肥料

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背景

肥料は、植物の成長と収量を向上させるために土壌に添加される物質です。古代の農民によって最初に使用された肥料技術は、成長する植物の化学的ニーズが発見されるにつれて大幅に発展しました。現代の合成肥料は、主に窒素、リン、カリウムの化合物に二次栄養素が添加されたもので構成されています。合成肥料の使用は、環境保護論者によって長期的な使用が議論されていますが、今日利用できる食品の質と量を大幅に改善しました。

すべての生物と同様に、植物は細胞で構成されています。これらの細胞内では、成長と生殖に関与する多数の代謝化学反応が起こります。植物は動物のように食物を食べないので、これらの代謝反応の基本的な化学物質を提供するために土壌中の栄養素に依存しています。しかし、土壌中のこれらの成分の供給は限られており、植物が収穫されるにつれて、それは減少し、植物の品質と収量の低下を引き起こします。

肥料は、植物を育てることによって土壌から取り出される化学成分に取って代わります。しかし、それらは土壌の成長の可能性を改善するようにも設計されており、肥料は自然の土壌よりも良い成長環境を作り出すことができます。また、栽培されている作物の種類に合わせて調整することもできます。通常、肥料は窒素、リン、カリウムの化合物で構成されています。それらはまた植物の成長を改善する微量元素を含んでいます。

肥料の主成分は、植物の成長に欠かせない栄養素です。植物は、タンパク質、核酸、ホルモンの合成に窒素を使用します。植物が窒素不足の場合、それらは成長の低下と葉の黄変によって特徴づけられます。植物はまた、核酸、リン脂質、およびいくつかのタンパク質の成分であるリンを必要とします。また、代謝化学反応を促進するためのエネルギーを提供する必要があります。十分なリンがないと、植物の成長が低下します。カリウムは、植物が土壌から得るもう1つの主要な物質です。タンパク質合成やその他の重要な植物プロセスで使用されます。黄変、死んだ組織の斑点、および弱い茎と根はすべて、十分なカリウムが不足している植物を示しています。

カルシウム、マグネシウム、硫黄も植物の成長に重要な物質です。ただし、ほとんどの土壌にはこれらの成分が十分に含まれているため、肥料に​​は少量しか含まれていません。植物の成長には、他の材料が比較的少量必要です。これらの微量栄養素には、鉄、塩素、銅、マンガン、亜鉛、モリブデン、およびホウ素が含まれ、これらは主に酵素反応の補因子として機能します。それらは少量存在するかもしれませんが、これらの化合物は成長にとってそれほど重要ではなく、それらがないと植物は死ぬ可能性があります。

効果的な肥料に必要な必須栄養素を提供するために、多くの異なる物質が使用されています。これらの化合物は、天然に存在する供給源から採掘または分離することができます。例としては、硝酸ナトリウム、海藻、骨、グアノ、カリ、リン鉱石などがあります。化合物は、基本的な原材料から化学的に合成することもできます。これらには、アンモニア、尿素、硝酸、リン酸アンモニウムなどが含まれます。これらの化合物は多くの物理的状態で存在するため、肥料は固体、液体、またはスラリーとして販売できます。

歴史

土壌の成長能力を向上させるために物質を土壌に加えるプロセスは、農業の初期に開発されました。古代の農民は、土地の区画での最初の収穫量がその後の年の収穫量よりもはるかに優れていることを知っていました。これにより、彼らは新しい未開拓の地域に移動しました。これもまた、時間の経過とともに収穫量が減少するという同じパターンを示しました。やがて、土地の区画での植物の成長は、動物の糞尿を土壌全体に広げることによって改善できることが発見されました。

時間が経つにつれて、肥料技術はより洗練されてきました。植物の成長を改善する新しい物質が発見されました。エジプト人は、燃やされた雑草からの灰を土に加えたことが知られています。古代ギリシャとローマの書物は、成長した土壌や植物の種類に応じて、さまざまな動物の排泄物が使用されたことを示しています。この時までに、小麦を栽培する前にマメ科植物を区画で栽培することが有益であることが知られていました。追加される他の種類の材料には、貝殻、粘土、野菜廃棄物、さまざまな製造プロセスからの廃棄物、およびその他のさまざまなゴミが含まれます。

