırılmasında etkili olabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In this study, a slow release zeolite-based fertilizer was prepared using ammonium nitrate fertilizer, which is frequently used in plant nutrition because it is very beneficial for plants, and zeolite mineral, which has high reserves in our country, is cheap, easy to access, nontoxic, and is generally used as a soil conditioner in agriculture. Natural zeolite was obtained from the Manisa Gördes region, and its chemical and mineral structure was elucidated by TGA/DTA, FTIR, BET, XRD, SEM-EDS, and ICP-OES characterization techniques. According to the ICP-OES results, the Si/Al ratio of the zeolite was 4.78, according to the SEM-EDS analysis results, the Si/Al ratio was 4.50 and according to the XRD analysis results, the Si/Al ratio was 4.90. These results showed that the natural zeolite type is clinoptilolite and contains sanidin and quartz impurities. In the zeolite fertilizer obtained by using natural zeolite and ammonium nitrate, the number of washings after preparation, different zeolite:ammonium nitrate solid:solid ratios, application temperature, reaction time, and different size parameters of the zeolite were investigated within the scope of optimization studies. Optimum zeolite fertilizer was obtained  using 0-200 µm zeolite size, at a 1:4 zeolite:ammonium nitrate solid:solid ratio at 200 °C for eight hours synthesis time. According to the results of the elemental nitrogen analysis of the zeolite fertilizer obtained under optimal conditions, the %N content was determined as 5.06%. The characterization of the zeolite fertilizer was made by TGA/DTA, FTIR, BET, XRD, and SEM-EDS techniques as in natural zeolite, and its slow release at 15 days in water was investigated. The adsorption of ammonium nitrate to natural zeolite did not significantly change the zeolite structure, the structure lost more mass than natural zeolite in the TGA analysis, the presence of nitrate peaks in the FTIR analysis, and the crystal structure of the zeolite was preserved according to the result of XRD analysis. According to BET analysis, the adsorption of ammonium nitrate decreased the surface area of the zeolite fertilizer and it was determined that the structure aggregated in the SEM images. The NO3⎺ and NH4+ ions released from the structure of the zeolite fertilizer into the water during the slow release of 15-days were determined by the IC device. The characterization of the zeolite fertilizer after slow release was performed with TGA/DTA, FTIR, BET, XRD, and SEM-EDS techniques as in the natural zeolite and zeolite fertilizer, so that changes occurring according to the natural zeolite and zeolite fertilizer could be observed. The% N content of zeolite fertilizer after slow release was determined to be 1.58%, the mass loss in TGA analysis decreased compared to zeolite fertilizer, and nitrate peaks were observed to disappear in FTIR analysis. The BET surface area increased again as it released the ions in its structure compared to the zeolite fertilizer, and it was observed in the SEM images that the structure again took on an appearance close to the natural zeolite images. According to XRD analysis and EDS chemical analysis, the amounts of other elements, except for the N element, in zeolite fertilizer after slow release are similar to natural zeolite and zeolite fertilizer. According to the results of the detailed analysis of the characterization, the information obtained is compatible with each other, and the obtained zeolite fertilizer was slow release and slow release continued until the 15th day. The zeolite fertilizer obtained by this method is believed to be used as a slow-release zeolite fertilizer, which can be commercialized and can be included in integrated fertilization programs to increase plant yield.