Магістерська кваліфікаційна робота. Застосування капсульованих мінеральних добрив з метою ведення екологічно безпечного землеробства - файл n1.doc

приобрести
Магістерська кваліфікаційна робота. Застосування капсульованих мінеральних добрив з метою ведення екологічно безпечного землеробства
скачать (865.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc866kb.08.07.2012 00:43скачать

n1.doc

  1   2   3


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут хімії та хімічних технологій

Кафедра екології та охорони навколишнього середовища

На правах рукопису



УДК 66.021.3:615.015.14
Сернівка

Галина Василівна

МАГІСТЕРСЬКА КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА


на тему:

Застосування капсульованих мінеральних добрив з метою ведення екологічно безпечного землеробства



на здобуття кваліфікації магістра зі спеціальності:

8.070801”Екологія та охорона навколишнього середовища”
Науковий керівник ________( д.т.н., проф. Гумницький Я.М.)

Консультанти з:

експериментальної частини ________( д.т.н., проф. Гумницький Я.М. )
математичного моделювання ________(к.т.н., доц. Ковальчук Б. Є. )

охорони праці та

техніки безпеки ________(к.х.н., доц. Кіт Ю.В.)

економіки та організації

виробництва ________(к.е.н., доц. Третякова Л.І.)


Рецензент ________
Завідувач кафедри__________(д.т.н., проф. Мальований М.С. )

Львів 2003 р.
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Національний університет “Львівська політехніка”

Інститут хімії та хімічних технологій

Кафедра екології та охорони навколишнього середовища


ЗАТВЕРДЖУЮ:
Зав. кафедри

д.т.н., проф.МальованийМ.С.

___________________

«___»_________2003 р.

З А В Д А Н Н Я


на магістерську кваліфікаційну роботу студентці

Сернівці Галині Василівні

1. Тема роботи: Застосування капсульованих мінеральних добрив з метою ведення екологічно безпечного землеробства


________________________________________________________________________

затверджена наказом по університету № 2345-4-08 від 25.09.03р.

2. Термін здачі студентом закінченої роботи 10.12.2003р.

3. Вихідні відомості до роботи______________________________
4. Зміст пояснювальної записки (перелік питань, які належить розробити)

1. Огляд літератури .

2. Експериментальна установка та методика досліджень .

3.Десорбція компоненту з капсульованої речовини в залежності від властивостей середовища .

4. Охорона праці .

5. Економіка та організація виробництва .

5. Перелік графічного матеріалу (з точним зазначенням обов’язкових креслень )

1. Екологічні проблеми застосування добрив .

2.Схема експериментальної установки для нанесення покрить на тверді частинки. 3.Математична модель процесу. 4.Розподіл концентрацій в процесі екстрагування цільового компоненту через нерозчинну полімерну оболонку. 5. Залежність концентрації від часу при різних рН .
6. Консультанти, із зазначенням розділів роботи, які стосуються їх

Розділ

Консультанти

Підпис, дата

Завдання видав

Завдання прийняв

Експериментальна частина


д.т.н.проф. Гумницький Я.М.






Математичне


Моделювання

К.т.н., доц.

Ковальчук Б.Є.







Економіка та організація виробництва

К.е.н., доц.

Третякова Л.І.







Охорона праці та техніка безпеки

К.т.н., доц.

Кіт Ю.В.








7. Дата видачі завдання ___________________________________________

Керівник____________(д.т.н.проф. Гумницький Я.М.)




Завдання прийняв до виконання________________
КАЛЕНДАРНИЙ ПЛАН



Назва етапів магістерської роботи

Термін

виконання

Примітки








































































Студентка-магістрантка___________(Сернівка Г.В.)

Керівник роботи _________ (д.т.н., проф. Гумницький Я.М.)


ЗМІСТ
Стор.

Вступ………………………………………………………………………….....7

1. Огляд літератури…..……………………………………………………......9

1.1. Екологічні проблеми застосування добрив…………………………….....9

1.2. Шляхи усунення негативних наслідків застосування мінеральних

добрив і підвишення їх ефективності…………………………………..…16


1.3. Способи внесення добрив………………………………………………….17

1.4. Інгібітори нітрифікації та денітрифікації ……………………………..….21

1.5. Добрива повільної дії……………………………………………………....25

1.6. Капсулювання, загальні відомості ………………………………………..27

1.7 Області застосування капсульованих продуктів …………………...…….30

1.8. Капсулювання добрив………………………………………………..….....32

2. Експериментальна установка та методика досліджень................................35

2.1. Характеристика досліджуваних об’єктів...................................................35

2.2. Методика покриття твердих частинок в апараті з активною гідродинамікою.....................................................................................................37

2.3. Методика та апаратура проведення експериментальних досліджень процесу екстрагування цільових компонентів з капсульованих частинок....39

3. Десорбція компоненту з капсульованої речовини в залежності від властивостей середовища....................................................................................44

3.1.Фізична модель процесу................................................................................44

3.2.Математична модель процесу.......................................................................47

3.3. Визначення кінетичних коефіцієнтів, що входять в математичну

модель…………………………………………………………………………...54

3.4. Експериментальні дослідження кінетики розчинення капсульованих частинок..................…………………………………………………………..…56

4. Охорона праці..................................................................................................65

4.1. Характеристика дослідницької роботи......................................................66

4.2. Заходи забезпечення безпеки роботи в лабораторії................................ 70

4.3 Санітарно-гігієнічні заходи.........................................................................70

4.4.Електробезпека.............................................................................................78

4.5.Заходи пожежної профілактики..................................................................80

5. Економіка та організація виробництва.......................................................81

5.1.Техніко-економічне обґрунтування............................................................81

5.2. Визначення економічного ефекту від застосування капсульованих як добрив природоохоронного заходу та його вплив на техніко-економічні показники аграрної галузі..................................................................................83

5.3. Розрахунок чистого економічного ефекту від впровадження

капсульваних добрив..........................................................................................85

Висновки........................................................................................................87

Summary.........................................................................................................88

Використана література...............................................................................89


А Н О Т А Ц І Я
Метою даної роботи було дослідження процесу масопереносу активного компоненту з капсульованої кулеподібної частинки через нерозчинну полімерну оболонку в залежності від товщини покриття .

