УДОБРЕНИЕ, СТОЙКОЕ К ПЫЛЕОБРАЗОВАНИЮ И СЛЕЖИВАНИЮ
FERTILIZER RESISTANT TO DUST FORMATION AND CAKING

Перекрестная ссылка
Эта заявка основана на и в ней заявлен приоритет по предварительной заявке на патент №62/279289, поданной 15 января 2016 г., и преобразованной заявке на патент на изобретение №15/404348, поданной 12 января 2017 г., каждая из которых целиком включена в данный текст посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное изобретение относится, в целом, к составам покрытия и, в частности, но не в смысле ограничения, к битумным эмульсиям для контроля пылеобразования и предотвращения слеживания удобрений во время хранения и транспортировки.
Описание родственного уровня техники
Хранение и доставка сыпучих материалов представляет своеобразные проблемы, относящиеся к и пылеобразованию, и к слеживаемости. Конкретнее, пылеобразование создает проблемы для безопасности, здоровья и окружающей среды, в то время как слеживание делает затруднительным хранение и доставку сыпучих материалов и, в крайних случаях, слежавшиеся материалы могут создавать угрозы безопасности.
Эти факторы особенно проблематичны в промышленности удобрений. Удобрения, в целом, находятся в порошкообразной, кристаллической или гранулированной форме и имеют склонность к пылеобразованию во время производства, хранения и транспортировки. Пыль образуется из-за трения, возникающего во время движения частиц удобрения, непрерывных химических реакций или процессов вызревания после первоначального образования частиц, что вызывает проблемы со здоровьем для дыхания людей и животных, когда пыль становится взвешенной в воздухе. Частицы удобрения также имеют склонность к слеживанию или агломерации в большие комки в связи с изменением влажности и/или температуры, или других условий окружающей среды. Слеживание вызывает проблемы до применения удобрения потому, что удобрение должно быть раскрошено для обеспечения материалом, пригодным для равномерного распределения в поле, и предотвращения засорения машин для внесения удобрений.
Были разработаны различные подходы, некоторые с успехом, для преодоления проблем, связанных со слеживанием и пылеобразованием удобрений. Например, в течении длительного времени известно применение масла, парафинов и смесей масла и парафина. Эти масла и парафины могут быть минеральными или растительными. Однако, существуют недостатки использования этих способов обработки. Со временем масло улетучивается и/или адсорбируется в частицы удобрения, и теряет свою эффективность. Парафины также неэффективны и трудны в использовании потому, что они адсорбируются в частицы удобрения, когда находятся при температуре выше их точки плавления, но они не распределяются и не покрывают поверхность частиц удобрения, когда применяются при температуре ниже их точки плавления. Дополнительно, и масло, и парафин имеют ограниченные связующие свойства, которые являются обязательными для длительного контроля пылеобразования удобрения и антислеживающих характеристик.
На основании вышеизложенного, необходимо обеспечить состав покрытия для удобрения для снижения пылеобразования и снижения склонности к слеживанию при условиях длительного хранения и доставки, с которыми сталкиваются промышленные удобрения.
Дополнительно необходимо, чтобы покрытие было жидким при температуре применения, так чтобы оно могло наноситься обычным оборудованием для нанесения покрытий или кондиционирования.
Дополнительно необходимо, чтобы состав покрытия не влиял на физико-механические характеристики, сыпучесть или агрономические свойства удобрений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В целом, в первом аспекте изобретения, изобретение относится к составу удобрения, содержащему удобрение и покрытие, по меньшей мере частично покрывающее удобрение. Покрытие содержит битум, разжиженный битум или комбинацию битума и разжиженного битума, причем битум, разжиженный битум или комбинацию битума и разжиженного битума смешивают и эмульгируют с водой для получения покрытия.
Удобрение представляет собой моноаммоний фосфат (МАФ), диаммоний фосфат (ДАФ), тройной суперфосфат (ТСФ), азот-фосфор-калий (АФК) или их комбинацию, и может быть гранулированным, дробленным, прессованным, кристаллическим или приллированным удобрением или их комбинацией. До эмульгирования битум, разжиженный битум или комбинация битума и разжиженного битума содержит 20-100% битума.
