Dünger

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Hintergrund

Dünger ist eine Substanz, die dem Boden zugesetzt wird, um das Wachstum und den Ertrag der Pflanzen zu verbessern. Die Düngemitteltechnologie, die zuerst von alten Bauern verwendet wurde, entwickelte sich erheblich, als der chemische Bedarf wachsender Pflanzen entdeckt wurde. Moderne synthetische Düngemittel bestehen hauptsächlich aus Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumverbindungen, denen Sekundärnährstoffe zugesetzt werden. Die Verwendung synthetischer Düngemittel hat die Qualität und Quantität der heute verfügbaren Lebensmittel erheblich verbessert, obwohl ihre langfristige Verwendung von Umweltschützern diskutiert wird.

Wie alle lebenden Organismen bestehen Pflanzen aus Zellen. Innerhalb dieser Zellen laufen zahlreiche chemische Stoffwechselreaktionen ab, die für Wachstum und Fortpflanzung verantwortlich sind. Da Pflanzen keine Nahrung wie Tiere fressen, sind sie auf Nährstoffe im Boden angewiesen, um die Grundchemikalien für diese Stoffwechselreaktionen bereitzustellen. Der Vorrat an diesen Bestandteilen im Boden ist jedoch begrenzt und schwindet mit der Ernte der Pflanzen, was zu einer Minderung der Qualität und des Ertrags der Pflanzen führt.

Düngemittel ersetzen die chemischen Bestandteile, die dem Boden durch wachsende Pflanzen entzogen werden. Sie sind jedoch auch darauf ausgelegt, das Wachstumspotenzial des Bodens zu verbessern, und Düngemittel können eine bessere Wachstumsumgebung schaffen als natürliche Böden. Sie können auch an die Art der angebauten Pflanzen angepasst werden. Typischerweise bestehen Düngemittel aus Stickstoff-, Phosphor- und Kaliumverbindungen. Sie enthalten auch Spurenelemente, die das Pflanzenwachstum verbessern.

Die Hauptbestandteile von Düngemitteln sind Nährstoffe, die für das Pflanzenwachstum lebenswichtig sind. Pflanzen verwenden Stickstoff bei der Synthese von Proteinen, Nukleinsäuren und Hormonen. Pflanzen mit Stickstoffmangel sind durch vermindertes Wachstum und Gelbfärbung der Blätter gekennzeichnet. Pflanzen benötigen auch Phosphor, einen Bestandteil von Nukleinsäuren, Phospholipiden und mehreren Proteinen. Es ist auch notwendig, die Energie bereitzustellen, um metabolische chemische Reaktionen anzutreiben. Ohne genügend Phosphor wird das Pflanzenwachstum reduziert. Kalium ist eine weitere wichtige Substanz, die Pflanzen aus dem Boden gewinnen. Es wird bei der Proteinsynthese und anderen wichtigen Pflanzenprozessen verwendet. Vergilbung, Flecken von abgestorbenem Gewebe und schwache Stängel und Wurzeln weisen auf Pflanzen hin, denen genügend Kalium fehlt.

Calcium, Magnesium und Schwefel sind ebenfalls wichtige Stoffe für das Pflanzenwachstum. Sie sind jedoch nur in geringen Mengen in Düngemitteln enthalten, da die meisten Böden von Natur aus genügend dieser Bestandteile enthalten. Andere Materialien werden in relativ geringen Mengen für das Pflanzenwachstum benötigt. Zu diesen Mikronährstoffen zählen Eisen, Chlor, Kupfer, Mangan, Zink, Molybdän und Bor, die in erster Linie als Cofaktoren bei enzymatischen Reaktionen fungieren. Obwohl sie in geringen Mengen vorhanden sein können, sind diese Verbindungen für das Wachstum nicht weniger wichtig, und ohne sie können Pflanzen sterben.

Viele verschiedene Substanzen werden verwendet, um die für einen wirksamen Dünger notwendigen Nährstoffe bereitzustellen. Diese Verbindungen können abgebaut oder aus natürlich vorkommenden Quellen isoliert werden. Beispiele sind Natriumnitrat, Algen, Knochen, Guano, Kali und Phosphatgestein. Verbindungen können auch chemisch aus basischen Rohstoffen synthetisiert werden. Dazu gehören Dinge wie Ammoniak, Harnstoff, Salpetersäure und Ammoniumphosphat. Da diese Verbindungen in einer Reihe von physikalischen Zuständen vorliegen, können Düngemittel als Feststoffe, Flüssigkeiten oder Schlämme verkauft werden.

