nawozy zawiesinowe jako proekologiczna forma nawożenia

Proceedings of ECOpole
Vol. 2, No. 1
2008
Daniel MIKŁA1, Krystyna HOFFMANN1 i Józef HOFFMANN1
NAWOZY ZAWIESINOWE
JAKO PROEKOLOGICZNA FORMA NAWOśENIA
SUSPENSION FERTILIZERS
AS A PRO-ECOLOGICAL FORM OF FERTILIZATION
Streszczenie: Zbadano moŜliwości uaktywnienia iłu pochodzącego z okolic Turoszowa oraz bentonitu Most do
celów nawozowych jako stabilizatory zawiesiny. Uaktywnienie polegało na wymianie z przestrzeni
międzypakietowych oraz podstawień izomorficznych takich jonów, jak K+, Ca2+ i Mg2+ na jony Na+. W tym celu
na substancje działano roztworami NaOH o róŜnych stęŜeniach: 0,1; 0,5; 1,0; 1,5 i 2,0 M. Minerały mieszano
z roztworami w stosunku 1:100% mas. Tak powstałe układy poddawano intensywnemu mieszaniu przez okres
4 h. Po tym czasie usuwano fazę ciekłą. Przesącz poddawano suszeniu. Następnie badano stopień uaktywnienia za
pomocą pomiaru współczynnika stopnia stabilności zawiesiny. Zbadano równieŜ wpływ czasu mieszania na
wzrost aktywności tych minerałów. Kolejne próbki mieszano przez czas: 1, 2, 4, 6 i 8 h. Na końcu zbadano wpływ
temperatury mieszania na właściwości badanych substancji. Do badań przyjęto temperatury: 22, 30, 40, 60 i 80°C.
Największy wzrost współczynnika stabilności stwierdzono w przypadku stęŜenia 1,0 M, 4 h i 22°C dla iłu
Turoszów oraz 0,5 M, 6 h i 22°C dla bentonitu Most.
Słowa kluczowe: nawozy zawiesinowe, stabilizacja, uaktywnianie, bentonit, glinokrzemiany
Nawozy zawiesinowe są nowoczesnym sposobem nawoŜenia [1]. Ich negatywny
wpływ na środowisko jest mniejszy niŜ w przypadku nawozów stałych. Decyduje o tym
radykalne zwiększenie dokładności aplikacji składników odŜywczych na uprawy. Do celów
stabilizacyjnych w nawozach zawiesinowych stosuje się najczęściej mieszaniny minerałów
ilastych z grupy smektytu - bentonity [2, 3].
Rolnictwo jest jednym ze źródeł zanieczyszczeń środowiska. Wynika to między
innymi z wytwarzania duŜych ilości odpadów pozwierzęcych oraz stosowania środków
ochrony roślin i nawozów sztucznych. Usuwanie odpadów pozwierzęcych, takich jak kości,
pióra itp., polega zwykle na ich spalaniu. Obecnie prowadzi się badania nad
wykorzystaniem tych substancji do produkcji nawozów. Zanieczyszczenia związane ze
stosowaniem nawozów i środków ochrony roślin moŜna ograniczać, stosując ich
dokładniejsze dozowanie. Jednym ze sposobów na osiągnięcie tego jest stosowanie
nawozów w formie płynnej (ciekłej i zawiesinowej). Ze względu na specyfikę niektórych
substancji nie da się ich zastosować w formie ciekłej (rozpuszczalnej). Jest to
spowodowane ich niepełną rozpuszczalnością. W takich przypadkach moŜna zastosować
formę zawiesinową. W celu uzyskania zawiesiny stosuje się minerały ilaste z grupy
smektytu (montmorillonit, attapulgit, illit) - bentonity. W Polsce nie ma złóŜ dostatecznie
zasobnych w minerały ilaste z tej grupy. W związku z tym są prowadzone badania w celu
zbadania moŜliwości zastosowania róŜnych surowców ilastych jako stabilizatorów
zawiesiny do celów nawozowych. Prowadzone są równieŜ badania uaktywniania surowców
ilastych, nienadających się do stosowania w niezmienionej formie. W niniejszej publikacji
przedstawiono badania mające na celu uaktywnienie bentonitu Most oraz iłu Turoszów
[4, 5].
1
Instytut Technologii Nieorganicznej i Nawozów Mineralnych, Politechnika Wrocławska,
ul. M. Smoluchowskiego 25, 50-372 Wrocław, tel. +48 71 320 39 30, email: [email protected]
228
Daniel Mikła, Krystyna Hoffmann i Józef Hoffmann
Badania nad uaktywnianiem minerałów ilastych prowadzono poprzez wymianę jonów
Ca2+, K+, Mg2+ na jony Na+. W tym celu do kolby stoŜkowej o pojemności 250 cm3
odwaŜano 5 g minerału oraz dodawano 100 cm3 roztworu NaOH o stęŜeniach 0,1; 0,5; 1,0;
1,5 i 2,0 M. Tak sporządzone próbki poddawano wytrząsaniu przez 4 h, a następnie
sączono pod zmniejszonym ciśnieniem w celu rozdzielenia frakcji stałej od przesączu.