Состав удобрения дополнительно содержит эффективное количество одной или более добавок, причем одну или более добавок вводят в битум и/или разжиженный битум до эмульгирования, в воду до эмульгирования, или и в то, и в другое. Добавки включают, но не ограничиваются, питательные добавки и/или другие агрономически полезные добавки, такие как стабилизаторы азота. Состав покрытия является распыляемым при температуре окружающей среды и/или имеет вязкость от около 10 спз при 72°F до около 100 спз при 120°F.
Во втором аспекте изобретения, изобретение относится к способу предотвращения пылеобразования и слеживания удобрения. Способ включает: смешивание битума и/или разжиженного битума; эмульгирование битума, разжиженного битума или комбинации битума и разжиженного битума для получения состава покрытия; и распыление состава покрытия на удобрение. Состав покрытия при распылении на удобрение имеет температуру окружающей среды. Битум, разжиженный битум или комбинация битума и разжиженного битума до эмульгирования содержит 20-100% битума. Способ дополнительно включает введение эффективного количества одной или более добавок в битум, разжиженный битум или комбинацию битума и разжиженного битума до эмульгирования.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На Фиг. 1 изображен график вязкости от температуры различных составов покрытия;
На Фиг. 2 изображен график суммарных уровней запыленности во времени для различных составов покрытия на МАФ;
На Фиг. 3 изображен график суммарных уровней запыленности от удельного расхода покрытия для эмульгированного покрытия на МАФ;
На Фиг. 4 изображен график суммарных уровней запыленности во времени для различных составов покрытия на известняке;
На Фиг. 5 изображен график прочности слежавшегося материала для различных составов покрытия на ДАФ;
На Фиг. 6 изображен график прочности слежавшегося материала для различных составов покрытия на МАФ; и
На Фиг. 7 изображен график прочности слежавшегося материала от удельного расхода покрытия для эмульгированного покрытия на МАФ.
Другие преимущества и признаки будут очевидны из следующего описания и из формулы изобретения.
ДЕТАЛЬНОЕ ОПИСАНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Приборы и способы, описанные в данном тексте, только иллюстрируют конкретные способы создания и использования данного изобретения и не должны интерпретироваться как ограничивающие объем.
Хотя приборы и способы описаны с определенной степенью точности, следует отметить, что в детали конструкции и расположение приборов и компонентов может быть внесено много видоизменений без отклонения от сущности и объема данного раскрытия. Следует понимать, что приборы и способы не ограничены вариантами реализации изобретения, изложенными в данном тексте для целей пояснения.
В целом, в первом аспекте изобретения, изобретение относится к битумной эмульсии для использования в качестве покрытия для удобрения или других частиц, таких как кварцевая пыль, вдыхаемая пыль и т.п. Покрытие контролирует уровень пыли окружающей среды, снижает пылеобразование и снижает склонности к слеживанию, не влияя на физико-механические характеристики удобрения. Покрытие является распыляемым без нагревания, делая использование более простым, чем в случае традиционных покрытий.
Битум в битумной эмульсии представляет собой любой тип битума, включая природный битум и битум из сырой нефти. Битумная эмульсия образуется с использованием непосредственно битума или с использованием модифицированного битума. Модифицированный битум представляет собой разжиженный битум, асфальтовый битум, наполненный маслом, или асфальтовый битум, наполненный парафином. Конкретнее, битумная эмульсия образуется с использованием смол, конкретнее, парафинов. Комбинация эмульгируется с водой для образования конечного продукта. В частности, битум, разжиженный битум или комбинация битума и разжиженного битума до эмульгирования содержит от 20 до 100% битума, или предпочтительнее от 50 до 90% битума. Конкретнее, в одном варианте реализации изобретения, комбинация содержит от 50 до 100% битума и от 0 до 50% разжиженного растворителя. Комбинация далее смешивается с водой и эмульгатором для получения состава покрытия. Сухой остаток состава составляет от около 20% маc. до около 70% маc. от общей массы состава покрытия. Состав покрытия конкретно исключает сополимер поливинилацетата и бутилакрилата.
