Разработка технологии приготовления железосодержащих порошков, как стимулятор роста растений

Разработка технологии приготовления железосодержащих порошков, как стимулятор роста растений.

Фосфор - химический элемент с атомным номером 15, атомная масса 30,973762. Расположен в группе VA в 3 периоде периодической системы. Валентности от III до V. Самая устойчивая степень окисления в соединениях +5.

Соединения фосфора

Оксид фосфора Р2О5;

Соответствующая кислота Н3РО4, будучи трехосновной она образует три ряда солей: средние (фосфаты), кислые (гидро- и дигидрофосфаты).

Важнейшими природными соединениями фосфора являются минералы: фосфорит Са3(РО4)2 и апатит Са3(РО4)2 * СаF2, которые служат сырьем для приготовления минеральных удобрений.

В почвах обычно имеются все необходимые растению питательные элементы. За счет хозяйственной деятельности человека часто отдельных элементов бывает недостаточно для удовлетворительного роста растений. Применение минеральных удобрений – один из основных приемов интенсивного земледелия. С помощью удобрений можно резко повысить урожаи любых культур на уже освоенных площадях. При помощи минеральных удобрений можно использовать даже самые бедные, так называемые бросовые земли.

Минеральные удобрения – источник различных питательных элементов для растений и почвы, в первую очередь азота, фосфора и калия, а затем кальция, магния, серы, железа и прочих. Содержание питательных веществ в удобрении выражают в процентах Р2О5, N и K2О. Все элементы в равной степени необходимы растениям. При полном отсутствии любого элемента в почве растение не может расти и развиваться нормально. Все минеральные элементы участвуют в сложных преобразованиях органических веществ, образующихся в процессе фотосинтеза.

Один из промышленных способов получения фосфорных удобрений основан на взаимодействии тонко размолотого апатита или фосфорита с серной кислотой. Почти все фосфаты, находящиеся в суперфосфате, растворяются в воде и хорошо усваиваются растениями. Большая часть суперфосфата выпускается заводами в гранулированном виде. Фосфаты из суперфосфата, внесенного в почву в виде порошка, быстро переходят в соединения, малодоступные для растений. В гранулах фосфаты значительно дольше остаются в том состоянии, в котором они легко усваивается растениями. Особое внимание уделяется комплексным удобрениям и стимуляторам, содержащим, кроме указанных ионов также железо в усвояемой форме. Железо, которое тоже нужно растениям (и животным) также должно находиться в форме, доступной для усвоения.

В настоящее время разрабатывается новый метод получения комплексных фосфорных железосодержащих удобрений, в виде нанодисперсных порошков, содержащих железо и фосфаты железа.

Биологическая активность металлических порошков с размерами частиц порядка нанометров известна более 30 лет.

Наноразмерные порошки металлов получают в специальных условиях, так как они пирофорны, то есть самовозгораются при контакте с кислородом воздуха.

Для того, чтобы порошками можно было пользоваться в обычных условиях их поверхность пассивируют – создают защитные плёнки на поверхности.

Одним из методов получения порошков металлов с защищённой поверхностью – диспергирование металла в жидкой среде в реакторе со встроенными электродами, заполненном металлической загрузкой – железо, алюминий, цинк и т. п.

Анализ показал, что при работе реактора с железной загрузкой в водной среде получается железный порошок, поверхность которого покрыта оксидными плёнками, то есть протекает реакция окисления железа, а окислителями служит вода и растворённый в ней кислород. Если в качестве среды использовать растворы солей, с которыми железо дает труднорастворимые соединения – поверхность порошков покрыта плёнками соответствующих солей. В настоящей работе мы используем в качестве рабочей среды раствор, содержащий фосфаты с целью синтеза Fe3(PO4)2.

Для выполнения работы был изготовлен экспериментальный стенд, состоящий из: реактора, высоковольтного источника тока, электродной системы, измерительной аппаратуры.

Электроэрозионный реактор представляет собой ёмкость прямоугольного или круглого сечения из диэлектрического материала со встроенными электродами и загрузкой из обломков стальной стружки, помещённой в воду. При подаче импульсного напряжения на электроды в зоне контактов между частицами металлической загрузки возникают разряды. В результате происходит разбрызгивание металла и образование металлического порошка, а так же протекают реакции электрохимического и химического окисления металла.

