Фосфоросодержащие удобрения и их производство

1. Значение фосфора для растений

 

Различные удобрительные  средства типа золы, мергеля, органических остатков в практике возделывания культурных растений использовались в течение  тысячелетий. Однако лишь в конце XVIII—середине XIX вв. в связи с успехами в развитии естественных наук стало возможным познание сущности корневого и воздушного питания растений, а следовательно, научно обоснованное применение удобрений. Удобрения , предназначены для улучшения питания растений и свойств почв. Удобрения подразделяют на прямые (содержат непосредственно элементы питания растений) и косвенные (улучшают свойства почв; напр., гипс, известь).

Оптимальный рост растений зависит от климатических факторов (световой, тепловой, водный, воздушный  режимы), обеспеченности питательными элементами, а также от структуры и кислотности почв, содержания в них гумуса и других свойств. Все почвы обладают значительным запасом питательных веществ, но большая часть их находится в малодоступной форме. Поэтому для оптимизации питания растений в почву вносят удобрения.

В составе растений обнаружено более 70 хим. элементов. Для нормального  роста растений нужны только 15: С, О, H, N, P, К, Ca, Mg, S, В, Fe, Mn, Cu, Mo, Zn. Каждый из этих элементов выполняет в растениях  свою специфическую роль и не может быть заменен. Но в моём докладе пойдёт речь только о фосфоре.

Фосфор — важный элемент  питания растений. Растения потребляют его главным образом в виде анионов H₂PO₄^- ; (или HPO₄^2-) из солей ортофосфорной кислоты (H₃PO₄ ), (а также из солей полифосфорных кислот (после их гидролиза). Поступивший в растения фосфор включается в состав различных органических соединений. Фосфор входит в нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды, участвующие в построении цитоплазмы и ядра клеток. Он содержится в фитине — запасном веществе семени, который используется как источник фосфора во время прорастания, а также в фосфатидах, сахарофосфатах, витаминах и многих ферментах. В тканях растений присутствуют в небольших количествах также неорганические фосфаты, которые играют важную роль в создании буферной системы клеточного сока и служат резервом фосфора для образования различных фосфорорганических соединений.

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.

Фосфорные удобрения  необходимы практически для всех культур на любых типах почв. Их можно вносить как осенью, так и ранней весной, так как фосфор легко удерживается почвой и почти не вымывается водой.

 

 

2. Производство  фосфорных удобрений

 

Промышленное производство фосфорных удобрений основано на переработке полезных ископаемых –  апатитов и фосфоритов. Содержание Р₂О₅  в фосфорной руде варьирует от 5 до 35%, поэтому они подлежат обогащению. В ходе переработки фосфатного сырья осуществляют перевод фосфора в усвояемую для растений форму.

 

Фосфорные удобрения  в зависимости от растворимости  и доступности для растений подразделяют на три группы.

• Удобрения, содержащие фосфор в водорастворимой форме — суперфосфат простой и суперфосфат двойной. Фосфор из этих удобрений легко доступен растениям.
• Удобрения, фосфор которых не растворим в воде, но растворим в слабых кислотах (2%-ной лимонной кислоте) или в щелочном растворе лимоннокислого аммония,— преципитат, томасшлак, термофосфаты, обесфторенный фосфат. Фосфор в этих удобрениях находится в доступной растениям форме.
• Удобрения, не растворимые в воде, и плохо — в слабых кислотах, полностью растворимые только в сильных кислотах, —фосфоритная мука, костяная мука. Это более труднодоступные источники фосфора для растений.

 

Фосфорные удобрения  производятся путем кислотной и  термической переработки фосфатов, они содержат фосфор в виде солей ортофосфорной кислоты. Кроме того, некоторые сложные фосфорсодержащие удобрения получают па основе полифосфорных (суперфосфорных) кислот.

 

          Суперфосфат

 

 Первое искусственное  фосфорное удобрение – суперфосфат  – было получено в Англии  в 1839 Лаузом, а в 1842 там же было организовано его первое промышленное производство.

Суперфосфат простой получают обработкой размолотого апатита или фосфорита  серной кислотой. При действии серной кислоты на фосфатное сырье происходит разложение апатита или фосфорита с образованием водорастворимого однозамещенного фосфата кальция Ca(H₂PO₄)₂ и гипса CaSO₄, не растворимого в воде:

 

Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 7H₂SO₄ = 3Ca(H₂PO₄)₂ + 7CaSO₄ + 2HF.

