Исследование технологии получения новых форм фосфорсодержащих биоудобрений

лимерной композиции, которые выдерживались в ней в течение 6 мес и фрагментировали в ней за этот срок. Установлено, что растения не отличались по морфологическим признакам, что доказывает безопасность захоронения материала в почве.

Таким образом, в результате исследования осуществлен выбор эффективного сявязующего для полимерной композиции, обеспечивающий высокие показатели качества материала для декоративной лепки. Установлена способность материала к биодеградации при его инкубировании в

почве. Исследования по биоиндикации подтверждают безопасность захоронения материала.

ЛИТЕРАТУРА

1. Bastioli C. In Degradable Polymers. Principles and Application. Eds G.Scott, D.Gilead. London: Champman & Hall. 1995. 112 p.

2. Высоковский A.C., Коротнева И.С., Комин A.B., Полякова Е.А. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2013. Т. 56. Вып. 12. С. 105-107;

Vysokovskiy A.S., Korotneva I.S., Komin A.V., Polyakova E.A. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2013. V. 56. N 12. P. 105-107 (in Russian).

Кафедра химии и технологии биологически активных и высокомолекулярных соединений

УДК 631.812.12 : 66.022.384

С. Усманов, У. М. Тойпасова, Г. Т. Омарова, Э. Б. Козыбакова, Ш. Байбащаева, 3. С. Ашимханова

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ НОВЫХ ФОРМ ФОСФОРСОДЕРЖАЩИХ

БИОУДОБРЕНИЙ

(Институт химических наук им. А.Б. Бектурова), e-mail: tuljan@mail.ru

В данной статье предложена принципиальная технологическая схема получения фосфорсодержащего удобрения на основе фосфоритной муки фосфоритов Каратау, биопрепарата Ml и фосформобилизующих бактерий. Проведены исследования по определе-нию:прочности гранул; гигроскопичности и товарных свойств биоудобрений; жизнедеятельности фосформобилизующих микроорганизмов при хранении.

Ключевые слова: технология, фосфоритная мука, аммиачная селитра, фосформобилизующие бактерии, товарные свойства удобрений

ВВЕДЕНИЕ

Технология получения фосфорсодержащих удобрений сложна и требует больших энергетических затрат. При этом коэффициент использования пентаоксида фосфора из удобрений невысок и составляет всего 10-20 % от вносимого его количества в почву, остальная же его часть, реагируя с ионами Са2+, Ре3+ и др., переходит в нерастворимые в воде и недоступные для растений соединения. Во всем мире идет поиск путей удешевления процессов получения фосфорсодержащих удобрений и вовлечения в производство бедного фосфатного сырья [1].

Определяющим фактором в технологии получения и применения удобрений являются:

- высокая агрохимическая, экономическая и экологическая эффективность;

- простота технологического процесса;

- низкая себестоимость продукта;

- сыпучесть;

- транспортабельность;

- удобство внесения в почву.

Актуальным является создание энергоресурсосберегающей технологии переработки низкосортного фосфатного сырья фосфоритов Каратау с использованием энергии биопрепаратов и фосформобилизующих бактерий.

В данной работе рассмотрены теоретические основы принципиальной упрощенной технологической схемы получения гранулированных биоудобрений с низкой себестоимостью, обладающих хорошими товарными свойствами.

Так как основным компонентом биоудобрений является фосфоритная мука, необходимо

определиться с выбором связывающего агента и оборудования для получения гранулированного продукта. Компонентами для повышения удобрительных свойств фосфоритной муки являются биоудобрения и фосформобилизующие бактерии, поэтому вторым важным моментов является технология их нанесения на поверхность гранул.

Таким образом, для создания принципиальной технологической схемы получения новых форм фосфорсодержащих биоудобрений на основе фосфоритной муки фосфоритов Каратау, биопрепаратов, содержащих фосформобилизующие бактерии, входными параметрами являются:

- выбор связующего агента, определение технологии и выбор аппаратуры для получения гранулированного продукта на основе фосфоритной муки фосфоритов Каратау;

- теоретическое обоснование и аппаратурное оформление технологии получения фосфорсодержащего биоудобрения на основе фосфоритной муки, биопрепарата №1 и фосформобили-зующих бактерий.