В якості активного компоненту використовувався нітрат амонію NH4NO3, покритий нерозчинною полімерною оболонкою на основі ацетилфталілцелюлози.

Розроблено математичну та статистичну моделі масопереносу твердої речовини з капсульованої кулеподібної частинки через нерозчинну полімерну оболонку. В даній роботі наведені результати теоретичних розрахунків за розробленою математичною моделлю та експериментальних досліджень. Встановлена адекватність математичної моделі процесу масопереносу експериментальним даним. На основі експериментальних даних виведено залежність швидкості екстрагування компоненту від товщини оболонки капсули та властивостей довкілля. Отримані залежності дозволяють розраховувати кінетику розчинення капсульованих мінеральних добрив, покритих нерозчинною полімерною оболонкою, які використовуються на ґрунтах з різними фізико-хімічними властивостями.

Робота містить: 92 сторінки;

7 рисунків;

12 таблиць;

58 бібліографічних назв.

ВСТУП
Ріст населення земної кулі потребує все більшого виробництва продуктів харчування, що спричинює відповідно і зростання потреби біофільних елементів (N, P, K). У зв’язку з інтенсифікацією рослинництва, та луго-пасовищного господарства зростає потреба в мікродобривах – борі, міді, марганцю, цинку, молібдені, залізі, кобальті та ін.

Мікродобрива, які використовуються на даний час в рослинництві представлені переважно водорозчинними формами, дія яких переважно є короткочасною після внесення в ґрунт [1] .

В розвинутих країнах високопродуктивне сільськогосподарське виробництво основане на інтенсивному використанні добрив, які спричинюють ряд екологічних проблем. Цей фактор посилює при сприянні ґрунтових вод, рослин і ґрунтових мікроорганізмів кругообіг біофільних елементів. Збільшення надходження в біосферу поживних речовин не в одинаковій ступені впливає на природні об’єкти. Так, внутрішні водойми стають дуже вразливими, оскільки у воді в найбільшій мірі проходить накопичення розчинних речовин, в першу чергу азотистих. У зв’язку з тим евтрофікація водойм і підвищення конценрації нітратів у питній воді прямо чи опосередковано пов’язані зі збільшенням застосування азотних добрив. Кількість азоту добрив, що надходить в ґрунти, в середньому складає 0,1-0,2% від загального вмісту азоту в ґрунтах. Сама по собі ця величина є дуже малою, щоб суттєво змінити направленість процесів трансформації азотистих речовин у ґрунті. Але, як вже було вказано, штучно зв’язаний азот в ґрунті розподіляється нерівномірно, тому систематичне внесення азотних добрив у дозах вище 100-150 кг/га може спричинювати суттєвий вплив на всі ланки азотного циклу. Це, в свою чергу, може викликати порушення не тільки в наземних екосистемах, але і у водних. Крім того зростання застосування азотних добрив спричинює посилення денітрифікації, а разом з тим і виділення в атмосферу великих кількостей закису азоту, який може руйнувати озоновий екран. Ще недостатньо оцінено можливі наслідки впливу нових форм фосфорних добрив на основі поліфосфорних кислот. Є дані, що свідчать про те, що лінійні поліфосфати внаслідок здатності до комплексоутворення спричинюють солюбілізуючу дію на цілий ряд ґрунтових сполук, в тому числі з органічними речовинами, що призводить до збільшення їх рухливості. Присутність розчинних фосфатів у водоймах призводить до негативних наслідків через посилення росту водних рослин. Присутність фосфатів та калію в питній воді не є небезпечним. Подвищена ж концентрація нітратів шкідлива, особливо для дітей. Але добре відомо, що позитивна дія добрив незрівнянно вища за ті негативні сторони, які можуть з’являтися внаслідок їх нерозумного використання. Промислові добрива дають більше половини всього приросту сільськогосподарської продукції. Крім того вони діють оздоровлююче на атмосферу завдяки більш інтенсивній асиміляції вуглекислоти шляхом збільшення продуктивності фотосинтезу та емісії кисню. В зв’язку з тим необхідним є розроблення високоефективних міроприємств для зниження негативної побічної дії добрив, перш за все азотних [2,3].

Для забезпечення більш тривалої дії заслуговують уваги добрива з контрольованою розчинністю, що забезпечують рослини мікроелементами протягом вегетаційного періоду або більш тривалий час (кілька років) це досягається підбором сполук з врахуванням розчинності, реакції їх в ґрунтах з врахуванням розчинності, реакції їх в ґрунтах з різними фізичними і хімічними властивостями, гранулометричного складу, капсулювання, зплавлення з іншими сполуками, тощо.

1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ
1.1. ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ВИКОРИСТАННЯ ДОБРИВ
Добрива- це речовини, призначені для поліпшення живлення рослин і підвищення родючості ґрунту.

Мінеральні добрива поділяють на: азотні, фосфорні, калійні, борні, марганцеві, молібденові, цинкові, мідні, тощо та комплексні.

Вітчизняний та зарубіжний метод показує, що хімізація сільського господарства є головним фактором інтенсивного ведення рослинництва. Проте економічна та агрохімічна ефективність добрив залишається низькою причиною цього є:

Все це призводить до зниження коефіцієнта використання елементів живлення добрив. Так, тільки нерівномірне внесення добрив знижує їх ефективність на 35-45, складних- на 28-35, фосфорних та калійних – на 15-20%.

При розробці засобів ефективного використання добрив необхідно враховувати не тільки вимоги землеробства, але й охорони навколишнього середовища.

