CC BY
104
УДК 661.152.4
ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА ГРАНУЛИРОВАНИЯ ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ
МЕТОДОМ ОКАТЫВАНИЯ
Сковородников Павел Валерьевич1,
pavel.skovorodnikov@yandex.ru
Черепанова Мария Владимировна1,
syromyatnikova.maria@yandex.ru
1 Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия, 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29.
Актуальность. Использование органоминеральных удобрений позволяет существенно повысить плодородие почвы и восстановить ее агрохимические и физические свойства. Исследование позволит решить некоторые проблемы, связанные с применением удобрения в необработанном виде, а полученный продукт в виде сферических гранул размером от 2,0до 5,5 мм будет иметь высокую статическую прочность и может быть легко использован в сельском хозяйстве в условиях сплошного внесения удобрений в почву с использованием агротехники.
Цель: изучение процесса гранулирования органоминерального удобрения методом окатывания с предварительной подфор-мовкой и определение оптимальных технологических параметров; исследование вероятности образования труднорастворимых соединений при взаимодействии растворов связующих с компонентами, входящими в состав органоминеральных удобрений. Объект: органоминеральное удобрение биогумус с влажностью 55-60 %.
Методы: электронная сканирующая микроскопия (Hitachi «S-3400N»), позволяющая определить элементный состав биогумуса и оценить поверхность частиц удобрения и готового гранулированного продукта; рентгеноспектральный анализ, используемый для установления элементного состава; термодинамический анализ, необходимый для оценки вероятности протекания реакций и возможности образования труднорастворимых соединений в гранулированном удобрении, способствующих увеличению прочности гранул; ситовой анализ, используемый для определения гранулометрического состава, и метод определения статической прочности гранул на приборе ИПГ-1М.
Результаты. С помощью электронно-сканирующего микроскопа была изучена и описана поверхность частиц органоминерального удобрения - биогумус. Установлен элементный состав органоминерального удобрения: C, N, P, K, O, Fe, Al, Ca, Mg, Na, Cl, S, Ti. Определены оптимальные параметры технологии гранулирования органоминерального удобрения с предварительным формованием через ячейки диаметром 4,0 мм: продолжительность 180 с, температура окатывания 25 "С, сушка при 110 "С в течение 60 мин и величина ретура 3 %. Определен вид связующего раствора и его содержание в тукосмеси, благодаря которому можно получить продукт с наилучшими товарными характеристиками (статическая прочность, выход товарной фракции от 2,0до 5,5 мм). На основании термодинамического анализа установлена возможность протекания химических реакций между связующим раствором и компонентами биогумуса, в результате которых образуются труднорастворимые соединения (Mg3(PO4)2, Ca3(PO4)2, Fe3(PO4)2), способствующие увеличению прочности гранул. Применяемый в качестве связующего вещества водный раствор фосфата натрия позволяет получить гранулы, обладающие высокой статической прочностью (51,1Н/грану-ла). С помощью электронно-сканирующей микроскопии изучена и описана структура получаемого гранулированного удобрения.
Ключевые слова:
Гранулирование, органоминеральное удобрение, биогумус, окатывание, связующий раствор, метасиликат натрия, фосфат натрия.
Введение
На фоне непростых отношений России с другими странами и введённого режима санкций в различных областях производства остро стоит вопрос импортозамещения. Это касается и продуктов сельскохозяйственного назначения. Необходимо производить достаточное количество продуктов растительного происхождения для удовлетворения потребностей населения за счет увеличения урожайности. Данный эффект может быть достигнут при использовании удобрений, позволяющих не только восстановить полезную микрофлору, но и повысить плодородие почвы.
Одним из высокоэффективных средств, улучшающих агрохимические свойства почвы, является органоминеральное удобрение (ОМУ), такое как биогумус, произведенное по инновационной технологии вермикомпостирования, которая основана на биологической переработке органических отхо-
дов с применением определенного вида червей. При этом чаще всего используются красные калифорнийские черви (красные вигглеры), которые редко встречаются в почве и легко адаптируются к условиям в гниющей растительности и среде [1-3].
В качестве сырья для производства биогумуса могут использоваться: перегной, навоз, торф, сапропель, бытовые и производственные отходы. В научно-технической и патентной литературе приведено большое количество видов сырья, которое можно использовать для изготовления биогумуса: куриный помет, известь, торф [4, 5]; золу [6, 7]; сапропель, торф, минеральные удобрения [8-12] и т. д.
Однако применение биогумуса в необработанном виде, представляющем собой почвообразную массу, вызывает некоторые проблемы. При нарушении условий хранения готового ОМУ происходит ухудшение качества продукта. Из-за высокого
DOI 10.18799/24131830/2019/9/2255
51
влагосодержания биогумус слеживается, что приводит к трудностям при транспортировке, а также затрудняет дозирование при внесении в почву. В связи с этим целью работы являлось исследование процесса гранулирования биогумуса методом окатывания с применением предварительной стадии формования.
Материалы и метод исследования
Объектом исследований являлся биогумус, имеющий нейтрально-щелочную реакцию среды (рН=7,2-8,1), с общим содержанием влаги 55-60 %. Основным компонентом ОМУ являются гуминовые кислоты, также в его состав входят: азот, фосфор, калий, магний, кальций. Химический состав биогумуса приведен в табл. 1.