Объём реактора 1 литр, масса стружки 150 г, амплитуда 500В, частота следования импульсов – 1000 им/с. Пробы отбирали через 30с. ; 1 мин; 1,5 мин; 2 мин; 3 мин.

1 – ая модельная система

Fe + H2O + имп. разряд

( стальные частицы загрузки + вода + эл. имп. разряд)

В результате обработки электрическими разрядами в системе образуется чёрная тонкодисперсная взвесь. По окончании обработки суспензия отстаивается. На дне стаканов накапливается чёрная масса из тонкодисперсного железа Fe.

Наиболее крупные частицы, отделённые от основной пробы методом седиментации имеют размер от 10 до единиц микрона, мелкие – от сотен нанометров и меньше. Частицы округлые, что позволяет предположить, что они образуются в результате разбрызгивания металла, нагревающегося до температуры плавления под действием электрического разряда.

Анализ показал, что частицы Fe – порошка покрыты слоем окислов.

Частично, за счёт электрохимических реакций железо окисляется и в растворе появляются ионы Fe2+, которые постепенно окисляются до Fe3+. Взаимодействуя с ОН-, они образуют Fe(OH)2 и Fe(OH)3, которые выпадают в осадок.

В нашем опыте после 3 мин обработки образовалось 8,61г. железного металлического порошка с размерами частиц от 12 мкм до 1мкм, и менее 105г наноразмерных частиц

По данным химического анализа во взвешенном состоянии находится коло 100 мг/л железа в виде гидроксидов, после коагуляции которых остаточное содержание железа в растворе не превышает 0,134 мг/л, при рН = 8,2.

2 – ая модельная система

Fe + H2O + РО43-

Известно, что если в систему «железо – вода» ввести ионы, дающие соли, произведение растворимости которых меньше, чем произведение растворимости Fe(OH)2, Fe(OH)3, то в результате образуются соответствующие соли. При введении в исследуемую систему ионов РО43- должно образоваться Fe2(PO4)3.

Ион РО43- вводили в систему в виде Na3PO4. При контакте 100г Fe загрузки с 1л раствора Na3PO4 концентрацией 1,5г/л в течение дня видно выделение пузырьков газа. рН в суспензии в начале опыта 6,41. Через 20 часов контакта суспензия над железной загрузкой имеет вид жидкого молока, рН = 7,22. Железная загрузка, после того как с неё слили суспензию имеет черный цвет (а не бурый, как при контакте с водой). Из литературы известно, что рН оседания Fe2(PO4)3 лежит в диапазоне 4,0÷4,5.

Основываясь на этом факте, методом титрования фосфорной кислотой мы снизили рН полученной суспензии до 4,2. В результате суспензия скоагулировала и образовавшаяся соль выпала в осадок. Соль имеет бежевый цвет. Присутствия РО43- в фильтрате не обнаружено.

3 – ая модельная система

Fe + H2O + РО43-+ эл. имп. разряд

После предварительных исследований обработали раствор Na3PO4 такой же концентрации в контакте с железной загрузкой (100г) и электрическими разрядами.

Анализ показал, что время, в течение которого концентрация ионов РО43- в растворе от исходной концентрации – 105г/л - снижается практически до 0, составляет не более 2 - 3 минут. То есть влияние электрических разрядов на состояние системы выражается в изменении скорости реакции.

В ходе обработки исследуемой системы электрическими разрядами образуется агрегативно устойчивая суспензия, рН которой возрастает за счет буферной емкости до 9,5 – 10. Образовавшаяся соль имеет голубоватую окраску, что свидетельствует о преимущественном содержании Fe2(PO4)3 в продукте. Экспериментально установлено, что концентрация Na3PO4 в исследуемой системе должно быть ограничено, т. к неограниченное увеличение электропроводности исходного раствора приводит к нарушению условий формирования электрических импульсных разрядов и эрозия металлической загрузки затрудняется.

На основании полученных результатов приготовлено 200г смешанного Fe - Fe2(PO4)3 порошка, которые переданы для проведения биологических опытов.

Разработка технологии получения комплексных железосодержащих порошков с частицами размером от единиц микрон до нанометров продолжается.