После эмульгирования состав покрытия используется для покрытия неорганических и органических удобрений. Удобрение представляет собой питательное вещество для растений, выбранное из группы, состоящей из соединений первичных макроэлементов (азот, фосфор и калий), вторичных макроэлементов (кальций, сера и магний) и микроэлементов (бор, хлор, медь, железо, магний, молибден и цинк) или их комбинаций, или представляет собой любое другое необходимое удобрение. Удобрение находится в гранулированной, пеллетированной, дробленной, прессованной, кристаллической, агломерированной или приллированной форме. Состав покрытия не влияет отрицательно на сорт удобрения, качество продукта или скорость производства удобрения. Состав покрытия применяют к удобрению путем распыления, как указано выше состав покрытия может быть распыляемым при температуре окружающей среды без нагревания. Температурой окружающей среды считается от 33° до 120°F или, конкретнее, от 72° до 120°F.
Состав покрытия является жидким и достаточно подвижным, чтобы распределиться по поверхности гранул удобрения во время процесса покрытия, но все же имеет достаточные связующие свойства, чтобы приклеивать пыль окружающей среды к поверхности гранул и снижать пылеобразование во время последующего хранения и доставки. Состав покрытия имеет вязкость от около 10 спз до около 100 спз при от 72° до 120°F. Конкретнее, состав покрытия имеет вязкость более низкую, чем современные коммерчески доступные продукты при той же температуре. Это позволяет пользователю пропустить типичный этап нагревания, обычно требуемый до процесса нанесения покрытия. В более широком смысле, вязкость составляет меньше, чем 200 спз, предпочтительно меньше, чем 100 спз при 120°F, и предпочтительнее меньше, чем 10 спз при 72°F. Удобрения, покрытые данным эмульгированным покрытием, образуют меньше пыли, чем те, что покрыты современными коммерческими продуктами. Дополнительно, удобрения, покрытые данным покрытием, слеживаются меньше, чем те, что покрыты современными коммерческими продуктами. Уменьшение склонности к слеживанию было неожиданным потому, что многие удобрения состоят из или содержат водорастворимые соли, и качество удобрения часто подвергается риску из-за добавления воды или контакта с водой. Если вода адсорбируется удобрением, поверхность становиться нестабильной и это способствует росту поверхностных кристаллов, что приводит к образованию кристаллических мостиков между гранулами, и это образование мостиков приводит к слеживанию. Учитывая, что эмульгированное покрытие содержит от 80% до 30% воды, снижение склонности к слеживанию было непредвиденным.
Изобретение дополнительно поясняется ссылкой на ниже описанные примеры.
Примеры
Легкость приготовления эмульсии зависит от широкого диапазона переменных, включая температуру, выбор сырьевых материалов, сухой остаток, механическое оборудование для эмульгирования и выбор эмульгаторов. Большинство эмульсий готовят с конечным сухим остатком от 20% до 70%. В следующих примерах используемый эмульгатор представляет собой анионогенное поверхностно-активное вещество, являющееся и жирорастворимым, и диспергируемым в воде, и было принято решение использовать мыло как часть эмульсии при рН от 6 до 8. Ожидается, что другие анионогенные, катионогенные или неионогенные поверхностно-активные вещества, амфотерные или цвиттер-ионнные эмульгаторы, или эмульсии, стабилизированные твердыми частицами, могут применяться для создания подобных эмульсий.
Вязкость эмульгированного состава была определена с помощью вискозиметра Брукфильда DV-I+ с термоконтроллером Brookfield Thermosel. Вязкость эмульгированного состава, по сравнению с двумя неэмульгированными стандартными коммерческими продуктами обеспыливающего состава изображена на Фиг. 1. Максимальная вязкость легко распыляемого состава составляет около 200 спз. Вязкость обоих обеспыливающих продуктов повышается при снижении температуры, что указывает на то, что температуру необходимо поддерживать на уровне по меньшей мере 100°F для первого и на уровне по меньшей мере 200°F для второго с целью эффективного покрытия удобрений. Однако эмульгированное покрытие имеет вязкость меньше, чем 100 спз, даже при температуре ниже 100°F, что значит, что нет необходимости увеличивать температуру эмульгированного состава при нанесении на удобрения, поскольку вязкость поддерживается в рабочем диапазоне. Это устраняет этап нагревания, часто требуемый перед нанесением покрытия.
Уровни запыленности определялись с использованием фильтр-башни, описанной в патенте США №6062094 Carlini и соавторов. В данном испытании частицы удобрения проходят сквозь встречный воздушный поток и одновременно перемешиваються, проходя сквозь серию колосников. Частицы пыли собираются на фильтре и запыленность определяется путем измерения измений массы на аналитических весах. Уровень запыленности определялся и первоначально после обработки составами покрытия, и повторно после выдержки на протяжении до четырех недель. Этот процесс выдержки используется для имитации увеличения уровней запыленности, обычно встречающихся при хранении удобрений.
