基于可持续代磷酸盐肥料通过提取生物磷灰石

文摘

磷从有限的磷矿石的粮食生产和现代农业的基本要素。因此,对于粮食供应的可持续性和发展农业、磷的管理是关键。动物骨骼有高浓度的磷酸盐可以收集并用于化肥生产,但他们需要许多年才能分解和释放磷酸盐。本研究着手准备骨头磷酸浓缩磷酸否则丢弃的动物骨骼。收集动物骨骼(主要是牛骨头),洗涤、干燥和小粒子用锤子坠毁之后他们的轧机。地上的骨头中提取了0.275 H3PO4为4.58米骨phosphate-enriched磷酸溶液。氮是提取空气通过空气加热铜备案,并与锂发生反应形成氮化锂。氮化锂后来被水解成氨的反应与bonephosphate浓缩磷酸生成磷酸氢二铵(NH4) 2 hpo4)肥料。氮的百分比组成(凯氏)磷酸氢二铵被发现17.14% N的磷酸盐被发现44.58% P2O5。磷酸氢二铵的功效在温室种植的番茄决心与商业获得阳性对照为磷酸氢二铵,没有肥料作为消极的控制。 Growth parameters of the tomatoes including plant heights, leaf length, leaf width and root length were obtained over a period of twelve weeks. The results showed that the growth parameters recorded for tomato plants grown with synthesized fertilizer were not significantly different from those recorded for tomato plants grown with commercial fertilizer (p-values = 0.000 <0.05). Based on the results obtained, it can be concluded that the bone phosphate based fertilizer prepared in this study was as efficacious as the commercial fertilizer. This is a significant finding in that it shows that it shows that animal bones can be converted into readily available phosphatic fertilizer.

关键字

动物骨头、浓缩磷酸、磷酸氢二铵肥料。

介绍

零饥饿是联合国可持续发展目标2号的主要目标是到2030年消除所有形式的饥饿和营养不良(1]。这是通过确保所有的人(尤其是儿童)有足够的和全年有营养的食物1]。它包括促进可持续农业,小规模农民支持,平等的可访问性土地,改善技术,可以准备好市场和基础设施的发展2]。磷可用性是一个因素可能妨碍实现可持续发展目标以及其继任者磷肥(s)。最近的一个评论文章在当代农业总结了磷相关的问题因此,

“磷是生命的必须营养成分,各种形式的,这意味着食品不能没有它了。随着磷矿(集中的磷源)是一种不可再生和有限的资源,没有替代品,没有更多的可持续管理的磷存款可能耗尽在一个相当短。此外,在环境中磷的最终结束,它会导致污染。因此,可以说,缺乏磷及其管理不善可能是食品供应和农业可持续发展的瓶颈。然而,不像其他现代农业面临的挑战(例如,水和能源短缺、气候变化等)磷有限的可用性和可访问性的问题在很大程度上被人们忽视了直到最近“(3]。

磷是目前通过磷酸盐肥料由磷矿有限,因此它必须是可持续性管理的充足供应的食品和农业的发展。但是有很多不确定性,因为高质量的储备可能在未来30 - 40年耗尽。存款的低分数的结果受重金属如镉污染或铀可能仍4]。此外,提取和纯化的这些低品位矿也导致大量的垃圾造成了环境问题,磷石膏被放射性核素污染(4]。

磷酸生产肥料的过程从磷矿石继续自1867年以来,越来越多的研究表明,全球磷矿开采在未来几十年将达到顶峰。剩余的潜在储量的特点是质量差,是昂贵的提取5- - - - - -9]。然而,提取时没有明确的共识可能达到峰值。柯et al .,柯,估计磷达到顶峰Steen时在50 - 100岁之间,司机et al .,和斯图尔特et al .,重申,这估计排除储备基地,我不经济。柯et al .,估计高峰是350年根据目前的生产能力包括对磷的需求增加。天然岩石磷酸盐由于损失在农业径流、侵蚀、动物废弃物,因此,需要一种更有效的方法,解决了磷缺乏的未来。这包括和不限于探索机制,减少泄漏,复苏和回收磷的各种处理链(10]。

