肥料

背景

肥料是一种添加到土壤中以改善植物生长和产量的物质。古代农民首先使用肥料技术，随着植物生长的化学需求的发现，肥料技术得到了显着发展。现代合成肥料主要由氮、磷和钾化合物组成，并添加了次要营养素。合成肥料的使用显着改善了当今可用食物的质量和数量，尽管环保主义者对其长期使用存在争议。

像所有生物一样，植物是由细胞组成的。在这些细胞内发生许多负责生长和繁殖的代谢化学反应。由于植物不像动物那样吃食物，它们依赖土壤中的营养物质为这些代谢反应提供基本的化学物质。然而，土壤中这些成分的供应是有限的，随着植物的收获，它会减少，导致植物的质量和产量下降。

肥料取代了种植植物时从土壤中提取的化学成分。然而，它们也旨在提高土壤的生长潜力，肥料可以创造比天然土壤更好的生长环境。它们也可以根据正在种植的作物类型进行定制。通常，肥料由氮、磷和钾化合物组成。它们还含有促进植物生长的微量元素。

肥料的主要成分是对植物生长至关重要的营养素。植物在蛋白质、核酸和激素的合成中使用氮。当植物缺氮时，它们的特征是生长减慢和叶子变黄。植物还需要磷，它是核酸、磷脂和几种蛋白质的组成部分。还需要提供能量来驱动代谢化学反应。没有足够的磷，植物生长就会减少。钾是植物从土壤中获取的另一种主要物质。它用于蛋白质合成和其他关键的植物过程。变黄、死组织斑点以及弱茎和根都表明植物缺乏足够的钾。

钙、镁和硫也是植物生长的重要物质。然而，它们仅少量包含在肥料中，因为大多数土壤天然含有足够的这些成分。植物生长需要相对少量的其他材料。这些微量营养素包括铁、氯、铜、锰、锌、钼和硼，它们主要在酶促反应中起辅助因子的作用。虽然它们可能少量存在，但这些化合物对生长同样重要，没有它们植物可能会死亡。

许多不同的物质用于提供有效肥料所需的必需营养素。这些化合物可以从天然来源中开采或分离。例子包括硝酸钠、海藻、骨头、鸟粪、钾肥和磷矿。化合物也可以由基本原料化学合成。这些将包括氨、尿素、硝酸和磷酸铵等物质。由于这些化合物以多种物理状态存在，因此肥料可以以固体、液体或浆液的形式出售。

历史

在农业的早期发展了向土壤中添加物质以提高其生长能力的过程。古代农民知道，一块土地上的第一批产量比随后几年的产量要好得多。这导致他们迁移到新的未开垦的地区，随着时间的推移再次显示出同样的减产模式。最终发现可以通过在整个土壤中撒播动物粪便来改善一块土地上的植物生长。

随着时间的推移，肥料技术变得更加精细。发现了促进植物生长的新物质。众所周知，埃及人将燃烧的杂草的灰烬添加到土壤中。古希腊和罗马的著作表明，根据土壤或植物的类型，使用了各种动物排泄物。那时人们还知道，在种植小麦之前在地块上种植豆科植物是有益的。添加的其他类型的材料包括贝壳、粘土、植物废料、来自不同制造过程的废料以及其他各种垃圾。

对肥料技术的有组织的研究始于 17 世纪初。弗朗西斯·培根 (Francis Bacon) 和约翰·格劳伯 (Johann Glauber) 等早期科学家描述了向土壤中添加硝石的有益效果。 Glauber 开发了第一个完整的矿物肥料，它是硝石、石灰、磷酸、氮和钾的混合物。随着科学化学理论的发展，发现了植物对化学物质的需求，从而改进了肥料成分。有机化学家 Justus von Liebig 证明，植物需要氮和磷等矿物质元素才能生长。化肥行业可以说是从授予约翰·劳斯爵士的专利开始的，该专利概述了一种生产磷酸盐的方法，这种磷酸盐是一种有效的肥料。第一次世界大战后，合成肥料行业经历了显着增长，当时生产氨和合成硝酸盐的设施转变为生产氮基肥料。

原材料

这里介绍的肥料是由一次肥料和二次养分组成的复合肥料。这些只代表一种肥料，也有其他单一的营养成分。原料可以以固体形式供应给化肥制造商，批量达数千吨、桶装或金属桶和袋装容器。

初级肥料包括源自氮、磷和钾的物质。各种原材料用于生产这些化合物。当氨用作肥料中的氮源时，一种合成生产方法需要使用天然气和空气。磷成分是用硫、煤和磷矿石制成的。钾源来自氯化钾，钾的主要成分。

一些肥料中会添加次要营养素，以帮助它们更有效。钙是从石灰石中提取的，石灰石含有碳酸钙、硫酸钙和碳酸钙镁。肥料中的镁源来自白云石。硫是另一种可以开采并添加到肥料中的材料。其他开采的材料包括来自硫酸亚铁的铁、铜和来自氧化钼的钼。