 

Гипс остается в составе  удобрения и занимает около 40% его  массы, фосфора в таком суперфосфате почти вдвое меньше, чем в исходном сырье. По этой причине низкопроцентные фосфориты не используют для изготовления суперфосфата. В Советском Союзе для его получения применяли преимущественно апатитовый концентрат, а также более высокопроцентные фосфориты.

Простой суперфосфат  из апатита содержит 14—20% усвояемого фосфора в расчете на Р₂О₅. Большая часть фосфора в суперфосфате находится в виде монокальцийфосфата, 5—5,5% массы удобрения содержится в виде свободной фосфорной кислоты. В суперфосфате находится небольшое количество дикальцийфосфата СаНРО₄ ∙2 Н₂О, а также трикальцийфосфата, фосфатов железа и алюминия. Суперфосфат оценивается по содержанию в нем усвояемого фосфора, то есть растворимого в воде и цитратном растворе (аммиачный раствор лимонно-кислого аммония). Усвояемый фосфор в суперфосфате составляет 88—98% общего содержания.

Суперфосфат выпускается в виде гранул размером 1—4 мм. Гранулированный  суперфосфат обладает хорошими физическими  свойствами: не слеживается, сохраняет  хорошую рассеваемость. При гранулировании свободная фосфорная кислота нейтрализуется и суперфосфат высушивается, поэтому содержание воды и свободной фосфорной кислоты снижается соответственно до 1—4% и 1—1,5%.

При нейтрализации свободной кислотности  суперфосфата аммиаком получают аммонизированный суперфосфат с содержанием азота около 1,5—3%.

 

         Двойной суперфосфат

 

Цвет и внешний вид сходен с простым суперфосфатом –  серый мелкозернистый порошок. Более  ценный продукт – двойной суперфосфат, так как в нем содержится в три раза больше фосфора по массе. Фосфор находится в нем в виде водорастворимого монокальцийфосфата Ca(H₂PO₄)₂·H₂O и небольшого количества свободной фосфорной кислоты (2,5—5,0%). Его получают обработкой апатита фосфорной кислотой:

 

Ca₁₀(PO₄)₆F₂ + 14H₃PO₄ +10H₂O = 10Ca(H₂PO₄)₂·H₂O +2HF.

 

По сравнению с простым  суперфосфатом он не содержит СаSО₄ и является значительно концентрированным удобрением (содержит до 50% Р₂О₅).

Двойной суперфосфат выпускают  в гранулированном виде.

 

         Преципитат

 

Преципитат — СаНРО₄ ∙2Н₂О — двухзамещенный фосфат кальция (дикальцийфосфат) содержит 38% фосфора в расчете на P₂O₅. Получается путем кислотной переработки фосфатов при осаждении фосфорной кислоты известковым молоком или мелом, а также в качестве отхода при желатиновом производстве.

Фосфор преципитата не растворим  в воде, но растворяется в лимонно-кислом аммонии и хорошо усваивается  растениями. Удобрение обладает ценными  физическими свойствами: не слеживается, сохраняет хорошую рассеваемость, может смешиваться с любым удобрением. Преципитат можно применять как основное удобрение под различные культуры на всех почвах. Его фосфор меньше, чем суперфосфата, закрепляется в почве, поэтому преципитат более эффективен на богатых полуторными окислами кислых почвах и карбонатных сероземах. На черноземах преципитат близок по эффективности к суперфосфату.

 

Томасшлак

 

 Примерно Са₃(РО₄)₂•СаО — продукт взаимодействия оксида Р₂О₅ с известью СаО. Получается в виде шлака при удалении фосфора из чугуна по конверторному методу. В нем должно содержаться не менее 14% растворимого в 2%-ной лимонной кислоте фосфора в расчете на P₂O₅. Томасшлак — ценное минеральное удобрение.

 

          Термофосфаты

 

Термофосфаты получают сплавлением  или спеканием размолотого фосфорита  или апатита с щелочными солями — содой или поташом, или природными магниевыми силикатами, а также с сульфатами калия, натрия и магния. При этом образуются усвояемые растениями кальциево-натриевые или кальциево-калиевые фосфорнокислые соли, а также другие фосфаты и силикофосфаты.