肥料技術に関する組織的な研究は、17世紀初頭に始まりました。フランシスベーコンやヨハングラウバーなどの初期の科学者は、土壌に硝酸カリウムを加えることの有益な効果について説明しています。グラウバーは、最初の完全なミネラル肥料を開発しました。これは、硝酸カリウム、石灰、リン酸、窒素、およびカリの混合物でした。科学的な化学理論が発展するにつれて、植物の化学的ニーズが発見され、それが肥料組成の改善につながりました。有機化学者のユストゥス・フォン・リービッヒは、植物が成長するためには窒素やリンなどのミネラル要素が必要であることを示しました。化学肥料業界は、サー・ジョン・ローズに発行された、効果的な肥料であるリン酸塩の製造方法を概説した特許から始まったと言えます。合成肥料産業は、第一次世界大戦後、爆発物用のアンモニアと合成硝酸塩を生産していた施設が窒素ベースの肥料の生産に転換されたときに、大きな成長を遂げました。

原材料

ここで概説する肥料は、一次肥料と二次栄養素で構成される複合肥料です。これらは1種類の肥料のみを表しており、他の単一栄養素の種類も作られています。固形の原材料は、数千トンのバルク量、ドラム量、または金属製のドラム缶やバッグ容器で肥料メーカーに供給することができます。

一次肥料には、窒素、リン、カリウムに由来する物質が含まれます。これらの化合物の製造には、さまざまな原材料が使用されています。肥料の窒素源としてアンモニアを使用する場合、合成生産の1つの方法では、天然ガスと空気を使用する必要があります。リン成分は、硫黄、石炭、リン鉱石を使用して作られています。カリウム源は、カリの主成分である塩化カリウムに由来します。

二次栄養素は、それらをより効果的にするのを助けるためにいくつかの肥料に加えられます。カルシウムは、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、炭酸カルシウムマグネシウムを含む石灰石から得られます。肥料中のマグネシウム源はドロマイトに由来します。硫黄は、採掘されて肥料に加えられるもう1つの材料です。他の採掘された材料には、硫酸第一鉄からの鉄、銅、および酸化モリブデンからのモリブデンが含まれます。

製造
プロセス

完全に統合された工場は、複合肥料を生産するように設計されています。最終製品の実際の組成に応じて、製造プロセスはメーカーごとに異なります。

窒素肥料成分

• 1アンモニアは、安価な原材料から合成できる窒素肥料成分の1つです。窒素は地球の大気のかなりの部分を占めるため、空気からアンモニアを生成するプロセスが開発されました。このプロセスでは、 天然ガスと蒸気が大型船に汲み上げられます。次に、空気がシステムに送り込まれ、天然ガスと蒸気の燃焼によって酸素が除去されます。これにより、主に窒素、水素、二酸化炭素が残ります。システムに電流を導入することにより、二酸化炭素が除去され、アンモニアが生成されます。マグネタイトなどの触媒（Fe ₃ O ₄ ）アンモニア合成の速度と効率を改善するために使用されています。不純物はアンモニアから除去され、さらに処理されるまでタンクに保管されます。
• 2アンモニア自体が肥料として使用されることもありますが、取り扱いを容易にするために他の物質に変換されることがよくあります。硝酸は、最初にタンク内でアンモニアと空気を混合することによって生成されます。触媒の存在下で、アンモニアを一酸化窒素に変換する反応が起こります。一酸化窒素は、水の存在下でさらに反応して硝酸を生成します。

• 3硝酸アンモニウムとアンモニアは、硝酸アンモニウムの製造に使用されます。この材料は、窒素濃度が高いため、優れた肥料成分です。 2つの材料がタンク内で混合され、中和反応が発生して硝酸アンモニウムが生成されます。この材料は、造粒して他の肥料成分とブレンドする準備ができるまで保管できます。

  

リン肥料成分

• 4リン鉱石からリンを分離するために、硫酸で処理してリン酸を生成します。この材料の一部は、硫酸および硝酸とさらに反応して、固体形態のリンの優れた供給源である重過リン酸石灰を生成します。
• 5リン酸の一部は、別のタンクでアンモニアとも反応します。この反応により、別の優れた一次肥料であるリン酸アンモニウムが生成されます。

カリウム肥料成分

• 6塩化カリウムは通常、肥料メーカーに大量に供給されます。製造業者はそれを造粒することによってそれをより使いやすい形に変換します。これにより、次のステップで他の肥料成分と簡単に混合できます。