Відомо, що з добрив, внесених в ґрунт тільки частина використовується рослинами. В середньому для усіх сільсько-господарських культур коефіцієнт використання добрив (КВД) становить: азотних – 50-60%, фосфорних 10-25, калійних – 50-60%[2, 3]

Збільшення доз добрив призводить не лише до ще більших втрат поживних речовин, а й до зниження КВД. Тому питання подальшого підвищення рівня хімізації слід тісно пов’язувати з вивченням поведінки добрив у ґрунті та системою ґрунт-добриво-рослина. З одного боку, внесення добрив повинно забезпечити оптимальний рівень кореневого живлення культур сівозміни, з іншого - потрібно домагатися, щоб потреба рослин в елементах живлення поповнювалася затратами для підтримування родючості ґрунту при допустимих їх витратах, які не допускають забруднення вод залишками добрив.

З неправильним використанням добрив пов’язано ряд екологічних проблем, таких як засолення ґрунтів, вимивання калійних та нітратних добрив у підземні водоносні горизонти, глобальним наслідком цієї проблеми є забруднення нітратами Чорного моря.

В переважній більшості випадків вище перераховані наслідки виникають не від надмірної кількості добрив а через неправильне дозування.
При внесенні добрив у ґрунті протікає ряд хімічних реакцій: [2]

[ГВК]-(CaІ+ )2 +2NH4NO3=[ГВК]-(NH4+)2+Ca(NO3)2

аміакова селітра

[ГВК]-(CaІ+ )H++3NH4NO3=[ГВК]-(NH4+)3 +HNO3+Ca(NO3)2
При внесенні в ґрунт аміаково-нітратних добрив амонійний азот поглинається ґрунтовим поглинальним комплексом, а нітратний залишається в ґрунтовому розчині.

В ґрунті карбамід під впливом уробактерій протягом 2-3 діб амоніфікується і перетворюється на карбонат амонію.

О=С(NH2)2+2H2O? (NH4)2CO3

Карбамід
Під впливом нітрифікуючих бактерій азот з амонійної групи переходить у нітратну:

(NH4)2CO3+3O2?2HNO2+3H2O+СO2

2HNO2+O2? 2HNO3

Це є основною причиною забруднення нітратами навколишнього середовища.
Забруднення природних водоймищ добривами.

У випадку спряженого ландшафту, коли сільськогосподарські угіддя займають позитивні елементи рельєфу, надлишок мінеральних добрив виноситься з поля поверхневими і підґрунтовими водами. В результаті понижені місця рельєфу і природні водоймища заповнюються водами з підвищеним вмістом мінеральних солей. Відбувається евтрофікація водоймищ, тобто надмірне підвищення концентрації поживних речовин, що викликає посилене розмноження планктону, одно- і багатоклітинних водоростей. Крім того посилено розростається прибережна фауна. Все це призводить до зменшення площі водного дзеркала і заболочення водоймищ. Нестача розчиненого у воді кисню призводить до загибелі водних організмів, і, насамперед риби.

Поживні речовини, що потрапляють у водоймища з органічних, або мінеральних добрив, посилюють біологічну активність води, зумовлюють її каламутність. Для розкладання відмерлої біомаси витрачається велика кількість кисню. В результаті у водоймищі вищі організми гинуть, а для гетеротрофних бактерій створюються сприятливі умови.

Процеси розкладання відбуваються тепер в середовищі, яке стало розкислювачем, аеробні бактерії тут витіснені анаеробними. Останні не потребують вільного кисню, а споживають кисень хімічних сполук (нітратів, сульфатів, органічних сполук) продукти розкладання, які нагромаджуються у водоймищах, здебільшого є шкідливими (метан, аміни, сульфіди, сірководень), викликають загнивання природних вод.

У мінеральних добривах поряд з основними елементами живлення (азот, фосфор, калій, магній, сірка) містяться різноманітні домішки: солі важких металів, радіоактивні речовини, органічні сполуки. Ці домішки переходять з сировини, з якої добувають мінеральні добрива, причому їх кількість може коливатися від 10-15 до 5%. В карбаміді часто міститься шкідливий для рослин біурет (0,5-3)%. Більшість домішок належить до токсичних речовин, є джерелом забруднення навколишнього середовища, якщо вони містяться у великих кількостях.

На забруднення ґрунтових і дренажних вод, природних водоймищ впливає також характер землекористування. Так, найбільше забруднюються ґрунтові і дренажні води ріллі і найменше – під лісом.

Внаслідок внесення високих доз мінеральних добрив в орному і підорному шарах ґрунту нагромаджується більше фосфору і калію. При поверхневому внесенні добрив, що характерно для більшості тропічних країн, значно збільшуються втрати поживних речовин. Вони збільшуються також при дренуванні території і можуть досягати значних величин (особливо втрати азоту). Часто хімічні сполуки проникають глибоко в підґрунтові води.

Одним з найгрізніших забруднювачів питної води є нітрати. Шкідливими для здоров’я є не самі нітрати, а нітрити, які утворюються з них в органах травлення людини і тварин, а також при тривалому зберіганні продукції рослинництва. Шкідливими є також вторинні аміни і нітрозаміни. Всі ці сполуки руйнують гемоглобін крові. В медичній літературі наводяться дані про прямий кореляційний зв’язок між підвищеним вмістом нітратів у питній воді та захворюванням на рак.

Розмір забруднення природних водоймищ фосфорними добривами порівняно з азотними незначний. Велика кількість фосфоу надходить у водоймища в результаті водної та вітрової ерозії. Наприклад змивання з поверхні ґрунту шару завтовшки 1мм супроводжується втратами від 14 до 34 кг/га Р2О5. Фосфор добрив вимивається у водойми значно менше, ніж фосфор ґрунту (0,6-0,8кг/га Р2О5). Фосфор добрив у великих кількостях закріплюється самим ґрунтом у вигляді осадів фосфатів, комплексних сполук з гумусовими речовинами, адсорбується ґрунтовими колоїдами і поглинається мікрофлорою ґрунту.

