Amin türevli kaplama antikek ajanlarının hazırlanması ve kompoze gübrelerde kekleşmeye etkisinin araştırılması
Preparation of amine derivative coating anti-caking agents and investigation of their effect on caking in compound fertilizers
Yazar: AYSU KAYALIOĞLU
Danışman: PROF. DR. AYLA ÖZER
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering
Dizin: Azotlu gübreler = Nitrogen fertilizers ; Kimyasal gübre endüstrisi = Chemical fertilizer industry ; Mineral gübreler = Mineral fertilizers ; Yüzey kaplama malzemeleri = Surface coating materials

Özet:
Bu doktora tezi çalışmasında, granül yapısındaki kompoze gübrelerin serbest akış halini korumak amacıyla kullanılan petrol bazlı kaplamaların yerine, çevre dostu malzemelerin geliştirilmesi hedeflenmiştir. Stearilamin ve/veya oleylamin içeren, bitkisel ve parafin iki tipte baz çözücü, vaks ve yağ asitleri kullanılarak on bir farklı antikek ajanı hazırlanmıştır. Hazırlanan antikek ajanları, kristalografik yapısı XRD ile incelenen, kekleşme eğilimleri yüksek kompoze gübre türleri olan 20.20.0(7/13) ve 15.15.15(15/0) gübreleri üzerinde 1000 ve 1500 ppm (mg kaplama/kg gübre) olarak kaplanmıştır. Gübrelerin kekleşme eğilimi, nem absorpsiyonu ve geçirgenliği, aşınma direnci ve kırılma mukavemeti özellikleri incelenmiş; hazırlanan antikek ajanlarının bu parametreler üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Kontrol olarak kaplamasız gübreler; karşılaştırma olarak ticari antikek ajanları Antikek-F ve Antikek-K kullanılmıştır. %30-38 aralığında kekleşme gösteren kaplamasız gübreler, bitkisel kaplamalarla %0-16,33 aralığında, parafin türevi kaplamalarla %0-17,45 aralığında kekleşme göstermiştir. Kırılma mukavemetinde ve aşınma direncinde en yüksek artış stearilamin içeren bitkisel kaplamalar ile gözlemlenmiştir. Bitkisel kaplamalı gübrelerde nem absorpsiyonu 20 mg/cm2'den daha düşük değerlerde belirlenmiştir. Kekleşme önleyici etkisi en iyi bulunan dört antikek ajanı seçilerek; bu antikek ajanları pilot ölçekli uygulamalar yapmak üzere hazırlanmıştır. Seçilen antikek ajanlarının viskozite, erime noktası ve yoğunluk özellikleri belirlenmiş; FTIR spektrumlarında aromatik alandaki (700 nm-1 ve daha küçük dalga boyları) piklerin seyrek olması ve alifatik alanda kuvvetli piklerin gözlemlenmesi ile biyobozunurluğunun yüksek olduğu yorumlanmıştır. Bu antikek ajanları ile kaplama makinesinde 20.20.0(9/11) gübresinde pilot ölçekte kaplama çalışması gerçekleştirilmiştir. Kaplanan gübreler gerçek zamanlı depolanmış; bir ay süre ile takip edilerek kekleşme eğilimleri belirlenmiştir. Antikek-A ile kaplanmış gübrelerde kekleşme eğilimi 15.günde %5,43 iken 30.gün sonunda bu değer %9,34'e ulaşmıştır. Antikek-B, C ve D ile kaplanmış gübrelerde 30 günlük pilot kekleşme testi sonucunda kekleşme eğilimi gözlemlenmemiştir. Pilot ölçekte kaplanan gübrelerin iklimlendirme kabininde hem torbalı hem de dökme depolama tipini simüle eden bir yıllık yaşlandırma testleri yapılmış; her bir antikek ajanı için uygun kaplama oranları belirlenmiştir. Son olarak hazırlanan antikek ajanlarının gübrelerin suda çözünmesi ve besin elementlerinin suya geçişine olan etkisi gözlemlenmiştir. Bitkisel antikek ajanlarının gübrenin çözünürlüğünü etkilemediği, parafinik antikek ajanlarının ise yalnızca 1500 ppm kaplama oranında çözünürlüğünü %2-3 oranında azaltabildiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak mevcut petrol türevi antikek ürünler yerine önerilebilecek, yüksek performansta çevre dostu antikek formülasyonları elde edilmiştir.

Abstract:
In this doctoral thesis study, it is aimed to develop environmentally friendly materials instead of petroleum-based coatings used to protect the free flow of granular compound fertilizers. Eleven different anticaking agents were prepared using two types of base solvents, vegetable, and paraffin, containing stearylamine and/or oleylamine, wax and fatty acids. The prepared anticaking agents were coated at 1000 and 1500 ppm (mg coating/kg fertilizer) on 20.20.0 (7/13) and 15.15.15 (15/0) fertilizers, which are compound fertilizer types with high caking tendencies, whose crystallographic structures were examined by XRD. Caking tendency, moisture absorption and permeability, abrasion resistance and crushing strength properties of fertilizers were examined accordingly the effect of the prepared anticaking agents on these parameters was investigated. Uncoated fertilizers were used as control while commercial anticaking agents Antikek-F and Antikek-K were used as comparison. Uncoated fertilizers showed caking in the range of 30-38%, caking in the range of 0-16.33% with vegetable coatings, and 0-17.45% in paraffin-derived coatings. The highest increase in crushing strength and abrasion resistance was observed with vegetable coatings containing stearylamine. Moisture absorption in vegetable coated fertilizers was determined at values lower than 20 mg/cm2. By selecting the four anti-caking agents with the highest performance on anti-caking effect, these anticaking agents were prepared for pilot scale applications. Viscosity, melting point, and density properties of selected anticaking agents were determined. It was interpreted that its biodegradability was high, as the peaks in the aromatic area (700 nm-1 and smaller wavelengths) were rare in the FTIR spectra and strong peaks were observed in the aliphatic area. A pilot scale coating study was carried out on 20.20.0 (9/11) fertilizer on a coating machine with these anticaking agents. The coated fertilizers were stored in real time and caking tendencies were determined by monitoring for a month. While the tendency for caking in fertilizers coated with Antikek-A was 5.43% on the 15th day, this value reached 9.34% at the end of the 30th day. As a result of the 30-day pilot caking test, no tendency to caking was observed in the fertilizers coated with Antikek-B, C and D. One-year aging tests simulating both bagged and bulk storage types were carried out in the climatic chamber of the coated fertilizers on a pilot scale. Appropriate coating rates were determined for each anticaking agent. Finally, the effect of the prepared anticaking agents on the dissolution of fertilizers in water and the transfer of nutrients to water was observed. It has been observed that herbal anticaking agents do not affect the solubility of the fertilizer, while paraffinic anticaking agents can only reduce its solubility by 2-3% at a coating rate of 1500 ppm. As a result, high-performance, environmentally friendly anticaking agent formulations that can be recommended instead of existing petroleum-derived anticaking agents have been obtained.