Таблица 1. Химический состав ОМУ биогумус
Table 1. Chemical composition of OMF biohumus
Показатель Index Азот (N) Фосфор (Р2О5) Калий (К2О) Магний (Mg) Кальций (Са) Гуминовые кислоты Humic acids
Граничные нормы, % мас. Boundary norms, wt. % 0,8-2,0 0,8-2,0 0,7-1,2 0,3-0,5 2,0-3,0 25,0-30,0
Структура поверхности частиц биогумуса, полученная с использованием электронного сканирующего микроскопа Hitachi «S-3400N» (Япония), оснащенного энергодисперсионным спектрометром «XFlash 4010» фирмы «Bruker» (Германия), изображена на рис. 1.
Рис. 1. Микрофотография поверхности частиц биогумуса (увеличение х50)
Fig. 1. Microphotography of biohumus particle surface (magnification x50)
Видно, что структура поверхности частицы биогумуса неоднородная, состоящая из различных игольчатых и шарообразных вкраплений, с рыхлой упаковкой. Некоторые участки частицы покрыты налетом светлого цвета.
С помощью рентгеноспектрального анализа установили элементный состав, результаты которого представлены на рис. 2.
Биогумус состоит из разнообразных элементов: К, Са, Р, С1, Mg, Fe и т. д. Основными элементами биогумуса являются: углерод 18-30 %, кислород 40-50 % и кремний 8-11 %.
Исходя из результатов проведенного анализа, можно предположить наличие следующих ве-
cps/eV
Mg Na Al
Si P S Cl K Ca Tl Fe
1
L LJ L . J A
Iй Щ 1 1 1 1 1 1 1 1 -л — —n n,i'ii
keV
Рис. 2. Результаты элементного анализа биогумуса Fig. 2. Results of elemental analysis of biohumus
14
12
10
8
Ti
Fe
6
4
2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ществ в составе ОМУ: 8Ю2, А1203, Ыа.£04, М§804, ЫаС1, СаС03, СаНР04, Са(Н2Р04)2, М§С12, СаС12, ТЮ2, Fe203, КАШ1308, FeS04 и др.
Существует большое количество способов и методов гранулирования различных материалов. Однако нет единого способа, предназначенного для гранулирования биогумуса, хотя могут применяться такие методы, как:
• формование или экструзия;
• таблетирование;
• прессование;
• окатывание [13].
Исследования по гранулированию ОМУ проводили на установке, включающей: экструдер с заданным размером ячеек матрицы, барабанный гранулятор со скоростью вращения до 40 об/мин, имеющий электрический привод и сушильный шкаф.
Благодаря проведенным опытным испытаниям была предложена методика проведения эксперимента по изучению процесса гранулирования биогумуса, а также определены основные технологические параметры процесса. По разработанной методике к исходной порошкообразной смеси ОМУ добавляли водный раствор связующего вещества, полученную смесь перемешивали и при помощи экструдера формовали через матрицу с ячейками 4,0 мм. Далее материал направляли в барабанный гранулятор, который оснащен рубашкой для поддержания требуемых температур [14]. Гранулирование методом окатывания проводили в течение экспериментально установленного времени и при ранее установленной температуре. Затем готовое гранулированное удобрение направляли в сушильный шкаф, где при температуре 110 °С проводили сушку нагретым потоком воздуха. После окончания сушки определяли гранулометрический состав готового продукта. Качество продукта и эффективность гранулирования при исследуемых параметрах определяли по нескольким показателям: статическая прочность, выход товарной фракции (более 2,0 мм и менее 5,5 мм) [15, 16].
Результаты исследования
Применение метода окатывания при гранулировании ОМУ позволяет получить однородные гранулы, обладающие правильной шарообразной формой, уменьшить слеживаемость и предотвратить разрушение продукта при транспортировании и внесении в почву. Следовательно, важным параметром проведения гранулирования является продолжительность окатывания. Данное исследование проводили при комнатной температуре и временном диапазоне от 60 до 360 с, гранулированное удобрение сушили при 110 °С. Полученные результаты представлены в табл. 2.
На основании полученных данных видно, что продолжительность окатывания оказывает влияние на характеристики гранулированного продукта. При продолжительном гранулировании увеличивался выход гранул товарной фракции
(-5,5+2,0 мм). Так, при значении 180 секунд наблюдается максимальный выход готового гранулированного удобрения - 87,97 %, значение статической прочности гранул составляет 19,4 Н/гра-нула. Дальнейшее увеличение продолжительности окатывания введет к снижению выхода продукта. Это происходит за счет активного слипания частиц ОМУ между собой, что способствует одновременному образованию крупных гранул нетоварной фракции более 5,5 мм, а также разрушению товарной фракции с образованием гранул менее 2,0 мм. Таким образом, оптимальным временем окатывания является 180 с.
Таблица 2. Характеристика гранул биогумуса в зависимости от продолжительности гранулирования окатыванием
Table 2. Characteristics of biohumus granules depending on duration of granulation by pelletizing
Продолжительность гранулирования, с Duration of granulation, s Гранулометрический состав, % Granulometric composition, % Выход гранул товарной фракции, % Output of commercial fraction granules, % Средняя статическая прочность, Н/гранула Static strength of granules, N/pellet Средний размер гранул, мм Average size of granules, mm
+5,5 -5,5 +2,0 -2,0 +1,0 -1,0 +0,0
мм/mm
60 5,88 87,07 3,71 3,35 87,07 18,0±0,3 3,73
120 5,73 87,49 3,42 3,37 87,49 18,5±0,3 3,64
180 5,65 87,97 3,28 3,10 87,97 19,4±0,2 3,70
240 5,28 87,92 4,03 2,78 87,92 19,2±0,3 3,69
300 6,17 87,20 3,37 3,26 87,20 19,7±0,6 3,71
360 6,01 86,97 3,55 3,46 86,97 19,0±0,3 3,68
При повышенных температурах должно происходить увеличение прочности гранул и уменьшение влажности в продукте, поступающем на сушку. Это объясняется увеличением эффективности гранулообразования вследствие выравнивания поля температур внутри гранул и уменьшения переноса влаги внутрь гранулы за счет перепада температур [17, 18]. Следствием этого является увеличение производительности технологической установки.
