Search

This research presents the mechanical creation of smart fertilizers from a mixture of smectite and urea in a 3:2 ratio by using the planetary milling technique. The smectite–urea composites show intercalation between urea and mineral, which increases steadily with increasing activation time. A shift of X-Ray Diffraction basal reflections, intensities of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) peaks, and weight losses in thermogravimetric analysis (TG) document the systematic crystallo-chemical changes of the composites related to nitrogen interaction with activation. Observations of the nanocomposites by scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy (TEM) corroborate the inference. Nitrogen intercalates with smectite in the interlayer space and remains absorbed either within micro-aggregates or on the surface of activated smectites. Soil leaching tests reveal a slower rate of nitrogen than that of traditional urea fertilizers. Different forms of nitrogen within the composites cause their differential release rates to the soil. The formulated nanocomposite fertilizer enhances the quality and quantity of oat yield.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью поиска технологий, позволяющих повысить экологичность использования органических топлив в процессе энергообеспечения. Цель: исследование СВЧ-пиролиза твердых органических топлив, имеющих различную степень метаморфического преобразования. Объект: твердые органические топлива, имеющие разную степень метаморфического преобразования, а именно древесные отходы (сосновые опилки), низинный торф (месторождение Суховское, Томская область), бурый уголь (месторождение Таловское, Томская область), каменный уголь (марка Д, Кузнецкий бассейн, Кузбасс). Методы. Характеристики исходного топлива определены согласно общепринятым методикам: влажность - ГОСТ Р 52917-2008, выход летучих веществ - по ГОСТ Р 55660-2013. Зольность опилок определяли согласно ГОСТ Р 56881-2016, торфа - ГОСТ 11306-2013, углей - ГОСТ Р 55661-2013. Принципиальная разница использованных стандартов в части определения зольности заключается в предписанных параметрах процедуры анализа (температура, скорость, время). Определение теплоты сгорания осуществляли при помощи калориметра АБК-1В (РЭТ, Россия) согласно ГОСТ 147-2013. Элементный состав исходного сырья и твердого углеродистого остатка после его переработки (C, H, N, S) устанавливали при помощи анализатора Vario Micro Cube (Elementar, Германия), используя в качестве поверки стандартный образец (Sulfanilamide). Исследование переработки рассматриваемых топлив методом традиционного медленного пиролиза в слое осуществлено методом синхронного термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии при помощи прибора STA 449 F3 Jupiter (Netzsch, Germany). СВЧ-пиролиз реализован на специально разработанном экспериментальном стенде (мощность магнетрона 750 Вт, несущая частота 2,45 ГГц). Состав пиролизного газа (содержание таких компонентов, как H2, CH4, CO, СО2) в режиме реального времени регистрировался при помощи газоанализатора Тест-1 (Бонэр, Россия). Результаты. Методом дифференциального-термического анализа установлено, что температура окончания термического преобразования для биомассы (опилки и торф) составляет 600-650 °С, для бурого угля - 850 °С, каменного угля - 900 °С. При сравнении результатов медленного слоевого и СВЧ видов пиролиза отмечено, что при СВЧ-пиролизе топлива образуется на 9,5-11,7 % меньше твердого углеродистого остатка, увеличивается выход летучих (жидких и газообразных продуктов). При этом генерируемый в процессе СВЧ-пиролиза пиролизный газ практически не содержит в своем составе балластного СО2, что в совокупности с низким выходом углеродистого остатка свидетельствует о более высоком КПД термической переработки топлива по сравнению с медленным слоевым пиролизом. Отмечено, что с увеличением степени метаморфизма топлива в процессе СВЧ-пиролиза снижается доля генерируемого синтез-газа (Н2+СО) по отношению к получаемому количеству метана, что связано с составом исходного перерабатываемого сырья: изменение (СО+Н2)/СН4 в пиролизном газе коррелирует с изменением (Н+О)/С в исходных топливах. The relevance of the study is caused by the need to find technologies that can improve the environmental friendliness of the use of organic fuels in the process of energy supply. The main aim is research of microwave pyrolysis of solid organic fuels with different degrees of metamorphic transformation. Objects: solid organic fuels with varying degrees of metamorphic transformation, namely, wood waste (pine sawdust), lowland peat (Sukhovskoe deposit, Tomsk region), brown coal (Talovskoe deposit, Tomsk region), hard coal (grade D, Kuznetsk basin, Kuzbass). Methods. The characteristics of the initial fuel were determined according to generally accepted methods: humidity - SS R 52917-2008, volatile matter yield - according to SS R 55660-2013. The ash content of sawdust was determined according to SS R 56881-2016, peat - SS 11306-2013, coal - SS R 55661-2013. The fundamental difference between the standards used in terms of determining the ash content lies in the prescribed parameters of the analysis procedure (temperature, speed, time). The heat of combustion was determined using an ABK-1V calorimeter (RET, Russia) in accordance with SS 147-2013. The elemental composition of the feedstock and the solid carbon residue after its processing (C, H, N, S) was determined using a Vario Micro Cube analyzer (Elementar, Germany), using a standard sample (Sulfanilamide) as a verification. Research of the processing of the concerned fuels by the method of traditional slow-bed pyrolysis was carried out