Основными питательными элементами при создании минеральных удобрений являются азот, фосфор и калий, поэтому в качестве связующего агента выбраны аммиачная селитра, карбамид, сульфат аммония, хлорид калия.

В производстве минеральных удобрений для грануляции используют грануляционную башню, аппарат кипящего слоя, барабан-гранулятор-сушилку, шнековый гранулятор. Для проведения технологических исследований в лабораторных, пилотных и опытно-промышленных условиях приемлемым является шнековый гранулятор [2-4].

Биопрепараты и фосформобилизующие бактерии в составе минеральных удобрений могут потерять свои качества, поэтому для сочетания с фосфорсодержащими удобрениями предлагается их нанесение на поверхность гранул.

Склонность продуктов поглощать атмосферную влагу влияет на условия производства и сушки, качество продукции при хранении, транспортировке и применении. При значительной гигроскопичности продукты слеживаются, ухудшается их сыпучесть и просеиваемость, гранулы теряют прочность. Критерием оценки гигроскопичности зернистых и порошкообразных химических продуктов является гигроскопическая точка. Большое практическое значение имеют данные по динамике влагопоглощения, равновесной влажности влагоемкости и слеживаемости.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Гигроскопическую точку зернистых и порошкообразных химических продуктов определяли статическим - эксикаторным методом Пестова Н.Е.

[5]. Относительная влажность атмосферы - 40, 60, 80 %, которая соответствуют Южным, Центральным и Северным регионам Республики Казахстан, создавалась путем смешивания дистиллированной воды с концентрированной серной кислотой. Полученные растворы серной кислоты, соответствующие 40, 60, 80 % относительной влажности атмосферы, вливали в эксикаторы. В бюксы с притертой крышкой вносили навески исследуемых препаратов и после взвешивания на аналитических весах помещали в эксикаторы, где происходило поглощение влаги. Через каждые сутки производили взвешивание бюксов с навесками до наступления равновесия — на 12-14 сут.

Определение слеживаемости проводили по методике, которая заключается в помещении продукта в разъемный металлический цилиндр высотой 50 мм и диаметром 20 мм, и выдерживании его под нагрузкой 2 кг в течение 12 ч при температуре 80°С с последующим разрушением комко-образных образцов.

Диаметр сводообразующего отверстия определяли путем свободного пропускания порошкообразного продукта через отверстие диаметром 10-50 мм. Определение просеваемости проводили следующим образом: 0,5 кг продукта помещали в конус под наклоном в 60° к горизонту и определяли время выгрузки через отверстие в 20 мм. Определение производили в баллах по Мерингу. Угол естественного откоса определяли путем высыпания вещества на гладкую поверхность и замером образующегося угла.

Определение численности фосформобили-зующих бактерий при хранении фосфорсодержащих биоудобрений проводили следующим образом: 1 г фосфорсодержащих биоудобрений вносили в 10 мл стерильной дистиллированной воды, перемешивали до получения пульпы. Пульпу выдерживали в течение 10-15 мин и с осветленной поверхности аккуратно пипеткой брали 1 мл раствора для исследования. Данный раствор разбавляли в 5-7 раз, засевали на поверхность горохового агара и выдерживали в течение 5 дней при 25-28°С. Производили определение численности фосформобили-зующих бактерий, которая выражается в млн. или тыс. КОЕ на 1 г сухого биоудобрения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Синтез фосфорсодержащих биоудобрений на основе фосфоритной муки фосфоритов Каратау, биопрепарата №1, фосформобилизующих бактерий производили в следующей последовательности:

Фосфоритную муку смешивали с раствором карбамида, сульфата аммония, хлорида калия

и аммиачной селитры до получения однородной массы, при необходимости высушивали при температуре 70-90°С.

Полученную массу измельчали с последующим отбором частиц размером 1-4 мм.

На поверхность частиц наносили рас-

активного вещества карбоксилметилцеллюлозы (КМЦ), биопрепарата №1 и фосформобилизую-.

Были проведены исследования по определению: прочности гранул; гигроскопических характеристик и товарных свойств биоудобрений; жизнедеятельности фосформобилизующих микроорганизмов при хранении.