Для подтверждения приведенных выше теоретических предпосылок была проведена серия исследований, направленных на установление влияния температуры на процесс формирования гранул. Температурный интервал от 25 до 90 °С.
Исследования проводили с использованием предварительного формования. При продолжительности окатывания в барабанном грануляторе 180 секунд и температуре сушки 110 °С. Результаты исследования представлены на рис. 3.
Было выявлено, что в результате увеличения температуры процесса гранулирования методом окатывания происходит изменение товарных характеристик продукта. Хотя данный параметр и оказывает положительное влияние, увеличение показателей качества гранулированного биогумуса незначительно. Так, при температуре 90 °С максимальное значение выхода гранул товарной фракции составляет 88,51 % и статическая прочность
20,55 Н/гранула. В общем статическая прочность при высоких температурах окатывания увеличилась на 5,5 % (1,15 Н/гранула) и выход на 0,5 %. На основании имеющихся данных о влиянии температуры процесса гранулирования методом окатывания было установлено, что целесообразнее применять более низкую температуру. Это позволит снизить текущие энергозатраты и сделать технологию менее трудоемкой, а повышения прочности можно добиться за счет введения связующих веществ или упрочняющих добавок, которые будут способствовать дополнительному обогащению питательными веществами. Таким образом, при температуре окатывания 25 °С значения статической прочности и выхода товарной фракции составили 19,4 Н/гранула и 87,97 %, соответственно.
]t'Miu'[i:t р;< гранулирования, С
—•—Выход гранул товарной фракции ^с —•—Статическая прочность гранул, Н/гранула
Рис. 3. Влияние температуры окатывания на характеристики гранул биогумуса
Pig. 3. Influence of rolling temperature on characteristics of biohumus granules
В процессе гранулирования возможно применение различных растворов веществ в качестве связующих. Это может оказать существенное влияние на физико-механические характеристики готового продукта. При добавлении жидкости внутрь исследуемого образца капля под действием капиллярных сил распространяется в объеме смеси, заполняя поры между частицами, когда влажность достигает максимальной капиллярной влагоемко-сти, распространение в сыпучей смеси прекращается [19, 20]. Проводилось изучение влияния вида и содержания в тукосмеси водных растворов связующих, в качестве которых использовали 5-вод-ный метасиликат и 12-водный фосфат натрия с концентрациями 10, 20, 30 %. Результаты исследования представлены в табл. 3.
Применение водных растворов связующих веществ оказывает положительное влияние на характеристики гранулированного продукта. При содержании 5 % в тукосмеси 30 % водного раствора метасиликата натрия достигается максимальное значение статической прочности 24,1 Н/гра-нула и максимальный выход гранул товарной фракции 96,17 %.
Использование водного раствора связующего фосфата натрия способствует увеличению товарных характеристик готового продукта, при содер-
жании 5 % в тукосмеси 30 % раствора максимальное значение составляет 51,1 Н/гранула и выход товарной фракции 94,46 %.
Таблица 3. Влияние вида и содержания водных растворов связующих на характеристики гранулированного биогумуса
Table 3. Influence of the type and content of aqueous solutions of binders on characteristics of granulated biohumus
Содержание раствора связующего, % Content of the binder solution, % Гранулометрический состав, % Granulometric composition, % Выход гранул товарной фракции, % Output of commercial fraction granules, % Средняя статическая прочность, Н/гранула Static strength of granules, N/pellet Средний размер гранул, мм Average size of granules, mm
+5,5 -5,5 +2,0 -2,0 +1,0 -1,0 +0,0
мм/mm
Без связующего/Without binder
- |5,65|87,97|3,28|3,10| 87,97 | 19,4+0,2 | 3,70
10% водный раствор Na2SiO3■ 5H2P 10 % water solution Na2SiO3■ 5H2P
1 1,87 91,12 3,45 3,56 91,12 18,6±0,2 3,50
2 2,80 91,94 3,00 2,26 91,94 18,9±0,3 3,57
3 2,32 92,46 2,56 2,66 92,46 19,2±0,5 3,55
4 2,56 93,15 1,98 2,31 93,15 19,9±0,4 3,58
5 2,84 93,87 1,88 1,41 93,87 20,2±0,2 3,62
20 % водный раствор Na2SiO3■ 5H2O 20 % water solution Na2SiO?5H2O
1 4,17 91,98 2,96 0,89 91,98 20,5±0,3 3,59
2 3,76 93,45 2,56 0,23 93,45 20,8±0,4 3,66
3 2,96 93,99 2,78 0,59 93,99 20,9±0,4 3,64