by the method of synchronous thermogravimetric analysis and differential scanning calorimetry using an STA 449 F3 Jupiter instrument (Netzsch, Germany). Microwave pyrolysis was implemented on a specially designed experimental stand (magnetron power 750 W, carrier frequency 2,45 GHz). The pyrolysis gas composition (the content of components such as H2, CH4, CO, СО2) was recorded in real time using a Test-1 gas analyzer (Boner, Russia). Results. By the method of differential thermal analysis, it was established that the temperature of the end of thermal transformation for biomass (sawdust and peat) is 600-650 °C, for brown coal - 850 °C, for hard coal - 900 °C. Comparing the results of slow-bed and microwave pyrolysis, it was noted that during microwave pyrolysis of fuel, 9,5-11,7 % less solid carbon residue is formed, and the yield of volatile (liquid and gaseous products) increases. At the same time, the pyrolysis gas generated in the process of microwave pyrolysis almost does not contain ballast CO2 in its composition, which, together with the low yield of carbonaceous residue, indicates a higher efficiency of thermal fuel processing compared to slow-bed pyrolysis. It is noted that with an increase in the degree of fuel metamorphism in the process of microwave pyrolysis, the share of generated synthesis gas (Н2+СО) in relation to the amount of methane obtained decreases, which is associated with the composition of the initial processed raw material: change of (СО+Н2)/СН4 in the pyrolysis gas correlates with the change of (Н+О)/С in initial fuels.

Актуальность исследования. Решение экологических проблем в аграрном секторе возможно за счёт использования новых удобрений пролонгированного и контролируемого действия. В данной статье приводятся варианты использования монтмориллонита в качестве составного компонента современных азотных удобрений с контролируемыми свойствами и результаты изучения минеральных трансформаций в процессе механохимической активации при различных параметрах. Основная цель работы заключалась в оценке механизмов активации монтмориллонита как ингибитора азотсодержащих композитных продуктов для создания удобрений пролонгированного действия. Методы: механохимическая активация в планетарной и кольцевой мельницах, рентгенодифракционный анализ, сканирующая электронная микроскопия, инфракрасная спектроскопия, дифференциальный термический анализ. Выводы. Доля интеркалированной мочевины в монтмориллоните (для смесей M1N1) изменяется в пределах 22,3…23,2 % при активации в планетарной мельнице в течении 3, 8 или 11 минут. Максимальная степень интеркаляции 23,2 % была достигнута при активации в течении 3 минут. После 11-минутной операции около 40…50 % агрегированных глинистых частиц покрываются внешней оболочкой избыточной мочевины толщиной до 2,5 мкм. Доля интеркалированной мочевины в монтмориллоните изменяется с 23,2 до 21,6 % по мере увеличения времени активации с 30 до 120 минут в кольцевой мельнице. По мере увеличения времени активации образуются микрокристаллиты мочевины на поверхности минеральных частиц. Минеральные продукты, полученные методом активации в планетарной или кольцевой мельницах, могут использоваться как удобрения пролонгированного действия с несколькими полезными функциями. Композиты, синтезированные при 11-минутной или 120-минутной работе планетарной или кольцевой мельниц, соответственно, характеризуются двумя типами азота. Изначально удобрения будут высвобождать нутриенты с высокой скоростью из внешней пленки, состоящей из мочевины, после чего будет расходоваться обменный азот из межслоевого пространства монтмориллонита, тем самым обеспечивая пролонгированное питание растений. The relevance of the research. The solution of environmental problems in the agricultural sector is possible through the use of new slowreleased or controlled release fertilizers. This article presents options for using montmorillonite as a component of modern nitrogen fertilizers with controlled properties and the results of studying mineral transformations in the mechanochemical activation at various parameters. The main aim of the work was to evaluate activation mechanisms of the montmorillonite as an inhibitor of nitrogen composites for creating slow-release fertilizers. The methods: mechanochemical activation by planetary and ring mills, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, infrared spectroscopy, differential thermal analysis. Results. The proportion of intercalated urea in montmorillonite (for M1N1 mixtures) is slightly changed within 22,3...23,2 % for the planetary mill activation for 3, 8 or 11 minutes. The maximum intercalation degree of 23,2 % was achieved in the activation for 3 minutes. However, about 40...50 % of the aggregated particles are covered with an outer shell of excess urea up to 2,5 [mu]m in the thick after an 11minute operation for the planetary mill. The proportion of intercalated urea in montmorillonite is slightly changed from 23,2 to 21,6 % for the activation time increases from 30 to 120 minutes in a ring mill. While the activation time was increased, urea microcrystallites were formed on the surface of mineral particles. Mineral products synthesized by planetary or ring mill activation have the potential to be used as slowrelease fertilizers with several beneficial functions. Composites synthesized with 11-minute or 120-minute planetary or ring mills, respectively, are characterized by two types of nitrogen. Fertilizers will initially release nutrients at a high rate from the outer urea film. After that, exchangeable nitrogen will be released from the interlayer space of montmorillonite, thereby providing prolonged nutrition of the plants.