Verlauf

Das Verfahren, dem Boden Stoffe zuzusetzen, um seine Wachstumsfähigkeit zu verbessern, wurde in den frühen Tagen der Landwirtschaft entwickelt. Die alten Bauern wussten, dass die ersten Erträge auf einem Grundstück viel besser waren als die der folgenden Jahre. Dies führte dazu, dass sie in neue, nicht bewirtschaftete Gebiete umzogen, die im Laufe der Zeit wieder das gleiche Muster der reduzierten Erträge zeigten. Schließlich wurde entdeckt, dass das Pflanzenwachstum auf einem Grundstück verbessert werden konnte, indem man tierischen Dünger im Boden ausbreitete.

Im Laufe der Zeit wurde die Düngemitteltechnologie verfeinert. Es wurden neue Substanzen entdeckt, die das Pflanzenwachstum verbesserten. Es ist bekannt, dass die Ägypter Asche von verbranntem Unkraut in den Boden eingebracht haben. Altgriechische und römische Schriften weisen darauf hin, dass je nach Art des Bodens oder der angebauten Pflanzen verschiedene tierische Exkremente verwendet wurden. Zu dieser Zeit war auch bekannt, dass der Anbau von Hülsenfrüchten auf Parzellen vor dem Anbau von Weizen von Vorteil war. Andere Arten von hinzugefügten Materialien sind Muscheln, Ton, Pflanzenabfälle, Abfälle aus verschiedenen Herstellungsprozessen und anderer sortierter Müll.

Anfang des 17. Jahrhunderts begann die organisierte Forschung auf dem Gebiet der Düngemitteltechnologie. Frühe Wissenschaftler wie Francis Bacon und Johann Glauber beschreiben die wohltuende Wirkung der Zugabe von Salpeter zum Boden. Glauber entwickelte den ersten mineralischen Volldünger, eine Mischung aus Salpeter, Kalk, Phosphorsäure, Stickstoff und Kali. Als sich wissenschaftliche chemische Theorien entwickelten, wurden die chemischen Bedürfnisse von Pflanzen entdeckt, was zu verbesserten Düngemittelzusammensetzungen führte. Der Biochemiker Justus von Liebig zeigte, dass Pflanzen zum Wachsen mineralische Elemente wie Stickstoff und Phosphor benötigen. Man könnte sagen, dass die chemische Düngemittelindustrie ihre Anfänge mit einem Patent an Sir John Lawes hatte, das ein Verfahren zur Herstellung einer Phosphatform skizzierte, die ein wirksamer Dünger war. Die Kunstdüngerindustrie erlebte nach dem Ersten Weltkrieg ein starkes Wachstum, als Anlagen, die Ammoniak und synthetische Nitrate für Sprengstoffe produzierten, auf die Produktion von Stickstoffdüngemitteln umgestellt wurden.

Rohstoffe

Die hier skizzierten Düngemittel sind Mehrnährstoffdünger, die sich aus Primärdüngern und Sekundärnährstoffen zusammensetzen. Diese stellen nur eine Art von Dünger dar, und es werden auch andere Einzelnährstoffarten hergestellt. Die Rohstoffe können in fester Form in Schüttgutmengen von mehreren Tausend Tonnen, Fassmengen oder in Metallfässern und Sackbehältern an Düngemittelhersteller geliefert werden.

Primärdünger umfassen Substanzen, die aus Stickstoff, Phosphor und Kalium gewonnen werden. Zur Herstellung dieser Verbindungen werden verschiedene Rohstoffe verwendet. Wenn Ammoniak als Stickstoffquelle in einem Düngemittel verwendet wird, erfordert eine Methode der synthetischen Herstellung die Verwendung von Erdgas und Luft. Die Phosphorkomponente wird aus Schwefel, Kohle und Phosphatgestein hergestellt. Die Kaliumquelle stammt aus Kaliumchlorid, einem Hauptbestandteil von Kali.

Einigen Düngemitteln werden Sekundärnährstoffe zugesetzt, um sie wirksamer zu machen. Calcium wird aus Kalkstein gewonnen, der Calciumcarbonat, Calciumsulfat und Calciummagnesiumcarbonat enthält. Die Magnesiumquelle in Düngemitteln wird aus Dolomit gewonnen. Schwefel ist ein weiteres Material, das abgebaut und zu Düngemitteln hinzugefügt wird. Andere abgebaute Materialien umfassen Eisen aus Eisensulfat, Kupfer und Molybdän aus Molybdänoxid.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Für die Herstellung von Mehrnährstoffdüngern wurden vollintegrierte Fabriken konzipiert. Abhängig von der tatsächlichen Zusammensetzung des Endprodukts unterscheidet sich der Herstellungsprozess von Hersteller zu Hersteller.