Степени слеживания определялась с использованием уплотняющего прибора для оценки прочности, необходимой для разрушения слежавшегося удобрения. В данном испытании частицы удобрения помещали в климатическую камеру с контролируемыми условиями температуры, влажности и давления для побуждения слеживания. Слежавшиеся частицы удобрения помещали под зонд, присоединенный к цифровому силоизмерителю. Зонд погружался с контролируемой скоростью в гранулы удобрения на глубину  дюйма. Сила, необходимая для разрушения слежавшегося удобрения, записана силоизмерителем и представляет собой степень слеживания.
Пример 1
Пример изображает улучшение в снижении суммарной запыленности моноаммоний фосфата (МАФ), покрытого эмульгированным составом, как приведено в Таблице 1. Удельный расход покрытия составляет 1,5 фунта/тонну. И начальный уровень запыленности, и уровень запыленности после выдержки были определены после обработки удобрения составами покрытия, и суммарный уровень запыленности был рассчитан путем суммирования уровней запыленности из каждого испытательного периода.
МАФ был первоначально покрыт первым обеспыливающим продуктом в качестве подложки. МАФ, как правило, покрыт подложкой для целей начального хранения. Далее был нанесен первый обеспыливающий продукт или эмульгированный состав в качестве покровного слоя. Покровный слой, как правило, применяется к МАФ до транспортировки водным путем. Концентрация пыли определялась для нескольких временных интервалов, на протяжении до шести недель, и были записаны суммарные уровни запыленности. Как приведено в Таблице 1, МАФ только с подложкой давал наивысший суммарный уровень запыленности. Применение покровного слоя дополнительно снижало уровни запыленности, и покровный слой из эмульгированного состава значительно снижал уровень запыленности, по сравнению с покровным слоем из первого обеспыливающего продукта, как изображено на Фиг. 2.
Пример 2
Данный пример изображает улучшение в снижении суммарной запыленности МАФ с использованием различных удельных расходов покрытия в диапазоне от 1,5 фунтов/тонну до 3,0 фунтов/тонну эмульгированного состава, как приведено в Таблице 2. И начальные уровни запыленности, и уровни запыленности после выдержки были определены после обработки удобрения тремя использованными удельными расходами, и суммарный уровень запыленности был рассчитан путем суммирования уровней запыленности из каждого испытательного периода.
Как и в Примере №1, МАФ был первоначально покрыт вторым обеспыливающим продуктом в качестве подложки для целей хранения. Эмульгированный состав применялся как покровный слой при трех разных удельных расходах нанесения. Как приведено в Таблице 2, суммарные уровни запыленности значительно снижались при применении более высокого удельного расхода покрытия. Удельный расход покрытия 3 фунта/тонну показал наилучшие результаты в снижении запыленности, как изображено на Фиг. 3.
Пример 3
Данный пример изображает эффективность снижения суммарной запыленности известняком, покрытым эмульгированным составом, по сравнению с другими коммерческими обеспыливающими составами. Удельный расход покрытия составил 8 фунтов/тонну. И начальные уровни запыленности, и уровни запыленности после выдержки были определены после обработки удобрения составами покрытия, и суммарный уровень запыленности был рассчитан путем суммирования уровней запыленности из каждого испытательного периода.
Известняк был покрыт составами покрытия и для сравнения были измерены удельные расходы, перечисленные выше, и суммарные уровни запыленности. Как приведено в Таблице 3, непокрытый известняк производил значительное количество пыли с суммарными уровнями запыленности более 2000 частей на миллион после 4 недель. Однако, покрытие эмульгированным составом снизило суммарные уровни запыленности до 554 частей на миллион после 4 недель, что является снижением суммарного уровня запыленности более, чем на 70%, как изображено на Фиг. 4.
Пример 4
Таблица 4 и Таблица 5 изображают эффективность в снижении степени слеживаемости при использовании эмульгированного состава, по сравнению с другими коммерческими составами для диаммоний фосфата (ДАФ) и моноаммоний фосфата (МАФ), соответственно. Удельный расход покрытия составляет 6 фунтов/тонну. Прочность слежавшегося материала определялась после обработки удобрений составами и выдержки в климатической камере.