Термофосфаты содержат 20—30% лимонно-растворимого фосфора  в расчете на P₂O₅. По свойствам и эффективности они близки к томасшлаку. Могут применяться как основное удобрение на всех почвах, но как щелочные удобрения эффективнее на кислых почвах.

При сплавлении фосфорита  или апатита с силикатами магния получаются плавленые магниевые фосфаты. Они содержат 19—21% усвояемого лимонно-растворимого фосфора в расчете на P2O5 и 8—14% MgO, особенно эффективны на бедных магнием легких песчаных и супесчаных почвах. Термофосфаты также применяют как основное удобрение и их нельзя смешивать с аммонийными удобрениями.

 

Обесфторенный фосфат

 

Обесфторенный фосфат получают из апатита путем обработки водяным  паром смеси апатита с небольшим  количеством кремнезема (2—3% SiO₂ при температуре 1450— 1550 °С). При этом разрушается кристаллическая решетка фторапатита и удаляется фтор в газообразной форме, а фосфор переходит в усвояемую (лимонно-растворимую) форму.

Обесфторенный фосфат содержит не менее 36% P₂O₅, растворимой в 0,4%-ной НСl. Удобрение негигроскопично, не слеживается.

Обесфторенный фосфат, так же как томасшлак, нельзя смешивать с аммонийными удобрениями. Может применяться как основное удобрение на всех почвах. На дерново-подзолистых и черноземных почвах по эффективности не уступает суперфосфату.

 

Фосфоритная мука

Фосфоритную муку получают при тонком размоле фосфоритов. Содержит 19–30% P₂O₅ в виде Ca₃(PO₄)₂. Поскольку фосфат кальция малорастворим в воде, фосфоритная мука может усваиваться растениями только на кислых почвах — подзолистых и торфяных, — в которых Ca₃(PO₄)₂ постепенно переходит в доступный растениям дигидрофосфат Ca(H₂PO₄)₂•H₂O. Эффективность фосфоритной муки увеличивается с повышением тонины помола. Чем тоньше частицы, тем больше их поверхность и соприкосновение с почвой и лучше происходит разложение фосфоритной муки под действием почвенной кислотности до усвояемых растениями соединений. Основным достоинством фосфоритной муки как удобрения является её низкая стоимость; можно отметить также экологическую безвредность и длительное последействие.

 

Костяная мука

Костная (костяная) мука — продукт переработки костей домашних животных, используют как фосфорное удобрение (содержит 29—34 % Р₂О₅).

 

Доля производства удобрений, содержащих в своем составе только один фосфор, падает, и все больше производится комплексных удобрений, содержащих два или три питательных элемента.

 

Удобрения, содержащие фосфор

Название удобрения	Химический состав
Простые
Суперфосфат двойной
Суперфосфат простой
Фосфоритная мука
Костяная мука
Преципитат
Шлак мартеновский печей	Сложный состав. Содержит P,Ca, Si, C, Fe и др. элементы
Комплексные
Аммофос
Диаммонийфосфат	N(18%)+P2O5(46%)+H2O(1,8%)
Сульфоаммофос	N(14%)+P2O5(34%)+S(8%)+H2O(1,0%)
АФУ	N(16%)+P2O5(20%)+H2O(1,5%)
Нитроаммофосфат	N(21%)+P2O5(23%+14%)+H2O(1,0%)
Азопреципитат	N(26%)+P2O5(13%+6%)+H2O(1,0%)
САФУ	N(31%)+P2O5(5%)+H2O(0,5%)
Азотофосфат	N(33%)+P2O5(5%)+H2O(1,0%)
Аммофоска
Азофоска	N(16%)+P2O5(16%)+K2O(16%)+H2O(1,0%)
Азофоска с серой	N(27%)+P2O5(6%)+K2O(6%)+S(2%)+H2O(1,0%)
NPK	N(13%)+P2O5(19%)+K2O(19%)+H2O(1,5%)
Диаммофоска ( ДАФК )	N(10%)+P2O5(26%)+K2O(26%)+H2O(1,5%)
Нитроаммофос
Удобрение жидкое комплексное (ЖКУ )		N(11%)+P2O5(37%)+H2O(51,6%)

 

Аммофос - высокоэффективное, гранулированное азотно - фосфорное удобрение высшего сорта. Концентрация основных питательных веществ в аммофосе - 52% фосфора и 12% азота представленного в аммонийной форме. Аммофос - это безхлорное, безнитратное удобрение с наивысшей концентрацией фосфора.