4 2,76 94,62 1,67 0,95 94,62 21,8±0,3 3,64
5 3,24 94,12 1,71 0,93 94,12 20,3±0,4 3,64
30 % водный раствор Na2SiO3■ 5H2O 30 % water solution Na2SiO3■ 5H2O
1 2,98 92,23 2,54 2,25 92,23 21,1±0,4 3,58
2 2,26 93,96 2,94 0,84 93,96 21,5±0,3 3,56
3 2,49 94,31 2,68 0,52 94,31 21,9±0,3 3,58
4 2,78 96,08 0,78 0,36 96,08 22,8±0,3 3,61
5 3,03 96,17 0,57 0,23 96,17 24,1±0,2 3,60
10 % водный раствор Na3PO4■ 12H2O 10 % water solution Na3PO4■ 12H2O
1 1,34 93,55 3,03 2,08 93,55 23,6±0,2 3,95
2 2,80 93,72 2,50 0,98 93,72 24,7±0,3 3,59
3 2,32 93,75 2,64 1,29 93,74 25,2±0,5 3,81
4 2,56 94,44 2,41 0,59 94,44 29,9±0,4 3,51
5 2,84 94,73 1,86 0,57 94,73 32,2±0,2 4,00
20 % водный раствор Na3PO4■ 12H2O 20 % water solution Na3PO4■ 12H2O
1 3,84 91,13 3,01 2,02 91,13 25,3±0,4 4,07
2 5,07 91,55 2,33 1,05 91,55 29,8±0,3 4,23
3 2,27 94,36 2,32 1,05 94,36 29,6±0,3 3,81
4 2,88 94,55 1,80 0,77 94,55 29,7±0,5 3,43
5 2,38 94,87 1,87 0,88 94,87 32,3±,02 3,73
30 % водный раствор Na3PO4■ 12H2O 30 % water solution Na3PO4■ 12H2O
1 2,12 94,34 2,80 0,74 94,34 39,1±0,4 3,52
2 2,10 94,56 2,67 0,67 94,56 43,3±0,3 3,56
3 2,06 95,16 2,12 0,66 95,16 44,7±0,3 3,58
4 2,03 95,87 1,59 0,51 95,87 44,8±0,3 3,61
5 3,62 94,46 1,37 0,55 94,46 51,1±0,2 3,60
Было установлено, что используемые водные растворы метасиликата натрия и фосфата натрия в качестве связующих оказывают влияние на процесс гранулообразования. Значительное увеличе-
ние статической прочности достигается при использовании фосфата натрия, разница между максимальными значениям достигнутыми при этих связующих составляет 27 Н/гранула. Однако применение таких концентрированных растворов может привести к увеличению себестоимости готового продукта [21].
Влияние связующих веществ объясняется образованием новых фаз в объеме гранул биогумуса за счет протекания химических реакций между компонентами удобрения. При проведении термодинамического анализа с использованием программного обеспечения «ЖС 6.0» была оценена возможность протекания данных реакций, представленных в табл. 3.
При этом были рассчитаны значения теплового эффекта (Айх.р.), изменение энтропии (А5£.р.), изменения энергии Гиббса (АСх.р.) и константы равновесия (£„).
Установлено, что протекание данных реакций возможно в условиях проведения процесса сушки и
гранулирования биогумуса. В ходе расчетов определили вероятность образования труднорастворимых солей: М§8Ю3, Са8Ю3, FeSiO3, А1Р04, М§3(Р04)2, Са3(Р04)2, Fe3(P04)2, которые способствуют дополнительной цементации гранул, увеличивая их прочность. Данные соединения не растворимы в воде и в условиях термической обработки материала, кристаллизуются в виде микрокристаллов [22]. Эти кристаллы выступают в роли центров кристаллообразования и способствуют формированию солевых мостиков. Благодаря этому происходит усиленное сцепление мелких частиц удобрения и образование упрочненной структуры гранулы.
В процессе гранулирования биогумуса образуется часть мелкой (менее 2,0 мм) и крупной (более 5,5 мм) фракции, которая не соответствует требуемым характеристикам продукта. Представляется возможность использования некондиционной фракции в качестве ретура, которая после измельчения смешивается с формуемой тукосмесью. Важнейшим параметром гранулирования биогу-
Таблица 4. Термодинамические константы равновесия реакций, протекающих между связующими и примесями, присутствующими в органоминеральном удобрении
Table 4. Thermodynamic equilibrium constants of reactions between binders and impurities in organomineral fertilizers
Т, °С АН'х.р, кДж AS'x.p, кДж AG°x.p кДж Kp Т, °С AH'x.p, кДж AS°x.p, кДж AG°x.p кДж Kp
Na2SiO3'5H2O+CaCl2=CaSiO3^+2NaCl+5H2O 2Na3PO4'12H2O+3CaCl2=6NaCl+Ca3(PO4)2^+24H2O
25 -57,540 86,821 -83,425 4,140E+014 25 -100,679 700,343 -309,487 1,680E+054
50 -53,889 98,671 -85,281 1,006E+014 50 -80,882 764,103 -327,801 9,793E+052
70 -50,147 110,077 -87,369 3,142E+013 70 -64,891 812,115 -343,568 2,007E+052
90 -46,321 121,067 -89,681 1,204E+013 90 -48,738 857,864 -360,271 6,681E+051
110 -42,409 131,694 -92,209 5,472E+012 110 -32,357 901,771 -377,870 3,305E+051
Na2SiO3'5H2O+FeCl2=FeSiO3^+2NaCl+5H2O Na3PO4'12H2O+FeCl3=FePO4^+3NaCl+12H2O
25 -70,975 91,162 -98,155 1,577E+017 25 -84,022 340,646 -185,586 3,285E+032
50 -67,290 103,122 -100,099 2,728E+016 50 -76,737 364,111 -194,400 2,665E+031
