В сельском хозяйстве широко используется минерал струвит. Это медленнодействующее удобрение, которое содержит основные питательные элементы (азот, фосфор и магний), необходимые для роста растений. Оно улучшает структуру почвы и снижает риск переудобрения, когда культуре предоставляется больше питательных веществ, чем она способна усвоить. Процесс получения этого соединения должен быть эффективным, быстрым, а также экологически безопасным, поскольку в нем задействованы вещества, вызывающие зарастание водоемов. Ученые Пермсокго Политеха определили условия, которые увеличивают продуктивность производства струвита и повышают уровень извлечения вредных веществ из отходов до 98-99%.
Статья представлена на конференции «Инновационные материалы и технологии — 2024». Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Минерал струвит образуется из фосфата магния и аммония. Он широко применяется для получения эффективных сельскохозяйственных удобрений пролонгированного действия, которые способны питать растения необходимыми веществами дольше традиционных минеральных удобрений. Например, эффект от традиционных подкормок снижается из-за их легкого растворения в воде при поливе и дождях, из чего большая часть питательных ингредиентов теряется в последующие зимние и весенние месяцы. Струвит умеренно растворяется в воде, поэтому удобрение продолжает питать посадки в течение всего сельскохозяйственного периода.
В промышленности его получают с помощью технологии химического осаждения, то есть выпадения в осадок фосфата магния-аммония. Среди явных достоинств такого метода выделяют простоту, экономическую выгоду и возможность получения вещества из отходов промышленных стоков. Но вода, которая остается после производства струвита, может загрязнять водоемы, куда ее сливают, если в ней остается слишком много веществ, которые при высоких концентрациях становятся вредными — например, аммоний. Он вызывает зарастание водоема и нарушение его функционирования, что недопустимо с точки зрения экологии.
Ученые Пермского Политеха разработали технологию, при которой выделение струвита происходит эффективнее и экологичнее. Они синтезировали промежуточный продукт — активный компонент, который способствует быстрому и полному выделению минерала.
Политехники провели эксперимент: магниевую и натриевую соли в разных пропорциях растворили в очищенной воде, в результате чего получилась особая водно-солевая система. В ней образуется промежуточный продукт — вязкое вещество, которое затем используют как реагент для усиления химической реакции при выделении минерала.
— В результате экспериментов мы установили ключевые условия более эффективного и полного получения струвита. Этому способствует минимизация количества воды в солевом растворе и применение вязкого промежуточного продукта. Это дополнительная, но оправданная операция в технологическом процессе. При использовании модифицированной технологии химического осаждения струвита можно добиться 99% конверсии сырья, а при традиционной технологии, то есть без использования промежуточного продукта, только от 70 до 85%, — рассказывает Юлия Кузнецова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук.
— После производства струвита образуются сточные воды. Они могут содержать ионы аммония выше допустимой концентрации. Это негативно скажется на окружающей среде, так как аммоний — биогенный элемент. Это значит, что при попадании в пресные водоемы его ионы вызовут слишком активный рост биологических организмов, что приведет к зарастанию водоемов и ухудшению качества воды. Применение промежуточного вязкого вещества как реагента позволило нам повысить степень извлечения ионов аммония до 98-99%, в то время как в традиционной технологии этот показатель не превышает 85%, — комментирует Ирина Пермякова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук.
Технология производства струвита, разработанная учеными Пермского Политеха, позволяет не только ускорить и упростить процесс получения удобрений, но и сделать его более экологичным по сравнению с традиционными способами. Исследование вносит важный вклад в развитие отечественной сельскохозяйственной отрасли.