拉森和同事建议提取磷的废水是一种可能的解决方案大化石存款的依赖。到目前为止从废水营养恢复的重要性已经被低估了,但是很明显,它可以大大有助于克服迫在眉睫的磷危机11]。随着越来越多的人从农村搬到住在城市,食品从生产区域的城市和它结合磷最终会在城市垃圾的水域,屠宰场的废弃物和垃圾填埋场。复苏的磷从这些来源食品生产应优先考虑。生产的磷肥料从本地可用的有机废物,如人类的排泄物,工业有机废物的副产品,动物粪便,鱼,火山灰,骨骼,和其他屠宰场副产品盛行之前发现的化工生产(10]。在17和18世纪初,英国从邻国进口的骨头,用它们来补充动物和人类排泄物被用作磷的来源(10]。

动物骨骼含有carbonate-hydroxyl-apatite结构总是处置废物的屠宰场在大城市和城镇但他们是高浓度的磷酸盐的来源,可以收获和化肥生产中使用。骨头是最集中形式的有机磷酸盐来源于饲料和饲料补充剂,用于作物生产。他们在水溶性磷浓度最高的分数(505毫克/公斤)磷酸处理相比,307毫克/公斤12]。钙和磷的内容(25 - 29% Ca和15 -19% P)比较好自然岩石(35±2% Ca和15±1% P) (13]。实验结果通过Cayuela [14)表明,当土壤处理骨粉有增加碳矿物,氮、微生物生物量大小和活动。因此,使用骨骼在这项研究中提出了一种回收磷有机的过程。

磷酸氢二铵(DAP)肥料是一种广泛使用的磷肥料应用于土壤处理低水平的磷由于强烈的农业(15]。它包含氮是重要的促进快速营养生长和磷是ATP和叶绿素的组成部分,对食品生产至关重要。DAP已知有良好的物理特性,如高溶解度,使其成为一个受欢迎的选择在农业和其他行业使用。其他用途,包括被用作阻燃剂和金属加工15]。它是由两种成分,氨(从哈伯过程)和磷酸磷矿。工业生产磷酸的主要是由热、湿过程。在这个工作中,骨磷酸浓缩磷酸否则丢弃的动物骨骼的准备。

实验的程序

本节描述研究方法、过程和材料用于制备磷酸氢二铵(DAP)肥料。它还描述了磷酸氢二铵的表征合成的氮和磷组成百分比以及功效研究温室种植的番茄。

动物骨头准备

骨头来自Kachok市政垃圾场,肯尼亚基苏姆西部地区。他们用自来水,洗净用de-ionized水冲洗和干燥温度控制烤箱(150533年世贸中心粘合剂,德国)十二个小时的110°C。他们缩小用锤子肯雅塔大学物理化学研究实验室和地面的地质和矿实验室使用磨床,肯尼亚,在磷酸提高消化率。

骨磷酸萃取

这样做是在文章中强调的过程生产的磷酸羟基磷灰石中包含肉骨头灰火化的骨灰Zuczek [16]。评估的过程总溶解的磷酸浓度最低的骨头是由不同浓度从0.1米,0.2米,0.25米,0.275米和0.3 M .浓度都暴露在10 g的骨头在75°C和激动了两个小时。主要是过滤;未反应的骨头被挤压和去离子水冲洗干两个过滤器文件。滤液与6 M H反应₂所以₄酸沉淀Ca^{2 +}。过滤,滤液中的酸浓度由滴定。滤液中的% P决心和结果记录在表4。的结果是确定的最低浓度磷酸完全溶解的骨头是0.275 M .因此,卷10000毫升0.275米磷酸的骨头被用来溶解10公斤塑料容器的七天。用搅拌棒搅拌每二十四小时后的解决方案,以确保所有的骨头都溶解。实验室温度变化在21 - 25日之间°C在此期间的实验。十twenty-litre塑料容器被用于解散骨骼和复制测量两个月解散了一段约130公斤的骨骼和确认溶解度数据。产生的混合物过滤,存储。5.0毫升的样品测定和去离子水溶解在50毫升。解决方案然后转移到三个100毫升容量的玻璃瓶分别与去离子水稀释到马克(17]。每个样本的溶液(1.0毫升)被转移到一个25毫升容量瓶后跟2毫升2.5%钼酸铵和0.5毫升的1 M硫酸的解决方案。混合物之前添加1.0毫升的0.5米动摇了水合肼溶液和去离子水的体积由马克(17]。颜色开发解决方案时完全可以代表45分钟。吸光度是在波长830 nm (17]。校准曲线(图1磷酸)标准的解决方案是用来计算在增强磷酸磷酸的浓度。获得了阿宝的值₄^{3 -}被转换为总磷乘以0.3261和的值被转换为P₂O₅通过乘以2.2915。