Minerał pozostały na sączku suszono w temperaturze 110°C przez 2 h. Do dalszych badań
pobierano 1 g wysuszonego minerału, mieszano ze 100 cm3 wody destylowanej
i przelewano do cylindra miarowego o pojemności 25 cm3. Następnie codziennie przez
14 dni mierzono zmianę objętości osadu, zawiesiny i klarownego roztworu nad zawiesiną.
Na podstawie zmierzonych wyników wyznaczano współczynnik stopnia stabilności D:
D=
m u ⋅ m s ⋅ (V1 + V2 )
V ⋅ m1 ⋅ m 2
gdzie: V1 - objętość osadu, V2 - objętość zawiesiny, V - objętość łączna zawiesiny osadu
i klarownej cieczy, m1 - masa odwaŜki pobieranej do uaktywniania, m2 - masa odwaŜki do
badania w cylindrach, mu - teoretyczna masa odwaŜki pobieranej do uaktywniania, ms teoretyczna masa odwaŜki do badania w cylindrach.
Współczynnik ten zmienia się w zakresie od 0 do 1 i określa stabilność zawiesiny.
Maksymalna stabilność jest osiągana, gdy wartość współczynnika D jest równa 1. Po
ustaleniu optymalnej wartości stęŜenia NaOH zbadano wpływ czasu mieszania
i temperatury mieszania na wzrost aktywności badanych minerałów ilastych. Sporządzono
próbki o ustalonym stęŜeniu i mieszano je, kaŜdą przez róŜny okres czasu: 1, 2, 4, 6 i 8 h.
Po ustaleniu próbki o optymalnym współczynniku stabilności zbadano wpływ zmiany
temperatury na wartość współczynnika D. Próbki badano w róŜnych temperaturach: 22, 30,
40, 60 i 80°C.
Badania bentonitu Most
Na początku zbadano wartość współczynnika stabilności dla próbki minerału, który nie
został jeszcze uaktywniony. Po wykonaniu pomiaru stwierdzono, Ŝe spadek jego wartości
był stały w czasie, a po 14 dniach osiągnął wartość D = 0,904. Następnie wykonano
5 próbek o róŜnych stęŜeniach. Największy spadek wartości współczynnika stopni
stabilności stwierdzono w przypadku próbki z 2 M roztworem NaOH. Okazało się jednak,
Ŝe próbka ta osiągnęła większą stabilność niŜ próbka zerowa. Po 14 dniach była to wartość
0,928. Zmiana wartości współczynnika D w przypadku tej próbki następowała szybko
przez pierwsze 4 doby. Po 5 dobach nastąpiła stabilizacja. Największą stabilność
stwierdzono w przypadku próbki z 1 M roztworem NaOH. Po 4 dobach wartość
współczynnika stabilności spadła do wartości 0,967 i ustaliła się na tym poziomie.
Po ustaleniu optymalnego stęŜenia roztworu NaOH zbadano wpływ czasu
uaktywniania (mieszania) na wartość D. Stwierdzono, Ŝe najlepsze wyniki osiągnięto
w przypadku próbek poddawanych uaktywnianiu przez 4 i 6 h. Przy czym próbka
aktywowana przez 6 h osiągnęła nieznacznie większą stabilność aniŜeli próbka
aktywowana przez 4 h. Wartości współczynników stopnia stabilności po 14 dobach
wynosiły dla tych próbek odpowiednio 0,942 dla 4 h i 0,952 dla 6 h. Najgorsze wyniki
otrzymano w przypadku jednogodzinnego uaktywniania. Poszczególne wartości D były
Nawozy zawiesinowe jako proekologiczna forma nawoŜenia
229
zbliŜone do wartości próbki zerowej. Ostatecznie po 14 dobach próbka ta osiągnęła wartość
D = 0,898.
Kolejnym badaniem, jakie wykonano, było sprawdzenie, jaki wpływ na wartość
współczynnika D ma temperatura. Wykonano 5 próbek o ustalonym na podstawie
poprzednich badań stęŜeniu NaOH oraz określono czas mieszania (aktywowania). KaŜdą
z próbek poddano uaktywnianiu w róŜnej temperaturze. Stwierdzono, Ŝe wzrost
temperatury wpływa negatywnie na stabilność zawiesiny. Przy czym, o ile do temperatury
60°C spadek nie był duŜy i wynosił D22 – D60 = 0,139, to dla próbki aktywowanej
w temperaturze 80°C był on znaczący i wyniósł 0,892.
Najlepsze wyniki osiągnięto dla próbki aktywowanej w temperaturze 22°C. Wartość
współczynnika stopnia stabilności dla tej próbki po 14 dobach wyniosłą 0,949. Wartość ta
ustaliła się juŜ po 4 dobach i pozostała do końca badania.