Как и в Примере №1, и ДАФ, и МАФ были покрыты вторым обеспыливающим продуктом 75 в качестве подложки для целей хранения. Для ДАФ и МАФ, обработанных только подложкой, использованный удельный расход составил 6 фунтов/тонну. Для ДАФ и МАФ, на которые должен был наносится покровный слой, удельный расход подложки был снижен до 3 фунта/тонну. Далее был нанесен первый обеспыливающий продукт и эмульгированный состав в качестве покровного слоя при 3 фунтах/тонну. Для запуска слеживания образцы удобрения подвергались циклам высокой и низкой температуры и влажности. Образцы с покрытием помещались в камеру при 140°F и 75% относительной влажности (ОВ) и выдерживались на протяжении четырех часов. Образцы далее охлаждались до 72°F при 55% ОВ и выдерживались на протяжении двух часов. Температура и влажность повторно поднимались до 140°F и 75% ОВ и поддерживались на протяжении четырех часов. В конце образцы в камере далее охлаждались до 72°F при 55% ОВ и выдерживались на протяжении по меньшей мере 16 часов для завершения климатического цикла. Образцы ДАФ и МАФ должны быть слежавшимися после этих циклов.
Слежавшиеся образцы были испытаны для определения прочности слежавшегося материала. Как приведено в Таблице 4, прочность слежавшегося ДАФ снизилась более, чем на 50%, при применении эмульгирующего состава в качестве покровного слоя, как изображено на Фиг. 5. Как приведено в Таблице 5, прочность слежавшегося МАФ снизилась на 38% при применении эмульгирующего состава в качестве покровного слоя при 4,8 фунтах/тонну, как изображено на Фиг. 6. Покровный слой из первого обеспыливающего продукта также снизил прочность слежавшегося МАФ на 38%, но потребовалось 6,0 фунтов/тонну. Это показывает, что состав эмульсии может достичь равного снижения слеживаемости при значительно меньшем количестве активного (или органического) вещества.
Пример
Пример 5
Таблица 6 показывает эффективность в снижении слеживания для эмульгированного состава на МАФ при двух разных удельных расходах покрытия и двух разных климатических циклах. Степени слеживания были определены после обработки МАФ эмульгированными составами и испытания в климатической камере.
Как и в Примере №1, МАФ был покрыт вторым обеспыливающим продуктом в качестве подложки при 6 фунтах/тонну для целей хранения. Далее был нанесен эмульгированный состав в качестве покровного слоя при 3 фунтах/тонну и 8 фунтах/тонну. Как и в Примере 4, для запуска слеживания образцы МАФ подвергались циклам высокой и низкой температуры и влажности. Образцы помещались в климатическую камеру при 140° F с влажностью или 70%, или 75% ОВ, и выдерживались на протяжении 3,5 часов. Образцы охлаждались до 72° F при 55% ОВ и выдерживались на протяжении двух часов. Температура и влажность повторно повышались: повторно до140°F с влажностью или 70%, или 75% ОВ, и поддерживались на протяжении 3,5 часов. В конце образцы в камере повторно охлаждались до 2°F при 55% ОВ и выдерживались на протяжении по меньшей мере 16 часов для завершения климатического цикла. Образцы МАФ должны быть слежавшимися после этих циклов. Слежавшиеся образцы были испытаны для определения прочности слежавшегося материала. Как приведено в Таблице 6, при 8 фунтах/тонну покровного слоя из эмульсии прочность слежавшегося материала снизилась на около 60% при 70% ОВ и 40% при 75% ОВ, что также изображено на Фиг. 7.
Пример 6
Таблицы 7 и 8 еще раз показывают эффективность снижения слеживания и суммарной запыленности для эмульгированного состава на МАФ (моноаммоний фосфате) при трех разных удельных расходах покрытия, по сравнению с другими обеспыливающими агентами с или без антислеживателей. Степени слеживания были определены после обработки МАФ эмульгированными составами и испытания в климатической камере.
При том, что приборы и способы описаны в отношении графических материалов и формулы изобретения, следует понимать, что в пределах сущности и объема данного изобретения могут быть сделаны другие и дополнительные видоизменения, помимо изображенных и предложенных в данном тексте.