70 -63,526 114,595 -102,276 6,312E+015 70 -70,911 381,605 -201,858 5,366E+030
90 -59,688 125,621 -104,679 1,855E+015 90 -65,047 398,211 -209,658 1,443E+030
110 -54,778 138,871 -107,987 5,284E+014 110 -59,102 414,147 -217,782 4,928E+029
Na2SiO3'5H2O+MgCl2=2NaCl+MgSiO3^+5H2O 2Na3PO4'12H2O+3MgCl2=6NaCl+Mg3(PO4)2^+24H2O
25 -121,198 94,809 -149,939 6,880E+025 25 -213,149 709,789 -424,772 2,658E+074
50 -117,220 107,516 -151,964 3,679E+024 50 -193,522 772,995 -443,315 4,617E+071
70 -113,217 119,535 -154,235 3,018E+023 70 -177,570 820,887 -459,258 8,213E+069
90 -109,183 130,960 -156,741 3,525E+022 90 -161,386 866,724 -476,137 3,105E+068
110 -105,104 141,893 -159,470 5,525E+021 110 -144,915 910,871 -493,915 2,192E+067
Na2SiO3'5H2O+MgSO4=Na2SO4+MgSiO3^+5H2O 2Na3PO4'12H2O+3MgSO4=3Na2SO4+Mg3(PO4)2^+24H2O
25 -70,349 94,850 -98,628 1,908E+017 25 -57,630 719,796 -272,237 4,997E+047
50 -65,325 111,028 -101,204 2,292E+016 50 -37,839 783,531 -291,037 1,116E+047
70 -61,270 123,203 -103,547 5,800E+015 70 -21,731 831,891 -307,194 5,825E+046
90 -57,172 134,811 -106,128 1,847E+015 90 -5,353 878,275 -324,299 4,470E+046
110 -53,013 145,958 -108,937 7,121E+014 110 11,358 923,066 -342,315 4,693E+046
Na2SiO3'5H2O+FeSO4=Na2SO4+FeSiO3^+5H2O 2Na3PO4'12H2O+3FeSO4=3Na2SO4+Fe3(PO4)2^+24H2O
25 -49,087 93,578 -76,988 3,083E+013 25 -80,853 -392,964 36,309 4,348E-007
50 -44,406 108,654 -79,517 7,152E+012 50 -66,900 -348,025 45,564 4,308E-008
70 -40,584 120,128 -81,806 2,842E+012 70 -55,698 -314,391 52,185 1,137E-008
90 -36,688 131,163 -84,319 1,347E+012 90 -44,402 -282,398 58,151 4,316E-009
110 -32,704 141,841 -87,050 7,387E+011 110 -32,927 -251,641 63,489 2,207E-009
Na2SiO3'5H2O+CaSO4=Na2SO4+CaSiO3^+5H2O 2Na3PO4'12H2O+3CaSO4=3Na2SO4+Ca3(PO4)2^+24H2O
25 19,033 93,813 -8,938 3,681E+001 25 129,037 721,318 -86,024 -86,024
50 23,605 108,538 -11,469 7,145E+001 50 148,818 785,027 -104,863 8,948E+016
70 27,346 119,767 -13,753 1,241E+002 70 164,740 832,831 -121,046 2,675E+018
90 31,163 130,578 -16,257 2,180E+002 90 180,805 878,331 -138,161 7,489E+019
110 35,069 141,049 -18,973 3,862E+002 110 197,102 922,011 -156,167 1,959E+021
муса является количество используемого ретура, а также его влияние на характеристики гранул биогумуса [23].
Были проведены опыты по изучению влияния введения предварительно измельченной до менее 1,0 мм нетоварной фракции в формуемую смесь. Количество содержания ретура в исходной смеси составляло 1, 3 и 5 % к общей массе порошкообразного удобрения (табл. 5).
Таблица 5. Характеристики гранул биогумуса в зависимости от величины вводимого ретура
Table 5. Characteristics of biohumus granules depending on the size of the introduced retour
Количество вводимого ретура,% Amount of the injected retour, % Гранулометрический состав, % Granulometric composition, % Выход гранул товарной фракции, % Output of commercial fraction granules, % Средняя статическая прочность, Н/гранула Static strength of granules, N/pellet Средний размер гранул, мм Average size of granules, mm
+5,5 -5,5 +2,0 -2,0 +1,0 -1,0
мм/mm
1 3,09 94,04 2,63 0,24 94,04 28,4±0,2 3,75
3 1,99 94,09 2,93 0,99 94,09 27,2±0,2 3,70
5 2,12 93,96 2,72 1,20 93,96 26,3±0,3 3,70
Рис. 4. Микрофотография поверхности гранулы биогумуса (увеличение x50).
Fig. 4. Microphotography of biohumus granule surface (magnification x50)
С увеличением количества ретура от 1 до 5 % незначительно уменьшается выход товарной фракции, а прочность гранул снижается на 2 Н/грану-лу. Такое поведение можно объяснить с точки зрения взаимодействия связующего раствора с тукосмесью. Так как при добавлении ретура в исходную смесь изменяется гранулометрический состав и способность смачивания сухих частиц ретура различны, содержание вводимого связующего реагента становится недостаточным. Увеличение содержания ретура в исходной смеси требует большего количества вводимого в тукосмесь связующего раствора, что приведет к дополнительным затратам. В данном случае для более рационального метода гранулирования окатыванием следует вводить ре-тур с содержанием 3 % к массе тукосмеси, благо-
даря чему выход гранул товарной фракции и прочность гранулята составит 94,09 % и 27 Н/гранула, соответственно.
Изображение поверхности гранулы биогумуса, полученной методом окатывания, представлено на рис. 4.