Badania iłu Turoszów
Zbadano wpływ stęŜenia NaOH w mieszaninie z iłem Turoszów na wzrost wartości
współczynnika stopnia stabilności zawiesiny wykonanej na osnowie tego minerału.
Sporządzono 5 próbek o róŜnych stęŜeniach i poddano aktywacji. Po wykonaniu badań
stwierdzono, Ŝe największy wzrost wartości D uzyskano dla stęŜenia NaOH równego 0,5 M
i wyniósł on 0,233. Stwierdzono równieŜ wzrost wartości D dla wszystkich aktywowanych
próbek (w stosunku do próbki zerowej). Po 14 dobach mieściły się one w przedziale od
0,838 (0,5 M) do 0,713 (2 M).
W kolejnym badaniu sprawdzono wpływ czasu na zmianę D. Stwierdzono, Ŝe
najlepszy czas aktywowania to 4 h. Próbka ta przez cały czas trwania badania
charakteryzowała się duŜą i stabilną wartością współczynnika D. Po czternastu dobach
stwierdzono, Ŝe D = 0,839. Pozostałe próbki nie osiągnęły tak duŜej stabilności. Wszystkie
aktywowane próbki charakteryzowały się większą stabilnością niŜ próbka zerowa. Wartości
współczynnika D dla wszystkich aktywowanych próbek mieściły się w przedziale
0,674÷0,839.
Ostatnim badaniem było sprawdzenie wpływu temperatury na zmianę aktywności iłu
Turoszów w procesie uaktywniania. Wykonano 5 próbek i zbadano zmianę współczynnika
stopnia stabilności przez okres 14 dni. Stwierdzono, Ŝe wzrost temperatury procesu
negatywnie wpływa na poprawę właściwości stabilizujących iłu Turoszów. Najmniejszy
spadek stabilności stwierdzono w przypadku próbki aktywowanej w temperaturze 22°C,
a największy w przypadku próbki aktywowanej w 80°C. Wartości współczynnika D dla
tych próbek wyniosły po 14 dobach odpowiednio 0,839 i 0,249.
Wnioski
Zbadano wpływ takich czynników, jak stęŜenie NaOH, czas oraz temperatura na
zmianę współczynnika stopnia stabilności aktywowanych minerałów: bentonitu Most oraz
iłu Turoszów. Stwierdzono, Ŝe optymalne parametry procesu uaktywniania dla bentonitu
Most to stęŜenie NaOH równe 1 M, czas procesu 6 h, a temperatura 22°C oraz 0,5 M, 4 h
i 22°C dla iłu Turoszów. Dla optymalnych parametrów procesu bentonitu Mosta
stwierdzono wzrost współczynnika D o 0,0445 i osiągnęło wartość 0,949. W przypadku iłu
Turoszów D osiągnęła wartość 0,839 i wzrosła o 0,234.
230
Daniel Mikła, Krystyna Hoffmann i Józef Hoffmann
Literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Hoffmann J. i Górecki H.: Nawozy zawiesinowe - nowa ekologiczna generacja nawozów rolniczych
i ogrodniczych. Przem. Chem., 1995, 74, 87-91.
Palgrave A.: Fluid fertilizer. Science and Technology, Derek A. Palgrave. Marcel Dekker, Inc., New York
Basel, Hong Kong 1991.
Czuba R.: NawoŜenie mineralne roślin uprawnych. ZCh Police S.A., Police 1996.
Šebek V. i Malechowǎ V.: Zpŭsob aktivacej ilovỳch materiálủ. Pat. CSR, nr CS231830 (B1), 1986.
Vetjugov A.V., Voevodin L.I. i Mal’tseva V.E.: Sposob aktivacii bentonitovoj gliny. Pat. RUS,
nr RU2199504C1, 2001.
SUSPENSION FERTILIZERS
AS A PRO-ECOLOGICAL FORM OF FERTILIZATION
Summary: Suspension fertilizers are the modern way of fertilization. Their negative influence on environment is
smaller than in case of solid fertilizers. The enlargement on tillage, the exactitude of application of nutritious
components decides about this radical. To stabilization in suspension fertilizers complies the most often the
mixtures of loamy minerals from group smectite - bentonite. The possibility of chemical activation of clayey
minerals through ion exchange was investigated. It was loam from Turoszów and bentonite the Most. That
minerals were used in the activation studies which consisted in exchanging Ca2+, K+ and Mg2+ ions for Na+ ions.
For this purpose 5 g of mineral would be mixed with 100 cm3 of an NaOH solution with a concentration 0.1, 0.5,
1.0, 1.5 and 2.0 M. The prepared samples were subjected to shaking for 4 hours and then filtered under reduced
pressure in order to separate the solid fraction from the filtrate. The deposit remaining on the filter was then dried.
The degree of activating with the help of the measurement of factor of degree stability suspension was studied
then. It the the largest growth of factor of stability was affirmed in case concentration 0.5 M for loam Turoszów as
well as 1.0 M for bentonite Most.
Keywords: suspension fertilizers, stabilization, activation, bentonite, aluminasilicate