磷酸氢二铵的合成

平均(156.09 g)的氮化锂是地面砂浆和放置在一个平底烧瓶和分液漏斗附着在瓶。150毫升的去离子水添加到平底烧瓶通过分液漏斗发起水解。产生的氨气通过导管烧杯中包含200毫升4.58 H₃阿宝₄从骨头中提取如3.10节所述。这个实验重复了八次,使使用的所有氮化锂固体准备。包含4.58米的烧杯磷酸(200毫升)沉浸在盆地含冰,因为高度放热反应。记录的最高温度在95°C,但晶体反应是形成于51°C。晶体形成的绘画纸第一滤纸过滤,在室温下晾干的七天,体重。总共3170.60 g的晶体形成分析磷spectrophotometrically组成百分比。

对磷酸氢二铵肥料

测定磷的肥料

合成肥料的样品(5.0克)重,溶解在去离子水的50毫升。然后解决方案是通过Whatmann-41滤纸过滤,滤液转移到100毫升容量瓶稀释到马克和去离子水(17]。样品溶液(1.0毫升)被转移到一个25毫升容量瓶后跟2毫升2.5%钼酸铵和0.5毫升的1 M硫酸溶液(17]。混合物之前添加1.0毫升的0.5米动摇了水合肼溶液和去离子水的体积由马克。解决方案是允许代表最大色彩发展大约45分钟(17]。吸光度是在波长830纳米。同样,肥料样品测定的吸光度值和相应的磷浓度得到使用校准曲线的方程(17]。的程序复制商业肥料。从实验确定磷浓度、比例P₂O₅在肥料从下面的方程(1)计算:

g . fert =肥料的重量测量在哪里

米_rP₂O₅=五氧化二磷的分子量

g。wt. P =克磷原子的重量

三个复制决定为每个不同的肥料了。比例P值之间的比较₂O₅和化学肥料。

测定氮的肥料

肥料中的氮样品由凯氏法决定。磷酸氢二铵肥料的质量为1.0 g准备重,转移到two-necked消化烧瓶和蒸馏。接收器瓶containing25.0毫升4%硼酸溶液蒸馏单元。约50.0立方厘米的氢氧化钠溶液(40%)添加到化肥氨瓶开始进化的硼酸吸收在接收方瓶。蒸馏花了20分钟后,接收方瓶就被撤掉了;筛选5滴甲基红指示剂溶液添加到馏分接收机0.05瓶和滴定硫酸灰色的终点。过程重复三次,结果取平均值。两个空白滴定和平均运行空白值用于后续计算。氮的含量(W_N),在毫克每克,是计算使用公式(2)所示:

在那里,

V₁=体积,毫升的硫酸用于滴定样品

V₀=体积,毫升硫酸滴定法中使用的空白试验

[H⁺]= H的浓度⁺硫酸的摩尔每升(例如,如果使用0.01 mol / l硫酸,[H⁺)= 0.01 mol / l)

米_N=氮气的摩尔质量,克每摩尔(= 14)

m = sampl的质量测试e

米_t=干渣,表示为g / 100 g烤箱干物质的基础上根据标准的特殊材料。

测定水分的肥料

肥料的含水率准备确定重量分析地(18]。约50克的样品被转移到重盘和第一干燥器中干燥24小时之前一个恒定的质量让烤箱温度。相信这个示例将“爬行”如果干迅速因此导致不准确的结果18]。然后,将样品放置在烤箱设定在110°C质量五个小时,干一个常数。然后转移到干燥器冷却。五个复制使用相同的过程来完成的。%含水率计算使用公式(3)所示:

磷酸氢二铵的疗效评价。

这是评估通过肥料在温室番茄和监测生长参数,包括高度、叶的叶片的长度、宽度和长度rootover一段十二周。商业肥料作为积极的控制。番茄的种植过程中没有使用化肥作为消极的控制。