Видно, что на поверхности гранулы частицы склеены между собой и образуют уплотненную упаковку. Наблюдаются трещины размером 0,01-0,05 мм, образовавшиеся в процессе сушки, а также волокнистая структура биоматериала, который является компонентом биогумуса. На поверхности присутствуют крупные вкрапления светлого цвета размером 0,2-0,4 мм.
В результате проведенного элементного анализа установлено, что входящие в состав биогумуса различные по размеру светлые частицы могут быть Al2O3 и SiO2.
Заключение
Благодаря исследованиям процесса гранулирования биогумуса были определены оптимальные технологические параметры проведения данного процесса. Гранулирование биогумуса методом окатывания с предварительным формованием через ячейки с диаметром 4,0 мм следует проводить при температуре 25 °С в течение 180 с.
Оптимальное количество вводимого ретура в тукосмесь ОМУ составляет 3 %, а повешение его содержания требует дополнительной подачи раствора связующего.
В качестве связующих веществ использовались водные растворы метасиликата и фосфата натрия с разными концентрациями. На основании проведенного термодинамического анализа установлено, что вероятность взаимодействия фосфата натрия с компонентами биогумуса выше, а в результате протекающих химических реакций образуются труднорастворимые соединения. Образованные Mg3(PO4)2, Ca3(PO4)2, Fe3(PO4)2, способствуют дополнительному упрочнению гранул за счет кристаллизации данных солей в виде микрокристаллов. Использование водного раствора фосфата натрия приводит к улучшению товарных характеристик готового продукта: выход гранул фракции +5,5-2,0 мм и статическая прочность составляют 94,46 % и 51 Н/гранула, соответственно.
С помощью термодинамического анализа установлена вероятность образования труднорастворимых соединений в результате взаимодействия водных растворов связующих с компонентами органо-минерального удобрения, таких как MgSiO3, CaSiO3, FeSiO3, AIPO4, Mg3(PO4)2, Ca3(PO4)2, Fe^PO^. Образовавшиеся соединения не растворимы, в процессе сушки кристаллизуются в виде микрокристаллов, выступающих в роли центров кристаллообразования, что способствует формированию прочных солевых мостиков. Это приводит к усилению сцепления между частицами удобрения и образованию упрочненной и уплотненной структуры в гранулах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Eartworm biohumus conditioning for pellet production / O. Vron-skis, A. Kakitis, E. Laukmanis, I. Nulle // Engineering for rural development. - 2016. - V. 25. - P. 997-1002.
2. Characterisation of organomineral fertilisers derived from nutrient-enriched biosolids granules / L.A. Diogenes, R. Sakrabani, F.T. Sean, M.S. Le, R.J. Godwin // Applied and Environmental Soil Science. - 2013. - V. 2013. - P. 1-11.
3. Tumuluru J.S. Effect of process variables on density and durability of pellets made from high moisture corn stover // Biosystems Engineering. - 2013. - V. 119. - P. 44-57.
4. Состав для производства органоминерального удобрения: пат. Рос. Федерация, № 2566048, заявл. 26.09.2014; опубл.
20.10.2015. Бюл. № 33. - 5 с.
5. Способ получения комплексного органоминерального удобрения из отходов солодки голой и технологическая линия для его осуществления: пат. Рос. Федерация, № 2221761, заявл. 12.08.2002; опубл. 20.01.2004. Бюл. № 4. - 11 с.
6. Состав органоминеральных удобрений и способ их получения: пат. Рос. Федерация, № 2574688, заявл. 16.09.2014; опубл.
10.02.2016. Бюл. № 4. - 6 с.
7. Органоминеральное гранулированное удобрение и способ его получения: пат. Рос. Федерация, № 2491263, заявл. 02.04.2012; опубл. 27.08.2013. Бюл. № 24. - 6 с.
8. Многокомпонентное органоминеральное удобрение: пат. Рос. Федерация, № 2566684, заявл. 20.11.2014; опубл. 27.10.2015. Бюл. № 30. - 7 с.
9. Аллахвердиев С.Р., Ерошенко В.И. Современные технологии в органическом земледелии // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2017. - № 1. -С. 76-79.
10. Гранулированное удобрение на основе торфа: пат. Рос. Федерация, № 2469994 заявл. 19.07.2011; опубл. 20.12.2012. Бюл. №35. - 21с.
11. Способ изготовления гранулированного органоминерального удобрения: пат. Рос. Федерация, № 2272800 заявл. 29.07.2004; опубл. 27.03.2006. Бюл. № 9. - 5 с.
12. Способ получения комплексного органоминерального удобрения: пат. Рос. Федерация, № 2219147 заявл. 14.03.2002; опубл. 20.12.2003. Бюл. № 36. - 9 с.
13. Сковородников П.В., Черепанова М.В. Способы гранулирования органоминеральных удобрений // Вестник ПНИПУ. Химическая технология и биотехнология. - 2017. - № 3. -С. 117-127.
14. Пеpшин В.Ф. nepepa6oTEa сыпучих матеpиалов в машинах ба-pa6aHHoro типа. - М.: Машиностpоение, 2009 - 216 с.
15. Ма^енко Д.А., Назаpов В.И. Особенности гpанулиpования комплексных и оpганоминеpальных удобpений в с^остных и таpельчатых гpанулятоpах окатывания // Вестник МГОУ. Естественные науки. - 2015. - № 4. - С. 81-88.
16. Investigation of granulation process parameters influence on granulated fertilizer compost properties / A. Pocius, E. Jotautiene, R. Mieldazys, A. Jasinskas, V. Kucinskas // Engineering for Rural Development: Proceedings of 13 International Conference. -Jelgava, Latvia, 2014. - P. 407-412.