Stickstoffdüngerkomponente

• 1 Ammoniak ist ein Stickstoffdüngerbestandteil, der aus kostengünstigen Rohstoffen synthetisiert werden kann. Da Stickstoff einen erheblichen Anteil der Erdatmosphäre ausmacht, wurde ein Verfahren entwickelt, um Ammoniak aus Luft herzustellen. In diesem Prozess, Erdgas und Dampf werden in einen großen Behälter gepumpt. Als nächstes wird Luft in das System gepumpt und Sauerstoff durch die Verbrennung von Erdgas und Dampf entfernt. Zurück bleiben hauptsächlich Stickstoff, Wasserstoff und Kohlendioxid. Das Kohlendioxid wird entfernt und Ammoniak wird durch Einleiten von elektrischem Strom in das System erzeugt. Katalysatoren wie Magnetit (Fe ₃ O ₄ ) wurden verwendet, um die Geschwindigkeit und Effizienz der Ammoniaksynthese zu verbessern. Das Ammoniak wird von eventuellen Verunreinigungen befreit und bis zur Weiterverarbeitung in Tanks gelagert.
• 2 Obwohl Ammoniak selbst manchmal als Düngemittel verwendet wird, wird es zur einfacheren Handhabung oft in andere Substanzen umgewandelt. Salpetersäure wird hergestellt, indem zunächst Ammoniak und Luft in einem Tank gemischt werden. In Gegenwart eines Katalysators findet eine Reaktion statt, die den Ammoniak in Stickoxid umwandelt. Das Stickoxid wird in Gegenwart von Wasser weiter umgesetzt, um Salpetersäure zu erzeugen.

• 3 Salpetersäure und Ammoniak werden zur Herstellung von Ammoniumnitrat verwendet. Dieses Material ist ein guter Düngerbestandteil, da es eine hohe Stickstoffkonzentration aufweist. Die beiden Materialien werden in einem Tank zusammengemischt und es findet eine Neutralisationsreaktion statt, bei der Ammoniumnitrat entsteht. Dieses Material kann dann gelagert werden, bis es granuliert und mit den anderen Düngemittelkomponenten vermischt werden kann.

  

Phosphorhaltiger Düngerbestandteil

• 4 Um Phosphor aus Phosphatgestein zu isolieren, wird es mit Schwefelsäure behandelt, wodurch Phosphorsäure entsteht. Ein Teil dieses Materials wird mit Schwefelsäure und Salpetersäure weiter umgesetzt, um ein Dreifachsuperphosphat herzustellen, eine ausgezeichnete Phosphorquelle in fester Form.
• 5 Ein Teil der Phosphorsäure wird auch in einem separaten Tank mit Ammoniak umgesetzt. Bei dieser Reaktion entsteht Ammoniumphosphat, ein weiterer guter Primärdünger.

Kaliumdüngerkomponente

• 6 Kaliumchlorid wird normalerweise in großen Mengen an Düngemittelhersteller geliefert. Der Hersteller überführt es durch Granulieren in eine brauchbarere Form. Dies erleichtert die Vermischung mit anderen Düngerkomponenten im nächsten Schritt.

Granulieren und Mischen

• 7 Um Düngemittel in der bestmöglichen Form herzustellen, werden die verschiedenen Verbindungen Ammoniumnitrat, Kaliumchlorid, Ammoniumphosphat und Triple-Superphosphat granuliert und miteinander vermischt. Ein Granulierungsverfahren beinhaltet das Einbringen der festen Materialien in eine rotierende Trommel mit einer geneigten Achse. Während sich die Trommel dreht, nehmen die Stücke des festen Düngers kleine Kugelformen an. Sie werden durch ein Sieb geleitet, das ausreichend große Partikel abscheidet. Dann wird eine Schicht aus inertem Staub auf die Partikel aufgetragen, die jedes einzelne diskret halten und die Feuchtigkeitsspeicherung verhindern. Schließlich werden die Partikel getrocknet, womit der Granulierungsprozess abgeschlossen ist.
• 8 Die verschiedenen Arten von Partikeln werden in geeigneten Anteilen miteinander vermischt, um einen Mischdünger herzustellen. Das Mischen erfolgt in einer großen Mischtrommel, die sich eine bestimmte Anzahl von Umdrehungen dreht, um die bestmögliche Mischung zu erzielen. Nach dem Mischen wird der Dünger auf ein Förderband entleert, das ihn zur Absackmaschine transportiert.