Залежно від типу ґрунту, кількості опадів і технології внесення фосфорних добрив (доз, строків, форм, способів внесення тощо) в деяких сільськогосподарських районах вміст фосфору у річковій воді (навесні) становить 0,12-0,16 мг/л. Гранично допустима концентрація фосфору в питній воді- 10 мг/л. Що стосується фосфору в харчуванні людини, то шкідливість його значною мірою залежить від наявності кальцію. Якщо оптимальне співвідношення в їжі СаО: Р2О5=1:1 або 1:1,5 порушується, то надлишок фосфору може викликати захворювання. В наш час промисловість випускає новий вид добрив - поліфосфати. Вони утворюються також після мінералізації органічних речовин в ґрунті. Поліфосфати виявлені також у завищених кількостях у ґрунтовій мікрофлорі. Поліфосфати як добрива переводять у розчин зв’язані з органічною речовиною елементи. Руйнування органічного комплексу ґрунту, переведення його в рухомі форми та винос з ґрунту- явища, шкідливі з точки зору екології, оскільки це підсилює міграцію.

Калій добрив і калій ґрунту вимиваються як азот і фосфор, атмосферними опадами і виноситься ґрунтовими водами. Оскільки калій разом з іншими біофільними елементами викликає евтрофікацію природних водоймищ, його кількість повинна бути обмежено. Допустима концентрація калію в питній воді становить 1-2 мг/л.

На вимивання калію з ґрунту впливають фізико-механічні властивості ґрунту, зокрема гранулометричний склад, водопроникність. З важких ґрунтів він вимивається менше, ніж з легких. Поверхневі стічні води більше вимивають калій з ґрунту, а ґрунтові і підґрунтові - калій добрив.

Внесення великих доз калійних добрив може зумовити підвищену концентрацію хлорид-іонів, порушити співвідношення між катіонами Ca2+:K+, Mg2+:K+, витіснити кальцій і магній з ґрунтового вбирного комплексу, а також посилити їх міграцію по профілю ґрунту.

Аналіз агрогеохімічного білансу калію показав, що основним джерелом забруднення водоймищ калієм є добрива.
Забруднення повітря і ґрунту добривами.
Усі мінеральні добрива виробляються в твердому і рідкому стані. При підготовці до внесення в ґрунт їх агрегатний стан не міняється, однак частина поживних речовин добрив і окремі домішки можуть звітрюватися, забруднюючи атмосферу. Найбільша кількість летких речовин виділяється з азотних добрив, таких, як аміачна вода та аміак.

Значна кількість азотних добрив (до50...60%) не використовується в рік внесення, а тому може втрачатися з ґрунту в наслідок вимивання (нітрати) або звітрювання (N2O, N2) в результаті денітрифікації. Частина азоту добрив закріплюється в ґрунті в органічній формі. Біологічне закріплення азоту (ґрунтовими мікроорганізмами) чітко виражене в амонійних і аміачних добривах.

Втрати газоподібного азоту в результаті денітрифікації помітно посилюються в дощовий період, коли в ґрунті створюються анаеробні умови. При підвищеній вологості ґрунту і слабокислій реакції азот втрачається здебільшого в молекулярному вигляді, і навпаки в кислому середовищі з невисокою вологістю ґрунту здебільшого виділяються оксиди азоту. Втрати азоту більшою мірою характерні для ґрунтів не зайнятих рослинністю, і при поверхневому способі внесення добрив. При зниженій вологості ґрунту газоподібні оксиди азоту швидко втрачаються. Підвищення температури також збільшує втрати газоподібних сполук азоту. Особливою небезпекою для людства є поява в стратосфері навіть незначної кількості оксидів азоту, що викликають швидке руйнування захисного озонового шару стратосфери і прорив потоку ультрафіолетового випромінювання в тропосферу і біосферу зі згубною післядією для життя.

Азотні добрива, внесені у великих дозах, змінюють властивості ґрунту. Наприклад аміакові добрива підкислюють ґрунт, що негативно впливає на кореневу систему рослин, порушується живлення калієм, кальцієм, тощо. При внесенні великих доз азотних добрив посилюється міграція по профілю ґрунту фульвокислот та гумінових кислот, катіонів кальцію та магнію. Особливо яскраво це проявляється на кислих ґрунтах.

При внесенні добрив, що містять нітрати, сульфати і хлориди, збільшуються втрати кальцію і магнію, оскільки аніони таких добрив не утримуються ґрунтом (особливо нітрат- та хлорид-іони) і при розчиненні добрив у воді зв’язуються з еквівалентною кількістю катіонів Ca2+, Mg2+ тощо. Різке збільшення вмісту аніонів, які не поглинаються у великих кількостях рослинами, призводить до втрат катіонів. Мінеральні добрива, насамперед азотні різнобічно впливають на мікрофлору ґрунту, здебільшого активізують життєдіяльність мікроорганізмів (бактерії, водорості, гриби, актиноміцети) і мікрофауни (найпростіші,методи). Найсильніше впливають на біологічну активність ґрунту органічні добрива.

Втрати поживних речовин різко збільшуються при одноразовому внесенні високих доз добрив. При цьому вимивається азот не лише добрив, а й ґрунту (табл 2.1) [ 2]
Таблиця 1.1. Втрати поживних речовин з ґрунту, кг/га при внесенні високих доз добрив

Варіант досліду

Суглинковий ґрунт

Супущаний ґрунт

N

K2O

CaO

N

K2O

CaO

Без добрив

4,8

4,0

35,8

8,1

2,7

61,2

N340P340K300

27,8

23,2

180

72,3

29,4

247



Отже надмірну кількість добрив слід розглядати, як потенціальне джерело вимивання поживних речовин і забруднення навколишнього середовища.
1.2. ШЛЯХИ УСУНЕННЯ НЕГАТИВНИХ НАСЛІДКІВ ЗАСТОСУВАННЯ МІНЕРАЛЬНИХ ДОБРИВ І ПІДВИЩЕННЯ ЇХ ЕФЕКТИВНОСТІ
Найважливішою проблемою агрохімії є вирішення питань підвищення коефіцієнту корисної дії добрив і зниження їх витрат. Останнє дуже важливе для охорони навколишнього середовища. Якщо для фосфорних і калійних добрив вирішальне значення має коефіцієнт використання поживних речовин рослинами, а невикористані залишки поживних речовин можуть накопичуватися в ґрунтах, та внаслідок невисокої рухливості не вимиватися і залишатися нешкідливими для навколишнього середовища, то для азотних добрив дуже важливим є не тільки підвищення коефіцієнту використання, але і запобігання вимивання нітратів з ґрунтів і виділення окислів азоту в атмосферу при денітрифікації.

