CC BY
76Section 2. Inorganic chemistry
Section 2. Inorganic chemistry
Tarchigina Nellie Fedorovna, Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI), candidate of technical sciences, docent, professor E-mail: nailyaS0S0@mail.ru Kharichev Oleg Evgenievich, JSC “Dorogobuzh", the chief of shop Shaymurzina Camilla Igorevna, National Research University Higher School of Economics, student
Some ecological and technological aspects in the production of of azofoska
Abstract: To maintain the fertility of agricultural land must be artificially maintain the balance of minerals in the soil. To do this, use all kinds of mineral fertilizers. The scale production of fertilizers increases, which leads to an increase in anthropogenic emissions. Most ratsi-onalno solve the problem of reducing the man-made waste and its impact on the environment can be achieved by creating and implementing the principles of non-waste production.
Keywords: industrial waste, calcium carbonate, nitroammophoska, phase analysis, particle size distribution, moisture content, drying, waste-free processing.
TapHuzuna Нелли Федоровна, Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ),
кандидат технических наук, доцент, профессор E-понта: nailyaS0S0@mail.ru Харинев Олег Евгеньевич, ОАО «Дорогобуж», начальник цеха Шаймурзина Камилла Игоревна, Национальный исследовательский университет ««Высшая школа экономики», студент
Некоторые экологические и технологические аспекты в производстве азофоски
Аннотация: Для поддержания плодородности сельскохозяйственных земель необходимо искусственным способом поддерживать баланс микроэлементов в почве. Для этого используют всевозможные минеральные удобрения. Масштабы производства удобрений возрастают, что приводит к увеличению антропогенных выбросов. Наиболее рационально решить проблему снижения техногенных отходов и их воздействия на окружающую среду можно путем создания и внедрения принципов безотходного производства.
Ключевые слова: промышленные отходы, карбонат кальция, нитроаммофоска, фазовый анализ, гранулометрический состав, влажность, сушка, безотходная переработка.
12
Some ecological and technological aspects in the production of of azofoska
Фосфор — важный элемент питания растений. В растительной клетке фосфор играет исключительно важную роль в энергетическом обмене, участвует в разнообразных процессах обмена веществ, деления и размножения. Особенно велика роль этого элемента в углеводном обмене, в процессах фотосинтеза, дыхания и брожения. Недоступные для растений минеральные и органические соединения фосфора переходят в усвояемые очень медленно. Несмотря на большие общие запасы фосфора, его усвояемых соединений в почве содержится обычно мало, и, чтобы получить высокий урожай, необходимо внесение фосфорных удобрений. Основной источник получения фосфорных удобрений это апатиты и фосфориты.
Одним из направлений в химической промышленности является производство минеральных удобрений, а самым востребованным -нитроаммофоска (азофоска). Это удобрение с высокой концентрацией питательных веществ, содержащее азот, фосфор и калий наиболее эффективно повышает содержание минеральных веществ в почве при малом объеме их внесения. Применяется на всех видах почв и под все сельскохозяйственные культуры для основного, предпосевного и местного внесения, а также для подкормки растений.
Основными стадиями процесса производства нитроаммофоски являются: разложение апатитового концентрата азотной кислотой, кристаллизация нитрата кальция, аммонизация азотно-фосфорнокислых растворов, выпаривание аммонизированной пульпы, смешение с хлористым калием, гранулирование нитроаммофоски, сушка, классификация высушенного продукта, охлаждение (кондиционирование), готовый продукт. Одной из главных стадий, влияющей на качество продукта, является сушка — важнейший этап получения минеральных удобрений. Применение неправильно выбранных режимов или конструкций аппаратов приводит к удорожанию и выпуску конечного продукта неудовлетворительного качества
Первым этапом исследования явилось определение физико-химических характеристик удо-
брения и получения образцов с различной влажностью.
Удобрения, производимые из фосфатного сырья, кроме полезных питательных элементов могут содержать токсичные элементы в виде микропримесей «стронций, редкоземельные и другие» которые, в виду их незначительного содержания рентгенографически не фиксируются. Можно полагать, что они присутствуют в виде изоморфных включений в кристаллических структурах соответствующих фосфатов и сульфатов аммония и кальция, имеющих достаточно хорошую растворимость. Качество минеральных удобрений, определяющееся питательной активностью и экологической чистотой промышленных образцов, обязывает иметь полную информацию не только о количественной стороне питательных компонентов и вредных примесях, но и знание их фазового состава.