17. Zafari A., Kianmehr M.H. Factors affecting mechanical properties of biomass pellet from compost // Environmental Technology. -2013. - V. 24. - P. 1-9.
18. Сковоpодников П.В., Чеpепанова М.В. Изучение влияния со-деpжания водного pаствоpа связующего тpинатpийфосфата на хаpактеpистики гpанулиpованного биогумуса полученного методом окатывания // Химия. Экология. Уpбанистика: Матеpи-алы Всеpоссийской научно-пpактической конфеpенции (с междунаpодным участием). - Пеpмь: ПНИПУ, 2018. -С. 770-774.
19. Effect of moisture content particle size and pine addition on quality parameters of barley straw pellets / C. Serrano, E. Monedero, M. Laupuerta, H. Portero // Fuel Processing Technology. -2011.- V. 92. - P. 699-706.
20. Optimization compressive strength biomass pellet from compost using Taguchi method / G. Absalan, M.H. Kianmehr, A. Arabhos-seini, S. Kouravand // Agricultural Engineering International. -
2015. - V. 17. - P. 166-172.
21. Кувшинников И.М. Минеpальные удобpения и соли. Свойства и способы улучшения. - М.: Химия, 1987 - 256 с.
22. Investigation of physical-mechanical properties of experimental organic granular fertilizers / A. Pocius, E. Jotautiene, J. Pekar-skas, M. Palsauskas // Engineering for rural development. -
2016. - V. 25. - P. 1116-1120.
23. Ма^енко Д.А., Назаpов В.И. Исследование пpоцесса ^ану-лиpования комплексных удобpений с учетом физико-химических и pеологических свойств компонентов // Вестник МГОУ. Естественные науки. - 2012. - № 2. - С. 49-55.
Поступила 27.08.2019 г.
Информация об авторах
Сковородников П.В., магистр кафедры химических технологий Химико-технологического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Черепанова М.В., кандидат технических наук, доцент кафедры химических технологий Химико-технологического факультета Пермского национального исследовательского политехнического университета.
UDC 661.152.4
PECULIARITIES OF ORGANOMINERAL FERTILIZER GRANULATION BY THE PELLETIZING METHOD
Pavel V. Skovorodnikov1,
pavel.skovorodnikov@yandex.ru
Maria V. Cherepanova1,
syromyatnikova.maria@yandex.ru
1 Perm National Research Polytechnic University, 29, Komsomolsky avenue, Perm, 614990, Russia.
The relevance. The use of organomineral fertilizers makes it possible to substantially increase the fertility of soil and restore its agroche-mical and physical properties. Research allows you to solve some problems associated with fertilizer application in untreated form, and the resulting product in the form of spherical granules measuring of 2,0 to 5,5 mm will have a high static strength and can be easily used in agriculture in conditions of continuous application of fertilizers to the soil with the use of agrotechnics. The main aim of the research is to study the organomineral fertilizer granulation by pelletizing with preliminary subforming and determination of optimal technological parameters; to investigate the probability of formation of sparingly soluble compounds in interaction of solutions of binders with components that are part of organomineral fertilizers. Objects: organomineral fertilizer biohumus with a moisture content of 55-60 %.
Methods: electronic scanning microscopy (Hitachi «S-3400N»), which allows determining the elemental composition of biohumus and evaluating the surface of fertilizer particles and the finished granular product; X-ray spectral analysis used to establish the elemental composition; the thermodynamic analysis necessary for estimation of probability of proceeding the reactions and possibility of formation of difficult-to-constructible compounds in the granular fertilizer, promoting increase in strength of granules; sieve analysis, used to determine the particle size distribution, and a method for determining the static strength of granules on an IPG-1M instrument. Results. Using the electron-scanning microscope, the surface of organic-mineral fertilizer particles - biohumus - was studied and described. The elemental composition of organomineral fertilizer is determined: C, N, P, K, O, Fe, Al, Ca, Mg, Na, Cl, S, Ti. Optimum parameters of the technology of organomineral fertilizer granulation with preliminary molding through cells with a diameter of 4,0 mm were determined: duration of 180 s, rolling temperature of 25 °C, drying at 110 °C for 60 min, and retention value of 3 %. The type and content of the binder solution in the fertilizer mixture is determined, which makes it possible to obtain the product with the best commercial characteristics (static strength, output of product fraction of 2,0 to 5,5 mm). Based on the thermodynamic analysis, the possibility of chemical reactions between the binder solution and biohumus components was established, resulting in formation of sparingly soluble compounds (Mg3(PO4)2, Ca3(PO4)2, Fe3(PO4)2), which increase the strength of the granules. The sodium phosphate aqueous solution used as a binder allows obtaining pellets having a high static strength (51,1 N/pellet). With the help of electron-scanning microscopy, the structure of the obtained granular fertilizer was studied.
Key words:
Granulation, organomineral fertilizer, biohumus, pelletizing, binder solution, natrium metasilicate, sodium phosphate.
REFERENCES
1. Vronskis O., Kakitis A., Laukmanis E., Nulle I. Eartworm biohumus conditioning for pellet production. Engineering for rural development, 2016, vol. 25, pp. 997-1002.
2. Diogenes L.A., Sakrabani R., Sean F.T., Minh S., Richard J.G. Characterisation of organomineral fertilisers derived from nutrient-enriched biosolids granules. Applied and Environmental Soil Science, 2013, vol. 2013, pp. 1-11.