Растворимость связывающего агента необходима для упрощения технологического процесса при грануляции фосфоритной муки в шнековом грануляторе без подвода тепла извне. Для этой цели нами были использованы литературные данные [6-9], из которых наиболее приемлемым для связывания фосфоритной муки без подвода тепла для сушки продукта является аммиачная селитра. Установлена общая закономерность повышения прочности гранул при увеличении количества связующего агента до 15 мае. %. Дальнейшее повышение его количества до 20 мае. % не приводит к росту показателя прочности гранул. Низкие показатели наблюдаются при количестве 10 мае. %, что объясняется недостаточностью аммиачной селитры для связывания частиц фосфоритной муки (рис. 1). Необходимо отметить, что прочность гранул лимитируют хорошие товарные свойства продукции при хранении, перевозке и особенно при внесении туков в почву. Наиболее оптимальным вариантом является аммиачная селитра в количестве 15 мае. %, при этом прочность гранул удобрения размером 1,5-4 мм составляет 2,5-4,0 кг/гранула.

О -,-,-,-1

5 10 15 20 25

массовое отношение, мас.%

Рис. 1. Зависимость влияния количества аммиачной селитры

и размера гранул на их прочность Fig. 1. The dependence of effect of ammonium nitrate amount and granule size on the granules strength

Нами проведены исследования по определению влагопоглощения фосфорсодержащего биоудобрения, полученного на основе аммиачной

селитры, фосфоритной муки, биопрепарата №1 и фосформобилизующих бактерий при относительной влажности 40 % (летний период), 60 % (осен-не-весенний периоды), 80 % (осеннее-весенне-зимний периоды).

С учетом фосформобилизующей эффективности биопрепарата №1 и фосформобилизующих бактерий, а также прочности гранул биоудобрение получили при мае. %:

1. Фосфоритная мука - 86,65; аммиачная селитра - 10; биопрепарат №1 - 0,42; фосформо-билизующие бактерии - 0,43; КМЦ - 2,5;

2. Фосфоритная мука - 81,65; аммиачная селитра - 15; биопрепарат №1 - 0,42; фосформо-билизующие бактерии - 0,43; КМЦ - 2,5;

3. Фосфоритная мука - 76,65; аммиачная селитра - 20; биопрепарат №1 - 0,42; фосформо-билизующие бактерии - 0,43; КМЦ - 2,5.

Влагоемкость биоудобрения при количестве связующего агента (аммиачной селитры) 10 мае. % составляет 8,7 мае. %, при 15-8,4; при 208,0 мас.%. Некоторое снижение влагоемкости биоудобрения по мере повышения количества аммиачной селитры обусловлено малой влагоемко-стью азотного тука - 1,7 мае. %. Удобрения не слеживаются до влагосодержания 7,5 мае. %. Из полученных данных следует, что биоудобрения обладают малой гигроскопичностью, высокой влагоемкостью и несклонны к слеживанию. Полученные данные являются основой для получения фосфорсодержащих биоудобрений с хорошими физико-химическими свойствами.

При исследовании товарных свойств биоудобрений входным параметром является влаго-содержание, определяющее равновесную влажность \УР удобрений при относительной влажности атмосферы 40%, 60% и 80%. Параметры диаметра сводообразующего отверстия и просеваемо-сти по Мерингу определяют возможность равномерного внесения минеральных удобрений в поч-

.

Из полученных данных следует, что биоудобрение при количестве аммиачной селитры 10, 15, 20 мае. % и равновесной влажности 0,852,9 мае. % имеет значение диаметра сводообразующего отверстия 10-15 мм, просеваемости по Мерингу - 8 и более баллов и угла естественного откоса 30-37°.

Результаты исследований товарных свойств биоудобрений свидетельствуют о том, что их можно заделывать в почву при летне-осенне-весенних условиях возделывания сельскохозяйственных культур с помощью механического агрегата.

Жизнедеятельность фос формобилизу ю -щих бактерий определяет эффективность фосфор-

содержащих биоудобрений. На основании этого провели исследования по влиянию влагосодержа-ния и количества КМЦ на выживаемость фосфор-мобилизующих бактерий при хранении биоудобрений. Выбор влагосодержания в туке обусловлен его равновесной влажностью при летних, осенне-весенних и зимних условиях хранения. Количество КМЦ влияет на получение качественного покрытия гранул.

На рис. 2 приведены графические данные выживаемости ФМБ при хранении биоудобрения в зависимости от его влагосодержания.