制造
过程

完全集成的工厂旨在生产复合肥料。根据最终产品的实际组成，生产过程会因制造商而异。

氮肥成分

• 1 氨是一种氮肥成分，可以用廉价的原料合成。由于氮构成了地球大气的重要组成部分，因此开发了一种从空气中生产氨的工艺。在这个过程中， 天然气和蒸汽被泵入大型容器中。接下来，空气被泵入系统，通过天然气和蒸汽的燃烧去除氧气。这主要留下氮、氢和二氧化碳。通过将电流引入系统，去除二氧化碳并产生氨。磁铁矿 (Fe 3 O 4 ) 等催化剂已被用于提高合成氨的速度和效率。从氨中去除任何杂质，并将其储存在罐中，直到进一步加工。
• 2 虽然氨本身有时用作肥料，但为了便于处理，它通常会转化为其他物质。硝酸是通过首先在罐中混合氨和空气来生产的。在催化剂存在下，发生将氨转化为一氧化氮的反应。一氧化氮在水的存在下进一步反应生成硝酸。

• 3 硝酸和氨用于制造硝酸铵。这种材料是一种很好的肥料成分，因为它含有高浓度的氮。这两种材料在一个罐中混合在一起，发生中和反应，产生硝酸铵。然后可以储存这种材料，直到它准备好造粒并与其他肥料成分混合。

  

磷肥成分

• 4 为了从磷矿石中分离磷，用硫酸处理，产生磷酸。其中一些材料与硫酸和硝酸进一步反应，生成三重过磷酸钙，这是一种极好的固体形式磷源。
• 5 一些磷酸也在单独的罐中与氨反应。该反应产生磷酸铵，这是另一种很好的初级肥料。

钾肥成分

• 6 氯化钾通常批量供应给化肥制造商。制造商通过造粒将其转化为更有用的形式。这使得在下一步中更容易与其他肥料成分混合。

造粒和混合

• 7 为了以最有用的形式生产肥料，将硝酸铵、氯化钾、磷酸铵和三重过磷酸钙等各种不同的化合物制粒并混合在一起。一种造粒方法包括将固体材料放入具有倾斜轴的转鼓中。随着滚筒的旋转，固体肥料的碎片呈小球形。它们通过一个筛网，分离出足够大的颗粒。然后在颗粒上涂上一层惰性粉尘，使每个颗粒保持分离并抑制水分滞留。最后，将颗粒干燥，完成造粒过程。
• 8 将不同类型的颗粒以适当的比例混合在一起，制成复合肥料。混合是在一个大型混合滚筒中完成的，该滚筒旋转特定的圈数以产生可能的最佳混合物。混合后，肥料被清空到传送带上，传送带将其运送到装袋机。

装袋

• 9 肥料通常以大袋的形式提供给农民。为了填充这些袋子，肥料首先被输送到一个大漏斗中。适量从料斗中释放到由夹紧装置保持打开状态的袋子中。袋子位于振动表面上，可以更好地包装。填充完成后，袋子被直立运送到机器上，将其密封。然后将袋子传送到堆垛机，堆垛机堆放多个袋子，准备将它们运送到分销商并最终运送到农民。

质量控制

为确保生产的肥料质量，制造商在生产的每个阶段都对产品进行监控。原材料和成品都经过一系列的物理和化学测试，以证明它们符合先前制定的规格。测试的一些特性包括 pH 值、外观、密度和熔点。由于肥料生产受政府监管，因此对样品进行成分分析测试以确定总氮含量、磷酸盐含量和其他影响化学成分的元素。还进行了各种其他测试，这取决于肥料组合物的具体性质。

副产品/废物

施入土壤的肥料中所含的少量氮实际上被植物同化了。大部分被冲入周围的水体或过滤到地下水中。这给公众消耗的水中添加了大量的硝酸盐。一些医学研究表明，某些泌尿系统和肾脏系统疾病是饮用水中硝酸盐过多的结果。人们还认为这对婴儿特别有害，甚至可能致癌。

肥料中所含的硝酸盐本身不被认为是有害的。然而，土壤中的某些细菌会将硝酸盐转化为亚硝酸根离子。研究表明，当亚硝酸根离子被摄入时，它们会进入血液。在那里，它们与血红蛋白结合，血红蛋白是一种负责储存氧气的蛋白质。当亚硝酸根离子与血红蛋白结合时，它会失去储存氧气的能力，从而导致严重的健康问题。

亚硝胺是肥料中硝酸盐的另一种潜在副产品。它们是硝酸盐自然化学反应的结果。亚硝胺已被证明会导致实验室动物的肿瘤，加剧了人类可能发生同样情况的恐惧。然而，没有研究表明肥料使用与人类肿瘤之间存在联系。

未来

肥料研究目前的重点是减少肥料使用对环境的有害影响，并寻找新的、更便宜的肥料来源。正在研究使肥料更环保的此类事情是改进施用方法，以不易受径流影响的形式供应肥料，以及制造更浓缩的混合物。新的肥料来源也在调查之中。已经发现下水道污泥含有许多肥料所需的养分。不幸的是，它还含有某些浓度对植物有害的物质，例如铅、镉和汞。正在努力去除不需要的元素，使这种材料成为可行的肥料。正在开发的另一个来源是粪便。最初的肥料是粪肥，然而，它们没有被大规模使用，因为它们的处理已被证明太昂贵了。当技术改进和成本降低时，这种材料将成为一种可行的新肥料。