Результаты фазового анализа показывают, что состав удобрений на основе моно-аммонийфосфата NH4H2PO4, диаммонийфосфата (NH4)2HPO4 достаточно сложен и включает ряд примесных соединений — CaHPO4 дикальцийфосфат и Ca3 (PO4)2 трикальцийфосфат. Попытки выделения примесных фаз из водных растворов с целью их дальнейшего исследования не всегда бывают успешными, вследствие протекающих процессов гидролиза и фазовых превращений, при повышении рH раствора до нейтральной среды. Аналогичный элементный и фазовый состав имеют и другие исследуемые образцы нитроаммофоски. Различие заключается в основном в количестве.
Конечная влажность продукта должна быть точно выдержана, так как она определяется условиями транспортирования и исключением сле-живаемости продукта. Совмещение процессов гранулирования и сушки в одном аппарате позволяет упростить технологическую схему, снизить потери готового продукта, уменьшить энергетические и материальные затраты. В связи с этим, важным является знание кинетики протекания процессов удаления влаги до заданного значения влагосодержания материала.
Были проведены исследования по установлению оптимальной температуры сушки нитро-
13
Section 2. Inorganic chemistry____________
аммофоски марки NPK 16:16:16 в зависимости от толщины слоя (высоты) продукта и времени высушивания. Полученные результаты исследований позволяют установить природу, структуру, основные показатели продукта, что может быть полезным в усовершенствовании процесса сушки данного минерального удобрения, а так же рекомендовать режимы, при которых показатели качества продукта будут высоки при минимизации энергозатрат.
Рост объемов производства минеральных удобрений влечет за собой и увеличение промышленных отходов, которые весьма негативно воздействуют на окружающую природную среду и в целом ухудшают экологическую обстановку. Поэтому становится весьма актуальной проблема утилизации промышленных отходов, которые при определенных условиях могут найти свое применение. В производстве нитроаммофоски при азотнокислотной переработке апатитового концентрата, одним из побочных продуктов является конверсионный карбонат кальция (КК), значительная часть которого не находит применения и направляется в отвалы. Таким образом, в существующем технологическом процессе не решается важная задача комплексной безотходной переработки ценного фосфорсодержащего сырья и снижения себестоимости получения нитроаммофоски.
С целью решения задачи комплексной безотходной переработки ценного фосфорсодержащего сырья были проведены исследования включающие следующие этапы: установление физико-химических характеристик КК конверсионного, нитроаммофоски марок NPK 16:16:16 и NFK 23:22:0; получение опытных образцов новых видов удобрений методом смешения их с КК, варьируя при этом способ его введения в плав нитроаммофоски различных марок, а также влажность вводимого компонента.
Гранулометрический состав КК определялся ситовым анализом, элементный состав продук-тов-методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Фазовый анализ выполнялся с применением высокочувствительного рентгеновского дифрактометра.
Тестирование карбоната кальция и нитроаммофоски марок NPK 16:16:16 и NPK 23:22:0 показало, что качество исходного сырья соответствует установленным требованиям.
Присутствие незначительного количества примесных соединений стронция, железа, фтора является следствием недостаточной чистоты подаваемого на конверсию исходного раствора нитрата кальция.
Опытные образцы новых видов удобрений с карбонатом кальция получали путем введения его в плав нитроаммофоски при определенных условиях.
Введение в плав нитроаммофоски марки NPK 16-16-16 карбоната кальция (CaCO3) с влажностью 10%. Процесс смешения увлажненного КК с нагретым плавом нитроаммофоски сопровождался вспениванием последнего. Для предотвращения данного явления дозировку КК осуществляли порциями, хорошо смешивая с плавом NP^ В тоже время наблюдали его загустение, особенно быстрое при высоких дозировках КК. Следует отметить, что введение КК в плав NPK приводило к снижению в опытных образцах готового продукта суммы основных питательных веществ (азота, фосфора, калия), а также к увеличению в них массовой доли влаги почти в 2 раза. Величина водородного показателя ^Н) полученных удобрений по сравнению с исходной нитроаммофоской марки 16:16:16 возросла незначительно, поэтому данное удобрение вряд ли можно отнести к мелиорантам кислых почв. Рентгенофазовый состав нитроаммофоски марки, используемой в качестве исходного сырья, включает следующие основные фазы: основное вещество — KC1, NH4C1- (25% пик), NH4H2PО4 — (24% пик), (NH4)2HPО4 — (6% пик), NH4NO3 — (9% пик), K (NH4) (NO3) — (14% пик). Исследованиями установлено, что с ростом дозировок происходит конверсия карбоната кальция при введении его в плав нитроаммофоски. Наличие свободного нитрата калия свидетельствует о разложении удобрения (повышается гигроскопичность и слеживаемость), а основная часть хлорида калия переходит в хлорид аммония. Для обеспечения суммарного со-
14
Some ecological and technological aspects in the production of of azofoska
держания кальция и магния в пределах 4 ^ 6% оптимальную дозировку карбоната кальция можно выбрать на уровне 5 ^ 10% от массы плава. Таким образом, результаты проведенных испытаний позволяют установить природу и структуру опытных образцов при производстве нитроамо-фоски.