Einpacken

• 9 Düngemittel werden den Landwirten normalerweise in großen Säcken geliefert. Zum Befüllen dieser Säcke wird der Dünger zunächst in einen großen Trichter gefördert. Eine entsprechende Menge wird aus dem Trichter in einen Beutel abgegeben, der von einer Klemmvorrichtung offen gehalten wird. Die Tasche liegt auf einer vibrierenden Oberfläche, was ein besseres Packen ermöglicht. Nach der Befüllung wird der Beutel aufrecht zu einer Maschine transportiert, die ihn verschließt. Der Sack wird dann zu einem Palettierer transportiert, der mehrere Säcke stapelt und sie für den Versand an Händler und schließlich an Landwirte vorbereitet.

Qualitätskontrolle

Um die Qualität des produzierten Düngemittels sicherzustellen, überwachen die Hersteller das Produkt in jeder Produktionsphase. Sowohl die Rohstoffe als auch die fertigen Produkte werden einer Reihe von physikalischen und chemischen Tests unterzogen, um zu zeigen, dass sie die zuvor entwickelten Spezifikationen erfüllen. Einige der getesteten Eigenschaften umfassen pH, Aussehen, Dichte und Schmelzpunkt. Da die Düngemittelproduktion staatlich reguliert ist, werden Zusammensetzungsanalysetests an Proben durchgeführt, um den Gesamtstickstoffgehalt, den Phosphatgehalt und andere Elemente zu bestimmen, die die chemische Zusammensetzung beeinflussen. Abhängig von der spezifischen Beschaffenheit der Düngemittelzusammensetzung werden auch verschiedene andere Tests durchgeführt.

Nebenprodukte/Abfälle

Eine relativ kleine Menge des Stickstoffs, der in Düngemitteln enthalten ist, die auf den Boden ausgebracht werden, wird tatsächlich von den Pflanzen aufgenommen. Vieles wird in umliegende Gewässer gespült oder ins Grundwasser gefiltert. Dies hat dem Wasser, das von der Öffentlichkeit konsumiert wird, erhebliche Mengen an Nitrat hinzugefügt. Einige medizinische Studien haben gezeigt, dass bestimmte Erkrankungen des Harn- und Nierensystems auf übermäßige Nitrate im Trinkwasser zurückzuführen sind. Es wird auch angenommen, dass dies für Babys besonders schädlich ist und sogar potenziell krebserregend sein könnte.

Die in Düngemitteln enthaltenen Nitrate gelten an sich nicht als schädlich. Bestimmte Bakterien im Boden wandeln jedoch Nitrate in Nitrit-Ionen um. Untersuchungen haben gezeigt, dass Nitrit-Ionen bei der Einnahme in den Blutkreislauf gelangen können. Dort verbinden sie sich mit Hämoglobin, einem Protein, das für die Speicherung von Sauerstoff verantwortlich ist. Wenn sich ein Nitrit-Ion an Hämoglobin bindet, verliert es seine Fähigkeit, Sauerstoff zu speichern, was zu ernsthaften Gesundheitsproblemen führt.

Nitrosamine sind ein weiteres potenzielles Nebenprodukt der Nitrate in Düngemitteln. Sie sind das Ergebnis einer natürlichen chemischen Reaktion von Nitraten. Es wurde gezeigt, dass Nitrosamine bei Versuchstieren Tumore verursachen und die Angst nähren, dass dasselbe beim Menschen passieren könnte. Es gibt jedoch keine Studie, die einen Zusammenhang zwischen Düngemitteleinsatz und menschlichen Tumoren aufzeigt.

Die Zukunft

Die Düngemittelforschung konzentriert sich derzeit darauf, die schädlichen Umweltauswirkungen des Düngemitteleinsatzes zu reduzieren und neue, kostengünstigere Düngemittelquellen zu finden. Um Düngemittel umweltfreundlicher zu machen, werden beispielsweise verbesserte Ausbringungsmethoden, die Bereitstellung von Düngemitteln in einer weniger abflussanfälligen Form und die Herstellung konzentrierterer Mischungen untersucht. Auch neue Düngemittelquellen werden untersucht. Es hat sich gezeigt, dass Klärschlamm viele der Nährstoffe enthält, die für einen guten Dünger benötigt werden. Leider enthält es auch bestimmte Stoffe wie Blei, Cadmium und Quecksilber in pflanzenschädigenden Konzentrationen. Es werden Anstrengungen unternommen, um die unerwünschten Elemente zu entfernen, um dieses Material zu einem brauchbaren Dünger zu machen. Eine weitere Quelle, die entwickelt wird, sind Düngemittel. Die ersten Düngemittel waren Düngemittel, die jedoch nicht in großem Maßstab verwendet werden, da sich ihre Handhabung als zu teuer erwiesen hat. Wenn sich die Technologie verbessert und die Kosten gesenkt werden, wird dieses Material ein brauchbarer neuer Dünger.