Встановлено, що коефіцієнт використання фосфатів в рік їх внесення рідко досягає 25% від внесеної дози. Для багатьох ґрунтово- кліматичних зон невикористані рослинами фосфати фіксуються ґрунтом і затримуються в ньому в формах, які можуть бути доступними подальшим культурам. Весь фосфор та калій, що вноситься з добривами, в кінцевому результаті може бути використаним культурами сівозміни. Зовсім інша ситуація з азотними добривами. Неорганічний азот дуже ефімерний в ґрунтах; якщо в короткий термін після внесення він не використається рослинами, то виникає загроза його вимивання чи денітрифікації. Та частина азоту добрив, що не використається рослинами за вегетаційний період, в більшості випадків безповоротно втрачається. Коефіцієнт використання азоту рослинами в польових умовах рідко досягає 60%. Втрати ж азоту коливаються в межах 20-30%. Зі збільшенням доз добрив коефіцієнт використання азоту зменшується, а втрати, як абсолютні, так і відносні зростають. Питання екологічного і безпечного для довкілля застосування добрив завжди були актуальними. Втрати азоту в довкілля вимірюються тисячами тон лише на території України. Причому це не тільки втрати зв’язаного азоту, на виробництво якого затрачено відповідні кількості енергії, природного газу, але і втрати врожаю.

Підвищення ефективності добрив може бути здійснене шляхом розробки раціональних способів внесення, шляхом підбору форм добрив з врахуванням особливості культур, систем сівозмін, ґрунтових і кліматичних умов. Для покращення ефективності азотних добрив використовують інгібітори нітрифікації та денітрифікації.
1.3. СПОСОБИ ВНЕСЕННЯ ДОБРИВ
Традиційна технологія внесення добрив має ряд суттєвих недоліків. Основна доза добрив вноситься, як правило, розсівом під оранку або культивацію, а інколи під борону. При внесенні під оранку, добрива змішуються з великим об’ємом ґрунту. Внесені поживні речовини розосереджуються в ґрунті і піддаються дії різних факторів (мікробіологічних, хімічних, фізичних). В результаті частина поживних речовин незворотно втрачається для рослин. В першу чергу це стосується азоту.

При неглибокому внесенні (під борону чи культиватор) добрива залишаються у верхній частині ґрунту, який часто пересушується. В результаті рослини не можуть використати у повній мірі поживні речовини добрив. Недостатньо висока ефективність добрив при внесенні розсіюванням примушує виробничників значно підвищувати дози, що тягне за собою накопичення залишкових кількостей добрив у ґрунтах. При настанні осінніх дощів невикористані нітрати добрив вимиваються з орного шару ґрунтів у нижні горизонти і в ґрунтові води. [3]

В останні роки все більше застосовуються локальні способи внесення, які підвищують коефіцієнт корисної дії мінеральних добрив. Крім того, локальне внесення добрив шарово-стрічковим методом покращує їх використання різними культурами не тільки при недостачі вологи, але і при її надлишку.

Локальне внесення мінеральних добив здійснюється різними способами. Широко практикується припосівне (рядкове) внесення. Звичайно при посіві вносяться невисокі дози поживних речовин ( 10-20 кг/га), переважно фосфатів. Цей спосіб не забезпечує повну потребу рослин в поживних речовинах, його застосовують звичайно в комбінації з іншими способами (стрічковим, розсіюванням, з підживленнями і ін.).

Стрічкове внесення добрив може бути здійснене в повних дозах, оскільки добрива розміщаються в стороні від посівного рядка. Звичайно стрічка добрива при посіві зернових розміщується нижче насіння і збоку.

Висока концентрація добрив у місці їх розміщення при локальному внесенні визначає характер взаємодії поживних речовин з ґрунтом. Фосфор добрив тривалий час знаходиться в рухомому стані і не зв’язується ґрунтом у важко доступні для рослин сполуки. Амонійна група азоту в меншій мірі піддається нітрифікації. Поживні речовини добрив, розміщених стрічками, повніше використовуються рослинами, що обумовлює одержання більшого урожаю в порівнянні з способом внесення розсіюванням. Застосування локальних способів внесення дозволяє значно економити добрива. Так, для одержання одного і того ж урожаю різних культур дози при локальному внесенні добрив можуть бути в 2-3 рази меншими, ніж при розсіюванні. Особливу увагу необхідно звернути на внесення азотних добрив локально.

При внесенні добрив розсіюванням у шар, глибиною 0-10 см втрати азоту складали 17,5%, а при розміщенні сульфату амонію екраном на глибину 20см – 9,2% від внесеної кількості.

В умовах інтенсивного зрошення при вирощуванні рису втрати азоту добрив можуть складати 60% від внесеної дози, що створює сприятливі умови для забруднення природних вод залишками азотних добрив.

Таблиця 1.2.

Розподіл в ґрунті азоту добрив за формами через два дні після внесення



Варіант

внесення N

Кількість внесеного азоту, %

N-NH4+

легко-рухомий, %

N-NH4+

Обмінний, %

N-NH4+

Фіксований, %

N-N03,

%

Виявлено азоту добрив, %

Розсівом

100

18

26

44

6

89

Локально

100

26

34

66

0

100


Щоб запобігти великим втратам азоту добрив, необхідно обмежити дію на них нітрифікуючих та денітрифікуючих бактерій і в цей же час створити умови, при яких добрива були б максимально доступними для рослин. В найбільшій мірі цим вимогам відповідало б внесення добрив локально при посіві. Але добре відомий спосіб припосівного внесення добрив практикується тільки з невеликими дозами добрив (10-20 кг/га азоту поживних речовин), оскільки більш високі дози, особливо азоту пригнічують молоді рослини, спричинюють зрідження сходів і в кінцевому результаті зниження урожаю. Прийом припосівного внесення добрив добре відпрацьований для суходільних культур (цукровий буряк, зернові, картопля), причому граничні дози поживних речовин добрив, що вносяться при посіві дуже схожі для багатьох культур і складають не більше 15-20% від загальної кількості добрив, планується під дану культуру.