Актуальность исследования обусловлена тенденцией увеличения доли использования возобновляемых источников энергии в топливно-энергетическом балансе для снижения вредного воздействия на окружающую среду. Цель: определение кинетических параметров пиролиза биомассы методом Г. Фридмана на основе результатов дифференциального термического анализа. Объекты: солома, отходы зернопереработки (пшеничные отруби), скорлупа кедровых орехов, сосновые опилки, низинный торф Суховского месторождения, а также отходы жизнедеятельности крупнорогатого скота. Методы. Теплотехнические характеристики образцов биомассы определены согласно аттестованным методикам (ГОСТ 11305-2013, ГОСТ 11306-2013, ГОСТ Р 54186-2010, ГОСТ Р 56881-2016, ГОСТ 32990-2014); значения теплоты сгорания установлены при помощи калориметра АБК-1 (РЭТ, Россия) в соответствии с ГОСТ 147-2013 (ISO 1928-2009); элементный анализ её органической части проведен на приборе VarioMicroCube (Elementar, Германия); кинетические характеристики низкотемпературного пиролиза биомассы определены методом Г. Фридмана на основе дифференциального термического анализа, проведенного при температуре 313-1273 К при скорости нагрева 5, 15 и 30 K/мин. Результаты. Термическое разложение биомассы в интервале 313-1273 К происходит в две стадии: первая стадия протекает в интервале температур от 463-488 до 623-653 К и характеризуется резким снижением массы образцов от 24 (торф) до 63 % (опилки); вторая стадия наблюдается от 623-653 до 873 К со значительно меньшим изменением массы образцов (от 9 до 14 %). При дальнейшем увеличении температуры органическая часть образцов практически не претерпела преобразования, изменения произошли только в минеральной части торфа при температуре 923-1123 К и обусловлены разложением карбоната кальция. Определены зависимости энергии активации (Ea) от степени конверсии биомассы (w/w0), по которым рассчитаны её средние значения: для соломы (Eacp со) - 21,4 кДж моль-1; для опилок (Eacp оп) - 20,7 кДж моль-1; для скорлупы (Eacp ск) - 24,2 кДж моль-1; для отходов жизнедеятельности крупнорогатого скота (Eacp н ) - 23,1 кДж моль-1; для отрубей (Eacp от) - 33,1 кДж моль-1; для торфа (Eacp т ) - 24,0 кДж моль-1. Значения предэкспоненциального множителя (A) для исследуемых видов биомассы находятся в диапазоне 82,42-2377,01 час-1. The relevance of the study is caused by the tendency to increase the share of renewable energy in the fuel and energy balance to reduce the harmful effects on the environment. The main aim is to determine the kinetic parameters of biomass pyrolysis by G. Friedman's method based on the results of differential thermal analysis. Objects: straw, grain processing waste (wheat bran), cedar nutshell, pine sawdust, lowland peat of the Sukhovskoe field, as well as livestock waste from cattle. Methods. Thermotechnical characteristics of biomass samples are determined according to certified methods (GOST 11305-2013, GOST 11306-2013, GOST R 54186-2010, GOST R 56881-2016, GOST 32990-2014); values of the calorific value were determined using the ABK-1 calorimeter (RET, Russia) in accordance with GOST 147-2013 (ISO 1928-2009); elemental analysis of its organic part was carried out on a Vario Micro Cube (Elementar, Germany) device; the kinetic characteristics of low-temperature pyrolysis of biomass were determined by G. Friedman's method based on differential thermal analysis carried out at temperature of 313-1273 K at a heating rate of 5, 15 and 30 K/min. Results. Thermal decomposition of biomass in the range of 313-1273 K occurs in two stages: the first stage proceeds in the temperature range from 463-488 to 623-653 K and is characterized by a sharp decrease in the mass of samples from 24 (peat) to 63 % (sawdust); the second stage is observed from 623-653 to 873 K with a significantly smaller change in the mass of the samples (from 9 to 14 %). With a further increase in temperature, the organic part of the samples practically did not undergo transformation, changes occurred only in the mineral part of peat at a temperature of 923-1123 K and were associated with the decomposition of calcium carbonate. The dependences of activation energy (Ea) on the degree of biomass conversion (w/w0) were determined, according to which its average values were calculated: for straw(Eaср st) - 21,4 kJ mol-1; for sawdust(Eaср sv) - 20,7 kJ mol-1; for shell(Eaср sh) - 24,2 kJ mol-1; for livestock waste from cattle(Eaср LW) - 23,1 kJ mol-1; for bran(Eaср br) - 33,1 kJ mol-1; for peat (Eaср pe) - 24,0 kJ mol-1. The values of the pre-exponential factor (A) for the studied biomass species are in the range of 82,42-2377,01 h-1.