结果与讨论

本节礼物结果提取骨磷酸磷酸和磷酸反应骨与氨浓缩磷酸磷酸氢二铵肥料,肥料的特性的功效相同的准备和决心种植西红柿。

萃取磷酸的骨头

的影响变化的评价骨溶解的磷酸的浓度所示表1。解散的骨头不完整时浓度的0.1,0.2,0.25 M H₃阿宝₄是使用。完全溶解时观察到0.275米和0.3米。这表明,溶解的程度是直接与磷酸的浓度成正比。骨溶解在溶剂的质量表示为不同的初始质量质量的骨头重实验前,未反应的骨头。骨溶解的计算做了以下结果% P (19.45) % P₂O₅(44.58)和磷酸的浓度从0.275米到4.58米标志着重大的磷酸浓缩。

表1。在骨溶解酸浓度的变化。

合成和表征的磷酸氢二铵肥料

溶解磷在g / l的产量决定的质量百分比的磷含量相当于28.11% P2O5的碎骨。磷酸与氨反应的比例1.4:1是一个放热反应,温度记录达到95摄氏度。最高的反应是放热反应温度记录在95°C,但晶体形成于51°C。反应后,反应容器被允许的温度冷却到26°C。晶体在空气过滤母液和干给磷酸氢二铵的质量3170.60克,相当于48.06%的收益率。标准的解决方案是校准的校准曲线和方程用于计算PO的浓度₄^{3 -}肥料的制备和商业上获得肥料。阿宝的值₄^{3 -}获得被乘以0.3261而转化为总磷;总磷转化为P2O5乘以2.2915得到的值。表2显示了平均吸光度和浓度的标准解决方案图1显示了校准曲线。

表2。平均吸光度和标准溶液的浓度。

磷酸的浓度水平的肥料决心使用校准曲线的方程和结果记录表3。

表3。合成的% P2O5含量DAP和商业衣冠楚楚。

合成DAP包含44.58% P2O5相比45.46% P₂O₅用于商业衣冠楚楚。区别可能占的骨头包含15 - 19% P,磷矿石包含15±1% (12]。% N水平准备DAP和商业DAP使用凯氏记录在过程和结果进行了分析表4。

表4。合成的%氮水平和商业衣冠楚楚。

合成DAP含有17.19% N比商业DAP (17.31% N)。这可能是由于糟糕的储存设施的影响对氨的合成DAP在某种程度上是输了。化肥的含水率的值被记录在决定表5。

表5所示。%含水率在合成和商业衣冠楚楚。

合成肥料中含有较高的含水率(0.53±0.14)相比商业肥料(0.39±0.06)。这可能归因于肥料的溶解性水平。假设商业肥料含有低含水率由于它受到治疗的过程中制造。

功效的DAP茄增长做好准备

这是评估通过肥料在温室番茄和监测生长参数,包括高度、叶的叶片的长度、宽度和长度rootover一段十二周。商业肥料作为积极的控制。番茄的种植过程中没有使用化肥作为消极的控制。

高度的番茄植物

番茄种植的高度的变化与实验室肥料,商业肥料和没有肥料测量在一段十二周。植物的高度测量每周的前两周,然后每两周直到十二周。表6总结了结果。

表6所示。随着时间的推移,番茄植物的高度变化。

从表中可以看出,番茄种植的植物的高度与合成肥料增加随着时间一周达到马克斯在十二周。达到高度没有明显不同于观察与番茄种植与商业肥料(假定值= 0.000 < 0.05)。番茄种植的高度达到合成肥料显著不同的高度达到在番茄种植肥料(即负控制)。有高度的增加番茄的种植过程中没有使用化肥到星期4然后减少增长如图所示,星期6和12之间的利率。这可能是由于减少可用性的本地磷在土壤中。植物生长与商业肥料给最大的增加高度,虽然高度的增加没有明显不同于变化的植物种植与实验室准备的肥料。相对较高的% N % P2O5商业肥料分别为(17.31,45.46)可能的主要原因一直商业DAP的更好的性能。在十二周的高度最高的记录。有明显降低的速率增加植物高度在星期6在所有治疗。这可能是由于减少氮和磷是植物生长的水平。 The rate of increase in height was calculated as an average of the values between two weeks divided by time. For the first interval (between week one and two) growth rate was calculated as the increase in total length per day.