Дані по урожай рису, одержані протягом трьох років в умовах польових дослідів, виявили високу ефективність внесення сульфату амонію разом з насінням (табл. 1.3).

Таблиця 1.3.

Урожай рису в польових дослідах при різних способах внесення азотних добрив, ц/га

Варіант досліду

Доза внесення

1975

1976

1977

Середній

Р90(фон)

Фон+сульфат амонію, внесений в розсів


Фон + сульфат амонію, внесений при посіві
Приріст від азоту, внесеного з насінням
Приріст від азоту, внесеного в розсів


Приріст від локалізації азотного добрива

-

52,0

39,0

25,7

38,9

60

54,9

48,3

-

51,6

120

61,0

55,3

35,7

50,6

180

-

64,8

-

64,8

60

70,5

54,0

-

62,2

120

76,7

61,0

53,3

63,6

180

-

67,8

-

67,8

60

2,9

9,3

-

6,1

120

9,0

16,3

10,0

11,7

180

-

25,8

-

25,8

60

18,5

15,0

-

16,7

120

24,7

22,0

27,6

24,7

180

-

28,8

-

28,8

60

15,6

5,7

-

10,6

120

15,7

5,7

17,6

13,0

180

-

3,0

-

3,0


Приріст урожаю від внесення сульфату амонію методом розсіювання в дозі 120 кг/га N в середньому за три роки становила 11,7 ц/га. Внесення тієї ж дози локально, при посіві, збільшило приріст урожаю зерна рису до 24,7 ц/га, тобто більше, ніж в 2 рази. Локальне внесення азотних добрив сприяло появі більш дружних сходів, зниженню пусто зернистості мітелки. Було встановлено, що карбамід і сульфат амонію є рівноцінними добривами, але сульфат амонію не володіє фізичними властивостями для внесення комбінованими сівалками. Як показали виробничі дослідження, середній приріст урожаю від внесення азотного добрива разом з насінням складав 12,3 ц/га, причому, в контрольних (господарських) посівах було внесено азоту на 40 кг/га більше, ніж в дослідних.


1.4. ІНГІБІТОРИ НІТРИФІКАЦІЇ ТА ДЕНІТРИФІКАЦІЇ
В останні 15-20років з метою зниження втрат азоту добрив і підвищення їх ефективності пошук також направлений по шляху контролювання мікробіологічних процесів у ґрунтах, які відповідають в першу чергу за основні втрати азоту, тобто в першу чергу нітрифікації та денітрифікації.

Найбільших успіхів досягнуто в нітрифікації. Нітрифікація являє собою процес біологічного окислення амонійного іону в нітрат. Процес проходить у дві стадії, утворення нітритів є проміжною ланкою. На першій стадії окислення амонію до NO2- приймають участь мікроорганізми групи Nitrosomonas,

Nitrosomonas

NH4+ NO2-
на другій

nitrobacter

NO2- NO3-

Запобігання нітрифікації амонійного азоту добрив може дати ряд переваг. Серед них можна назвати такі, як пониження втрат азоту за рахунок біо- та хемо-денітрифікації, вимивання нітратів з кореневого шару.

З іншої сторони, активність нітрифікації в ґрунті завжди визначала рівень його родючості. Наявність нітрифікації в ґрунті створює певні умови, що сприятливо впливають на ріст рослин. Наприклад, нітрифікація обмежує рівень аміаку в ґрунті і тим самим припиняє його токсичність для коренів рослин. Крім того, нітрифікація постачає рослини аніонною формою азоту (NO3-), що дуже важливо для азотного живлення молодих рослин. Нітрати також сприяють поступленню в рослини таких важливих катіонів, як К+, Са2+. В сильнофіксуючих NH4+ ґрунтах нітрифікатори сприяють переходу важкодоступного фіксованого амонію в нітрати і тим самим сприяє засвоюванню його рослинами.

При нітрифікації дуже важливим є підбір таких препаратів, які б впливали тільки на першу стадію процесу, тобто окислення NH4+ до NO2- . якщо ж в більшій степені будуть пригнічуватися nitrobacter, ніж Nitrosomonas, то можливим є накопичення в середовищі NO2- , який володіє високою токсичністю.

Інгібітори нітрифікації повинні відповідати таким вимогам:

  1. Специфічність. Інгібітор повинен блокувати перехід аміакового азоту в нітратний, тобто інгібувати ріст чи активність Nitrosomonas і не пригнічувати nitrobacter. Неповинен бути токсичним для інших ґрунтових організмів, риби, тварин, рослин.

  2. Мобільність. Інгібітор повинен переміщуватися разом з добривами чи розчинами добрив так, щоб бути ефективними в зоні реакції добрива та ґрунту. Дуже висока чи низька рухомість також небажані, оскільки в першому випадку можливе швидке виділення інгібітора з ґрунту, а в другому- сильна сорбція, а в обох випадках інактивувати використання препарату.

  3. Персистентність. Інгібітор повинен бути персистентним у своїй дії так, щоб нітрифікація інгібувалась протягом певного періоду часу- звичайно від кілької тижднів до кількох місяців.

  4. Економічність. Препарати не повинні сильно підвищувати вартість застосування добрив.