造粒とブレンド

• 7最も使いやすい形で肥料を製造するために、硝酸アンモニウム、塩化カリウム、リン酸アンモニウム、および重過リン酸石灰の各化合物を造粒してブレンドします。造粒の１つの方法は、傾斜した軸を有する回転ドラムに固体材料を入れることを含む。ドラムが回転すると、固形肥料の破片は小さな球形になります。それらは、適切なサイズの粒子を分離するスクリーンを通過します。次に、不活性ダストのコーティングが粒子に適用され、各粒子が離散的に保たれ、水分の保持が抑制されます。最後に、粒子が乾燥され、造粒プロセスが完了します。
• 8さまざまな種類の粒子を適切な比率でブレンドして、複合肥料を製造します。混合は、可能な限り最高の混合物を生成するために特定の回転数を回転させる大きな混合ドラムで行われます。混合後、肥料はコンベヤーベルト上で空になり、コンベヤーベルトが袋詰め機に運びます。

バギング

• 9肥料は通常、大きな袋で農家に供給されます。これらのバッグを満たすために、肥料は最初に大きなホッパーに送られます。適切な量​​がホッパーからバッグに放出され、クランプ装置によって開いたままになります。バッグは振動面にあるため、より良いパッキングが可能です。充填が完了すると、バッグは直立して機械に運ばれ、密閉されます。次に、バッグはパレタイザーに運ばれ、パレタイザーは複数のバッグを積み重ねて、流通業者、そして最終的には農家に出荷できるようにします。

品質管理

生産される肥料の品質を確保するために、メーカーは生産の各段階で製品を監視しています。原材料と完成品はすべて、以前に開発された仕様を満たしていることを示すために、一連の物理的および化学的テストを受けています。テストされる特性には、pH、外観、密度、融点などがあります。肥料の生産は政府によって規制されているため、サンプルに対して組成分析テストを実行して、全窒素含有量、リン酸塩含有量、および化学組成に影響を与えるその他の元素を決定します。肥料組成の特定の性質に応じて、他のさまざまなテストも実行されます。

副産物/廃棄物

土壌に施用された肥料に含まれる比較的少量の窒素は、実際には植物に吸収されます。多くは周囲の水域に洗い流されるか、地下水にろ過されます。これにより、一般の人々が消費する水にかなりの量の硝酸塩が追加されました。いくつかの医学的研究は、泌尿器系および腎臓系の特定の障害は、飲料水中の過剰な硝酸塩の結果であると示唆しています。また、これは乳児にとって特に有害であり、発がん性の可能性さえあると考えられています。

肥料に含まれる硝酸塩は、それ自体が有害であるとは考えられていません。ただし、土壌中の特定のバクテリアは硝酸塩を亜硝酸イオンに変換します。研究によると、亜硝酸イオンを摂取すると、血流に入る可能性があります。そこでは、酸素の貯蔵に関与するタンパク質であるヘモグロビンと結合します。亜硝酸イオンがヘモグロビンと結合すると、酸素を貯蔵する能力が失われ、深刻な健康問題を引き起こします。

ニトロソアミンは、肥料中の硝酸塩のもう1つの潜在的な副産物です。それらは硝酸塩の自然な化学反応の結果です。ニトロソアミンは実験動物に腫瘍を引き起こすことが示されており、人間にも同じことが起こるのではないかという恐れを与えています。しかし、肥料の使用とヒトの腫瘍との関連を示す研究はありません。

未来

肥料の研究は現在、肥料の使用による有害な環境への影響を減らし、新しい、より安価な肥料の供給源を見つけることに焦点を当てています。肥料をより環境にやさしいものにするために研究されているそのようなものは、改良された施用方法であり、流出の影響を受けにくい形で肥料を供給し、より濃縮された混合物を作る。新しい肥料の供給源も調査されています。下水汚泥には、良質の肥料に必要な栄養素が多く含まれていることがわかっています。残念ながら、鉛、カドミウム、水銀など、植物に有害な濃度の特定の物質も含まれています。不要な要素を取り除き、この材料を実行可能な肥料にするための努力が進行中です。開発中のもう1つの供給源は肥料です。最初の肥料は肥料でしたが、取り扱いが高すぎることが判明したため、大規模には利用されていません。技術が進歩し、コストが削減されると、この材料は実行可能な新しい肥料になります。