зимний период) потеря бактерий составляет 5 %.

фосформобилизующих

месяц

Рис. 2. Влияние влагосодержания на выживаемость ФМБ при хранении биоудобрения. Количество КМЦ - 2,5 мае. %; температура-25 "С; количество ФМБ 16,5 млрд. колоний в 1 г раствора

Fig. 2. The influence of moisture content on the phosphormobiliz-ing bacteria survivability during storage of biofertilizers. KMC amount -2.5 mass%; temperature- 25 °C; FMB amount-16/65 billions of bacterial clumps per 1g of solution

На рис. 3 приведены диаграммы зависимости выживаемости ФМБ при хранении биоудобрения от количества КМЦ.

Установлено, что при количестве КМЦ 5 и 2,5 мае. % наблюдается примерно одинаковое количество потерь ФМБ. Снижение нормы КМЦ до 1 мае. % приводит к резкому повышению потери ФМБ. Так, если при хранении биоудобрения в течение 3 мес. и количестве КМЦ 5 мае. % потеря составляет 9,5 %; при количестве КМЦ 2,5-10 %, то при количестве КМЦ 1 мае. % потеря достигает 27 %. Оптимальным является количество КМЦ 2,5 мае. % и срок использования биотука в течение 3 мес.

Показано (рис. 2, 3), что в летних условиях хранения биоудобрение теряет большее количество фосформобилизующих бактерий в сравнении с осенне-весенними и зимними условиями хранения. Так, если в летних условиях хранения после двух месяцев при влажности биоудобрения 1 мае. % потеря фосформобилизующих бактерий составляет 15 %, то при влажности биоудобрения 2 мае. % (равновесная влажность продукта соответствует условиям хранения в осенне-весенний период) потеря составляет 10 %, а при 3 мае. % (равновесная влажность соответствует условиям хранения в

3 4 t, месяц

Рис. 3. Влияние количества КМЦ на выживаемость ФМБ при хранении биоудобрения. Влагосодержание биоудобрения — 3 мае. %; температура - 25 :С; количество ФМБ 16,5 млрд.

колоний в 1 г раствора Fig. 3. Effect of amount of carboxymethylcellulose on the phos-phormobilizing bacteria survivability during storage of PMB biofertilizers. Moisture content of bio fertilizer - 3 mass%; temperature - 25 : C; FMB amount-16/65 billions of bacterial clumps per 1g of solution

Из полученных данных следует, что биоудобрение нужно использовать в летних условиях хранения в течение 1-1,5 мес., осенне-весенних условиях - 2 мес., зимних условиях - до 3 мес.

На основании вышеприведенных анализов предлагается упрощенная технологическая схема (рис. 4) получения фосфорсодержащих биоудобрений, состоящих из двух основных узлов:

1. Узел грануляции фосфоритной муки;

2. Узел нанесения на поверхность гранул смеси биопрепарата и фосформобилизующих бактерий.

В реакторе 7, снабженном мешалкой, готовят раствор аммиачной селитры в течение 25-30 мин при температуре 50-65 °С для поддержания температуры реактор оснащен водяной рубашкой. Раствор аммиачной селитры через вентиль 2 поступает в шнековый гранулятор 3, где распыляется на поверхность частиц фосфоритной муки, подаваемой из бункера 4. Гранулированное фосфорсодержащее удобрение из шнекового гранулятора ленточным транспортером 5 поступает на классификатор б, откуда частицы размером менее 1мм возвращаются в бункер 4, а частицы размером более 1 мм подаются в классификатор 7, откуда частицы размером 1-4 мм подаются в шнековый смеситель 8, где на их поверхность распыляется раствор, приготовленный в смесителе 9, содержащий 30 % раствор КМЦ (10), биопрепарат №1 (11) и фосформобилизующие бактерии (12), а частицы размером более 4 мм подаются в дробилку 13, откуда направляются на классификатор 6. Готовое фосфорсодержащее биоудобрение из шнекового смесителя 8 поступает на затаривание.