根的长度西红柿

番茄种植的根长度的变化与合成肥料,化学肥料和没有肥料测量在一段十二周。根长度测量每周的头两个星期,然后每两周,直到十二周。表7总结了结果。

表7所示。根的长度番茄植物。

从表中可以看出,番茄的根长度与合成肥料种植的植物从一周增加和达到最大12周。也有根长度增加植物种植与商业肥料从星期1到星期十二。根长度的增长率是在种植时期的开始,也就是说,第一周和第二周末(10周和12周)。这表明根具有最大的对磷的需求在根发展的早期阶段。有抑制植物的种植过程中没有使用化肥的根长度变化随时间降低增长率,表明磷缺乏症。根长度的变化与合成肥料plantsgrown没有明显(p = 0.000 < 0.05)不同植物的根长度的变化发展与商业肥料。Amponsha [17)描述磷作为早期的兴奋剂根形成和发展,有助于吸收必需的矿物质和水。

番茄叶长度的变化

番茄种植的叶长度的变化与合成肥料,化学肥料和没有肥料测量一段时间内的12周。叶长度测量每周移植后的前两周,然后每两周后到第十二周,表8总结了结果。叶长度继续增加从星期1到星期十二与合成肥料,种植的植物,但增加叶片长度随时间减少。例如,叶长度增加从2.51厘米到5.67厘米从星期1到星期2是相当于的变化率之间的0.45厘米/天,星期2和星期3、叶片长度从5.67厘米增加到7.54厘米,相当于0.13厘米/天的速度。植物生长的叶长度与商业肥料从星期1到星期十二也增加了。叶长度的增长率在cm /天随着时间也减少了。

表8所示。番茄植物的叶片长度。

例如,第一周和第二周之间,叶长度从2.10厘米到2.92厘米增加给增加率为0.11米/天而在星期2和星期3之间,有一个增加0.071厘米/天的速度。植物的肥料应用产生了更高的叶片长度值相比,植物没有肥料应用的地方。两个肥料(合成和商业),植物生长与商业肥料产生了更高的叶片长度值与实验室肥料,植物生长相比,两种肥料没有显著不同(假定值= 0.000 < 0.05)。先前的研究已经表明,磷酸氢二铵肥料氮,对叶生长有促进作用(19]。

叶片宽度的西红柿

叶片宽度的变化番茄种植着合成肥料,化学肥料和没有肥料测量一段时间内的12周。叶宽度测量每周的头两个星期,然后每两周,直到十二周。表9总结了结果。

表9所示。番茄叶片宽度的变化。

叶的宽度逐渐增加从星期1到星期十二对植物种植与合成肥料。叶片宽度增加的速度随时间减少。例如,第一周和第二周之间,速度是0.82厘米/天,星期2和星期3、之间之间的率为0.078厘米/天,星期3,星期4,速度是0.061厘米/天。植物的叶片宽度与商业种植肥料从星期1到星期十二也增加了。叶宽度增加的速度也减少了从星期1到星期十二,例如,第一周和第二周之间的速度增长0.23厘米/天,星期2和星期3、之间之间的率为0.078厘米/天,星期3,星期4,速度是0.054厘米/天。

植物的叶片宽度的种植过程中没有使用化肥也略微有所增加。例如,第一周和第二周之间,叶的宽度从1.02厘米增加到1无误厘米给予率增加0.06厘米/天,星期2和星期3、之间有一个增加率0.03(厘米/天)。植物的肥料应用产生了更高的叶片宽度值相比,植物没有肥料应用的地方。植物生长与商业肥料显示叶宽度值高于植物种植与合成肥料,但叶宽度没有明显不同(p值= 0.000 < 0.05)。先前的研究[20.)表明,番茄叶片的宽度增加随着时间的推移,当与磷酸氢二铵肥料种植。Leghari [21)也指出,显著减少的速度增加,叶片宽度是由于减少磷随时间减少导致细胞分裂和叶扩张。

Conlcusions

DAP合成肥料,特点和用于种植在温室番茄商业DAP的积极控制。番茄的种植过程中没有使用化肥作为消极的控制。根据讨论的结果在这个手稿,以下结论可以:

i)骨磷酸盐被酸水解从而丰富商业成功地提取从0.275米磷酸磷酸到4.58米。

ii) DAP肥料成功由NH3 Li3N的水解反应和骨骼磷酸浓缩磷酸。

iii)获得的弹跳是一样有效的商业DAP在温室种植西红柿。

引用

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