В останні роки були синтезовані нефітотоксичні препарати, які можуть селективно інгібувати процеси нітрифікації. Серед них можна назвати: тіосечовину, алілтіосечовину, діціандіамід, уретани, хлоркарбамати, хлораніліни, хлорфенл-ізоціанати, хлорпікрин, ртутні сполуки, азиди, ціанати, хлорати і похітні піридину, піримідину і триазинів.

Зі всіх синтезованих препаратів найбільш широке розповсюдження одержав нітропірин-2-хлор-6-(трихлорметил)-піридин (комерційна назва препарату N-serve). Результати вивчення ефективності вітчизняних препаратів виявили, що на дерново-підзолистих ґрунтах приріст урожаю зерна від внесення інгібіторів на фоні карбаміду чи сульфату амонію складала 2,9-7 ц/га, приріст урожаю картоплі - 30-40 ц/га; на чорноземах - озимої пшениці при зрошенні - 4-8 ц/га, рису при затопленні - 4-11ц/га.

Одним з недоліків інгібіторів нітрифікації із включенням в них в якості діючої речовини нітрагіна (N-serve, СП і ін.) є висока летючість і погана розчинність у воді. Метионін, цистин, тіосечовина та інші органічні сполуки сірки інгібують нітрифікацію амонію. Але в результаті їх розкладу утворюються метилмеркаптан, діметилсульфід, діметилдисульфід, сірководень, які негативно впливають на довкілля. В табл. 3 приведено інгібіторний ефект різних сполук, серед яких найактивнішим є сірковуглець.

Інгібітори нітрифікації та денітрифікації широко застосовуються в практиці використання азотних добрив. Використання інгібіторів є вигідним і з економічної точки зору. Але залишаються неясними деякі аспекти дії інгібіторів нітрифікації та вплив продуктів їх розпаду на довкілля. Другий аспект проблеми пов’язаний з тим, що ефект інгібіювання не є тривалим.

Таблиця 1.4.

Ефект різних препаратів в якості інгібітора нітрифікації


Препарат*

Кількість препарату, мкг/г ґрунту

Інгібіювання нітрифікації , %

Через 5 днів

Через 14 днів

Сірководень Н2S

10

8

0

Сірковуглець, CS2

50

18

0




0,1

22

1




0,5

79

3




1

95

16




2

96

56




10

97

95

Диметилсульфід, CH3SCH3

10

14

0

Диметилдисульфід,CH3SSCH3

50

84

17

Метилмеркаптан, CH3SH

10

42

0




50

98

6




10

19

0




50

91

0

2-хлоро-6-трихлорметипіридин,

2

32

11




10

64

73

2-аміно-4-хлор-6-метилпіримідин, АМ

10

34

0

Сульфаттіазол, ST

10

33

0

* В ґрунт попередньо внесено (NH4)2SO4 в дозі N 20мг на 100 г


Якщо інгібітор вноситься з азотними добривами, припиняються втрати азоту тільки в період інтенсивного росту рослин. Потім дія інгібітора припиняється , невикористаний рослинами азот добрив швидко нітрифікується і восени може бути втрачений з ґрунту. Тому необхідним є проведення круглорічних досліджень з інгібіторами в багаторічних дослідах.
1.5. ДОБРИВА ПОВІЛЬНОЇ ДІЇ

Добрива повільної є чудовою альтернативою розчинним добривам. Внаслідок того, що поживні речовини вивільняються в меншій мірі протягом сезону, рослини мають змогу споживати максимум поживних речовин без їх втрат в навколишнє середовище шляхом вимивання. Добрива пролонгованої дії є більш зручними з точки зору меншої частоти внесення їх в ґрунт. Крім того навіть при великих дозах внесення добрив рослинам не загрожують опіки, проте, важливо дотримуватися рекомендацій щодо дози їх внесення[8] .

Добрива повільної дії поділяють на кілька груп в залежності від механізму вивільнення компоненту. Дози внесення таких добрив є різними для кожного типу та марки, згідно з рекомендаціями.

Дражировані (капсульовані) добрива. Один з типів добрив, що містять відносно нерозчинні речовини в дражированій формі. Час вивільнення компоненту з таких добрив (за допомогою мікробної активності) залежить від товщини покриття. Для прикладу період вивільнення MagAmp 7-40-0 (азот-фосфор-калій) складає два роки, а період вивільнення на половину один рік.

Хімічно регульовані добрива.

Втрати азоту з ґрунту проходять в основному за рахунок нітратів, а в більшості ґрунтів, що обробляються, амонійна форма азоту швидко піддається нітрифікації , тому для сповільнення вивільнення мінерального азоту і утворення нітратів з добрив було запропоновано ряд синтетичних азотовмісних речовин. Більшість робіт було виконано з продуктами конденсації карбаміду та формальдегіду, з так званими уреаформами (карбаміформами). В залежності від степені конденсації одержують добрива з різною розчинністю у воді та швидкістю мінералізації азоту в ґрунті. Незважаючи на ряд переваг, було досліджено, що кабаміформи набагато гірше засвоюються , ніж вапняково-аміакова селітра. Та важливою особливістю таких добрив є те, що рослини встигають повністю використати нітратний азот, який утворюється з добрив. Тому втрати азоту з карбаміформу за рахунок вимивання незначні протягом всього вегетаційного періоду.

В даний час використовуються та добрива сповільненої дії, які включають уреафоми, уреа-z, кротонидиндисечовину, оксиміди, тріазини, пропінілідиндикарбамід та інші, а також мінеральні добрива - металамонійфосфати. Оксамід, гліколуріл, триазини, уреаформи та кротонілдисечовина мінерералізується в основному за рахунок мікроорганізмів [3].

Фрітти. Отримують сплавом силікатів з потрібними мікроелементами з подальшим подрібненням склоподібної маси. Заслуговують уваги в основному для забезпечення бором на легких ґрунтах з сильним промивним режимом, де бор сильно вимивається, в польових умовах. Ефективними є також бор та залізовмісні фрітти на гравійних, горщикових та контейнерних культурах, тривалість дії є більшою при більш грубому помелі фрітт.