3. Tumuluru J.S. Effect of process variables on density and durability of pellets made from high moisture corn stover. Biosystems Engineering, 2013, vol. 119, pp. 44-57.
4. Pegushin S.N., Voxmyanin V.G. Sostav dlya proizvodstva organo-mineralnogo udobreniya [Composition for production organic-mineral fertilizer]. Patent RF, no. 2566048, 2015.
5. Rogachev A.F., Saldaev A.M., Mazaeva T.I. Sposob polucheniya kompleksnogo organomineralnogo udobreniya iz otkhodov solodki goloy i tekhnologicheskaya liniya dlya ego osushchestvleniya [The method of obtaining complex organic-mineral fertilizers from waste licorice and technological line for its implementation]. Patent RF, no. 2221761, 2004.
6. Bobritskii G.A., Kladov A.A., Frolov G.V. Sostav organomineral-nykh udobreniy i sposob ikh polucheniya [The composition of the organic-mineral fertilizers and the method their production]. Patent RF, no. 2574688, 2016.
7. Stifeev A.I., Zolotukhin L.A. Organomineralnoe granulirovannoe udobrenie i sposob ego polucheniya [Organic-mineral granular fer-
tilizer and the method of its production]. Patent RF, no. 2491263, 2013.
8. Vazykhov I.T., Kireicheva L.V., Pukhovskaya T.Yu., Pavlov V.Yu. Mnogokomponentnoe organomineralnoe udobrenie [Multicomponent organic-mineral fertilizer]. Patent RF, no. 2566684, 2015.
9. Allahverdiev S.R., Eroshenko V.I. Modern technology in organic farming. International journal of applied and fundamental research, 2017, no. 1, pp. 76-79. In Rus.
10. Kormilitsyn V.I., Lobko V.P. Granulirovannoe udobrenie na osnove torfa [Peat-based granular fertiliser]. Patent RF, no. 2469994, 2012.
11. Zhivopistsev V.A., Malanchuk V.Ya., Mikhaylov G.V. Sposob iz-gotovleniya granulirovannogo organomineralnogo udobreniya [Method of manufacturing granulated organomineral fertilizer]. Patent RF, no. 2272800, 2006.
12. Kovalev K.E., Papayanaki V.V. Sposob polucheniya kompleksnogo organomineralnogo udobreniya [The method of obtaining complex organic-mineral fertilizers]. Patent RF, no. 2219147, 2003.
13. Skovorodnikov P.V., Cherepanova M.V. The methods of granulation organomineral fertilizers. Bulletin of the Perm national research polytechnic university, 2017, no. 3, pp. 39-49. In Rus.
14. Pershin V.F. Pererabotka sypuchikh materialov v mashinakh ba-rabannogo tipa [Bulk material processing in drum-type machines]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2009. 216 p.
15. Makarenko D.A., Nazarov V.I. Features of the granulation process of complex and organic fertilizers in high-speed granulation
ad dish nodulizers. Bulletin of the Moscow region state university, 2015, no. 4, pp. 81-88. In Rus.
16. Pocius A., Jotautiene E., Mieldazys R., Jasinskas A., Kucin-skas V. Investigation of granulation process parameters influence on granulated fertilizer compost properties. Engineering for Rural Development. Proceedings of 13 International Conference. Jelgava, Latvia, 2014. pp. 407-412.
17. Zafari A., Kianmehr M.H. Factors affecting mechanical properties of biomass pellet from compost. Environmental Technology, 2013, vol. 24, pp. 1-9.
18. Skovorodnikov P.V., Cherepanova M.V. Izuchenie vliyaniya so-derzhaniya vodnogo rastvora svyazuyushchego trinatriyfosfata na kharakteristiki granulirovannogo biogumusa, poluchennogo metodom okatyvaniya [Studying the influence of the content of the trisodium phosphate binding water solution on characteristics of the granulated biogumus obtained by the pelletizing method]. Khimiya. Ekologiya. Urbanistika. Materialy Vserossiy-skoy nauchno-prakticheskoy konferentsii (s mezhdunarodnym uchastiem) [Chemistry. Ecology. Urbanism. Materials of the All-Russian scientific-practical conference (with international participation)]. Perm, PNRPU Publ., 2018. pp. 770-774.
19. Serrano C., Monedero E., Laupuerta M., Portero H. Effect of moisture content particle size and pine addition on quality parameters of barley straw pellets. Fuel Processing Technology, 2011, vol. 92, pp. 699-706.
20. Absalan G., Kianmehr M.H., Arabhosseini A., Kouravand S. Optimization compressive strength biomass pellet from compost using Taguchi method. Agricultural Engineering International, 2015, vol. 17, pp. 166-172.
21. Kuvshinnikov I.M. Mineralnye udobreniya i soli. Svoystva i sposo-by uluchsheniya [Mineral fertilizers and salts. Properties and methods of improvement]. Moscow, Khimiya Publ., 1987. 256 p.
22. Pocius A., Jotautiene E., Pekarskas J., Palsauskas M. Investigation of physical-mechanical properties of experimental organic granular fertilizers. Engineering for rural development, 2016, vol. 25, pp. 1116-1120.
23. Makarenko D.A., Nazarov V.I. Study of process of granulation of complex fertilizers taking into account physical-chemical and rheological properties of components. Bulletin of the Moscow region state university, 2012, no. 2, pp. 49-54. In Rus.
Received: 27August 2019.
Information about the authors
Pavel V. Skovorodnikov, master, Perm National Research Polytechnic University.
Maria V. Cherepanova, Cand. Sc., associate professor, Perm National Research Polytechnic University.