Рис. 4. Принципиальная технологическая схема получения фосфорсодержащих биоудобрений на основе фосфоритной муки фосфоритов Каратау, биопрепаратов и фосформобили-зующих бактерий: 1 - реактор для приготовления раствора аммиачной селитры; 2 - вентили; 3 - шнековый гранулятор; 4 - бункер; 5 - ленточный транспортер; 6, 7 - классификатор; 8

- шнековый смеситель для покрытия гранул; 9 - смеситель; 10 - емкость для КМЦ; 11 - емкость для биопрепарата №1 (Б-1); 12 - емкость для фосформобилизующих бактерий (ФМБ);

13 - дробилка

Fig. 4. The technological principle scheme of receiving fertilizer

containing phosphorus on the basis of a phosphorite flour of phosphorites of Karatau, the biopreparation №1 and phosphormo-bilizing bacteria: 1 - the reactor for preparation of the solution of ammonium nitrate; 2 - valve; 3 - screw granulator; 4 - bunker; 5

- tape conveyor; 6, 7 - qualifier; 8 - screw mixer for a covering of granules; 9 - mixer; 10 - capacity for carboxymethylcellulose (CMC); 11 - capacity for biopreparation №1 (B-l); 12 - capacity

for phosphormobilizing of the bacteria (PMB); 13 - crusher

ВЫВОДЫ

Таким образом, по результатам исследований разработана принципиальная технологическая схема получения фосфорсодержащего биоудобрения на основе фосфоритной муки фосфоритов Каратау, биопрепарата №1 и фосформобилизующих бактерий.

Определены оптимальные условия получения фосфорсодержащего биоудобрения. Изуче-

но влияние связывающего агента на прочность гранул удобрения, гигроскопические характеристики, товарные свойства и степень выживаемости ФМБ биоудобрения в зависимости от влагосо-держания удобрения и количества КМЦ. Установлен состав фосфорсодержащего биоудобрения:

- количество фосфоритной муки - 81,65

мае. %;

- количество связывающего агента (аммиачная селитра) - 15 мае. %;

- количество биопрепарата №1 - 0,42 мае. % и ФМБ - 0,43 мае. %;

- количество КМЦ - 2,50 мае. %.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кочетков В.Н., Борисов В.М. // М.: НИИЭТЭхим. Сер. «Экономика хим. промышленности». 1967. Вып. 9. С. 37-61;

Kochetkov V.N., Borisov V.M. // M.: NIIETEKhim. Ser.

б1

(in Russian).

2. Патрикеева И.И. // M.: НИИТЭхим. Сер. «Хим. промыт. за рубежом». 1969. Вып. 7. С. 48-61; Patrikeeva I.I. // M.: NIIETEKhim. Ser. «Khim. promysh. za rubezhom». 1969. N 7. P. 48-61 (in Russian).

3. Казакова E.A. // Хим. промыт. 1968. № 6. С. 37-43; Kazakova E.A. // Khim. promysh. 1968. N 6. P. 37-43 (in Russian).

4. Кочетков B.H. // Труды НИУИФ. 1970. Вып. 212. С. 3-10; Kochetkov V.N. // Trudy NIUIF. 1970. N 212. P. 3-10 (in Russian).

5. Смирнов Г.М., Муравин Э.Р. Агрохимия. M.: Агро-промиздат. 1991. 288 е.;

Smirnov G.M., Muravin E.R. Agrokhimiya. M.: Agro-promizdat. 1991.288 p.

6. Майзель Ю.А., Коган А.М. // Труды НИУИФ. 1970. Вып. 212. С. 11-27;

Maiyzel' Yu.A., Kogan A.M. // Trudy NIUIF. 1970. N 212. P. 11-27 (in Russian).

7. Кочетков В.И., Бурова M.C. // M.: НИИТЭхим. Сер. «Промыт, мин. удобрений и серной кислоты». 1972.

-10;

Kochetkov V.l., Burova M.S. // M.: NIIETEKhim. Ser.

1972. N 11.

P. 6-10 (in Russian).

8. Шахова H.A., Гришаев И.Г. // Хим. промыт. 1973. №9. С. 50-53;

Shakhova N.A., Grishaev I.G. // Khim. promysh. 1973. N 9. P. 50-53 (in Russian).

9. Шахова H.A., Классен П.В. // Хим. промыт. 1974. № 2. С. 57-60;

Shakhova N.A., Klassen P.V. // Khim. promysh. 1974. N 2. P. 57-б0 (in Russian).

Лаборатория неорганического синтеза и материалов