Введение в плав нитроаммофоски марки NPK16-16-16 высушенного карбоната кальция. Учитывая, что использование КК с повышенной влажностью может вызвать ухудшение качества — применяли также сухой карбонат кальция. Введение высушенного КК не дало отличительных особенностей в поведении плава нитроаммофоски. Единственное отклонение от нормального протекания процесса связано с тем, что загустение начиналось уже при дозировках КК от 5%. Положительные моменты от применения высушенного карбоната кальция явились: возможность поддержания стабильной влажности на уровне 0,34-0,40% для полученных образцов готовых продуктов; исключение протекания полной конверсии сопровождающейся образованием свободного нитрата калия.
Введение в плав нитроаммофоски марки NPK 23-22-0 карбоната кальция в смеси с хлористым калием. На этом этапе был опробован способ введения в плав нитроаммофоски марки NPK
23:22:0 карбоната кальция в смеси с хлористым калием, и рассмотрена возможность совместной подготовки исходного сырья. Результаты показали пониженное содержанием калия в пересчете на К2О. Поведение плава было аналогичным, как и для опытов с высушенным карбонатом кальция. Рентгеноструктурный состав образцов отличался от предыдущих отсутствием аммиачной селитры в виде отдельной фазы. Данное соединение образовывало с нитратом калия двойные соли, наличие которых более характерно для фазового состава нитроаммофоски.
Вывод. Таким образом, введение карбоната кальция в плав нитроаммофоски технологически возможно, как непосредственно в чистом виде, так и в смеси с хлористым калием; применение карбоната кальция, а также его смеси с хлористым калием, целесообразнее в сухом виде. Оптимальную расходную норму следует поддерживать не более 10% от массы плава нитроаммофоски. Дополнительное введение карбоната кальция не оказывает существенного влияния на содержание в опытных образцах — тяжелых металлов. В результате проведенных исследований получен продукт, соответствующий марке NPK (МОП) 15:15:12+7CaO при ожидаемой марке NPK (МОП) 15:15:13+5CaO.
Список литературы
1. Эвенчик С. Д. Бродский А. А. Технология фосфорных и комплексных удобрений. М.: Химия,1987. 464 с.
2. Темнов А. В. Направления совершенствования государственной политики в сфере воспроизводства и использования минерально-сырьевой базы твердых полезных ископаемых. Материалы МНПК «Фосфатное сырье. Производство и переработка». М.: НИУИФ, 2012. С. 9-12.
3. Ефремов Г. И., Тарчигина Н. Ф., Чернова О. И., Батов В. А., Харичев О. Е. Моделирование кинетики обезвоживания гранул минеральных удобрений. Материалы МНПК «Фосфатное сырье. Производство и переработка», М.: НИУИФ, 2012. С. 151-156.
4. Карабаев Г. В., Тарчигина Н. Ф. Рентгено-флуоресцентный метод анализа проведения экологического мониторинга почв.//Новые технологии.- изд. МГОУ 2009. № 2. С. 36-41.
5. Давыденко В. В., Бушуев Н. Н., Сырченков А. Я., Зайцев П. М. Современные возможности химического и фазового анализов минеральных удобрений.//Мир серы, N, P и K. - 2008, № 6. С. 3-9.
6. Тарчигина Н. Ф., Немцова В. Г. Химическая технология неорганических веществ. Технология минеральных удобрений и солей с применением диаграмм растворимости: Учебное пособие. - М.: МГОУ 2009, 86 с.
15