Фосфати мікроелементів-металів та амонію. Загальна формула MeNH4PO4xH2O/високу ефективність (на рівні хелатних форм добрив- ЭДТАта інших) отримували при використанні MgNH4PO4xK2O, FeNH4PO4 таZnNH4xH2O в якості джерел для деревовидних та трав’янисітих рослин відповідно магнію, заліза та цинку. Ця формула достатньо ефективна на протязі кількох років при розмірі гранул менше 0,5 мм [1].

Добривами зі запланованою розчинністю вважаються також різні капсульовані туки, гранули яких покриваються різними матеріалами (сірка, синтетичні плівки, бітуми і т.д.). Різні покриття гранул наносяться з метою обмеження розчинності добрив у ґрунті. Покриття гранул можуть повільно деградувати під дією хімічних, мікробіологічних і фізичних факторів.

Природні органічні добрива (перегній, торф, різні компости, біомаса сидератів і ін.) також можна вважати комплексними добривами повільної дії.

Таким чином, всі повільно діючі добрива можна вважати альтернативними водорозчинними формами, але їх широке використання, очевидно, ще довго буде стримуватися високою вартістю одиниці азоту в порівнянні з аміаковою селітрою і карбамідом. Для прикладу, в США щорічна потреба уреа форму близько 50 тис. т, що менше загальної потреби азоту в мінеральних добривах. Культури, для яких використання повільно діючих добрив є більш прийнятим, - це паркові та газонні трави, декоративні дерева та кущі, овочі, що вирощуються на піщаних землях у вологих субтропіках при іригації, а також у парниковому і тепличному господарстві.
1.6 КАПСУЛЮВАННЯ, ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ

Капсулювання- це технологічний процес поміщення частинки однієї речовини в оболонку з іншої речовини, інертної по відношенню до першої.

Капсулювання передбачає ізоляцію частинок капсульованої речовини від навколишнього середовища та одну від одної без регламентації структури, розмірів та форми складових елементів капсули- ядра та оболонки. Ізоляція частинок від навколишнього середовища та між собою створюється за допомогою дифузійної перешкоди, яка утруднює, або повністю виключає взаємодію капсульованої речовини з навколишнім середовищем [5].

Основний компонент капсули може знаходитися у будь-якому агрегатному стані. Капсулювання може застосовуватися для гідридів, солей кислот, основ, багатьох класів органічних сполук (моно- та високо- молекулярних) , які являють собою каталізатори, стабілізатори, пластифікатори, масла, рідке та тверде паливо, розчинники, барвники, інсектициди, пестициди, добрива, лікарські препарати, ароматизатори, харчові додатки, волокна. Ферменти та мікроорганізми. В склад мікро капсули може входити інертний наповнювач, який є середовищем, в якому диспергувалася речовина в процесі (мікро-), капсулювання, або необхідний для подальшого функціонування активної речовини. Вміст капсульованої речовини в мікро капсулах звичайно складає 50-90%, але може досягати і 95-98% від маси капсули. Дана величина може коливатися залежно від умов одержання. Співвідношення кількості матеріалу оболонок і кількості речовини, яка капсулюється і інших параметрів процесу : температури, ступеня диспергування, в’язкості середовища, наявності ПАР, тощо [7].

В залежності від розмірів окремої капсульованої речовини розрізняють:

Способи капсулювання та мікро капсулювання основані на переробці (рідше синтезі) термопластичних і термореактивних пластичних високомолекулярних сполук і дає змогу ізолювати від навколишнього середовища частинки капсульованої речовини довільної форми, незалежно від її агрегатного стану, розмірами до 100 мкм. та 1 мм. відповідно і вище.

Ізоляція від навколишнього середовища включає:


Капсулювання з метою розділення частинок капсульованої речовини:

Окремі, ізольовані між собою капсули дуже рідко застосовуються індивідуально.

В реальних процесах доцільно наносити капсульовану речовину шарами на плівковий, листовий, або волокнистий носій, що збільшує захисні функції оболонок та збільшує їх стабільність [5]. В якості матеріалу оболонок можуть використовуватися будь-які речовини, що володіють плівкоутворюючими властивостями. До них відносяться високомолекулярні сполуки та низькомолекулярні плавкі або розчинні продукти синтетичного або природного походження. Більшість зі сполук, що використовуються є інертними у звичайних умовах і більшість з них придатні для харчових продуктів та медичних препаратів. Типовими матеріалами оболонок є органічні полімери - білки (желатин, альбумін), полісахариди - (декстрини і камеді, наприклад гуміарабік), віск, парафіни, похідні целюлози (метил-, етил-, ацетил-, фталіл-, нітро- і карбоксиетил заміщені), полівініловий спирт, полівінілацетат, полівінілхлорид, поліетилен та інші поліолефіни, поліакриламід, полісилоксани, полімалеїнати, епоксидні смоли, тощо, а також неорганічні матеріали- метали, вуглець, карбіди, і т.д. Вибір матеріалу залежить від призначення та способу вивільнення капсульованого продукту, та від вибраного методу капсулювання [17]. Мікро капсули рідких та газоподібних продуктів мають сферичну форму. Форма продуктів з твердим вмістом звичайно повторює форму капсульованої речовини. Якщо матеріал оболонок з якихось причин не може бути безпосередньо нанесеним на основну речовину, проводять проміжне капсулювання цієї речовини у зручний матеріал. Утворена оболонка має двошарову, або багатошарову структуру. При необхідності поміщень несумісних речовин в загальну оболонку є можливим виготовлення “капсул в капсулі”, коли в середині однієї оболонки поміщено одну чи декілька мікро капсул іншої речовини. Додаткові компоненти також можна вводити в матеріал оболонок. Вміст мікро капсул може вивільнятися шляхом механічного руйнування оболонок під дією тиску, плавлення, розривом зсередини парами або газоподібними речовинами, що виділяються при зміні зовнішніх умов, при взаємодії речовини з середовищем (розчинення), а також в результаті дифузії вмісту при набряканні капсул в оточуючій рідині.
  1   2   3


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации