Екологічна безпечна утилізація відходів поліетилентерефталату використанням їх для капсулювання мінеральних добрив

Abstract

В дисертаційному дослідженні розв’язане актуальне науково-практичне завдання: підвищення рівня екологічної безпеки рослинництва застосуванням мінеральних добрив пролонгованої дії, капсульованих модифікованим поліетилентерефталатом. Досліджені еколого-технологічні аспекти утилізації відходів ПЕТФ у виробництві капсульованих мінеральних добрив. Встановлена залежність необхідної товщини оболонки від терміну дії капсульованого амонію нітрату за різних значень коефіцієнту дифузії у матеріалі оболонки. Експериментально досліджена дифузія розчину амонію нітрату через полімерну плівку різної товщини. Досліджені окремі стадії утилізації відходів ПЕТФ у виробництві капсульованих мінеральних добрив: збір використаних виробів з ПЕТФ; первинна переробка зібраних відходів; створення плівкоутворюючої композиції; капсулювання гранульованих мінеральних добрив. Проведений аналіз технологічних рішень в процесі капсулювання мінеральних добрив оболонкою на основі модифікованого ПЕТФ. Досліджена гідродинаміка та тепломасообмін нанесення покриття на дисперсні матеріали. Дослідження теплообміну здійснювали за встановлених гідродинамічних умов процесу капсулювання. Проведені тестові дослідження капсульованих добрив згідно методики EN 13266:20. В лабораторних умовах досліджено вплив капсульованих ПЕТФ мінеральних добрив на зміну рН грунту, мікробіоту грунту та кінетику росту тестових рослин. Проведений теоретичний аналіз балансових співвідношень використання різних видів мінеральних добрив в агроекосистемах та кількість втрат незасвоєних елементів живлення від цих видів мінеральних добрив у довкілля. Проведені польові агроекологічні дослідження застосування капсульованих ПЕТФ мінеральних добрив в агроекосистемах таких культур як картопля, соя та кукурудза. Застосування капсульованих мінеральних добрив пролонгованої дії показало значно вищу екологічну та агрономічну ефективність в порівнянні із гранульованими добривами для всіх досліджуваних культур. Проведена оцінка екологічної та агрономічної ефективності використання мінеральних добрив, капсульованих ПЕТФ. Для всіх досліджуваних культур коефіцієнт ефективності використання добрива значно вищий для капсульованих добрив у порівнянні із гранульованими (максимально - більше, ніж у 4 рази). За меншої кількості внесеної діючої речовини врожайність на ділянках, де внесені капсульовані добрива, значно вища. In the thesis research actual scientific and practical task is solved: increasing environmental safety level of plant growing by applying the mineral fertilizers of the prolonged action encapsulated by the modified polyethylene terephthalate. Environmental and technological aspects of PET waste disposal in the production of encapsulated mineral fertilizers have been studied. The dependence of the required shell thickness on the duration of encapsulated ammonium nitrate at different values of the diffusion coefficient in the shell material is established. Diffusion of ammonium nitrate solution through a polymer film of different thickness was experimentally investigated. Separate stages of PET waste utilization in the production of encapsulated mineral fertilizers have been studied: collection of used PET products; primary collected waste processing; creation of a film-forming composition; granular mineral fertilizers encapsulation. The analysis of technological decisions in the process of mineral fertilizers encapsulation by a cover on the basis of the modified PET is carried out. The hydrodynamics and heat and mass transfer of coating on dispersed materials is investigated. Heat transfer studies were performed under the established hydrodynamic conditions of the encapsulation process. Test studies of encapsulated fertilizers have been carried out according to the method of EN 13266: 20. Under laboratory conditions, the effect of encapsulated PET mineral fertilizers on changes in soil pH, soil microbiota and growth kinetics of test plants were studied. A theoretical analysis of the balance ratios on the use of different types of mineral fertilizers in agroecosystems and the amount of undigested nutrients loss from these mineral fertilizers types in the environment. Field agroecological studies have been conducted on the use of encapsulated PET mineral fertilizers in agroecosystems of crops such as potatoes, soybeans and corn. The use of encapsulated mineral fertilizers with prolonged action showed significantly higher environmental and agronomic efficiency compared to granular fertilizers for all studied crops. The environmental and agronomic efficiency on the use of mineral fertilizers encapsulated in PET was evaluated. For all studied crops, the efficiency of fertilizer use is much higher for encapsulated fertilizers compared to granular (maximum - more than 4 times). With a smaller amount of applied active substance, the yield in areas where fertilized fertilizers are applied is much higher. В диссертационном исследовании решена актуальная научнопрактическая задача: повышение уровня экологической безопасности растениеводства применением минеральных удобрений пролонгированного действия, капсулированных модифицированным полиэтилентерефталатом. Исследованы эколого-технологические аспекты утилизации отходов ПЭТФ в производстве капсулированных минеральных удобрений. Преимуществом применения ПЭТФ является функционирующая система селективного сбора отходов, недостатком - необходимость модификации с целью обеспечения растворения в органических растворителях. Установлена зависимость необходимой толщины оболочки от срока действия капсулированного аммония нитрата при различных значениях коэффициента диффузии в материале оболочки. Экспериментально исследована диффузия раствора аммония нитрата через полимерную пленку разной толщины. На основании анализа результатов исследований рассчитаны значения коэффициента диффузии NH4NO3 через полимерные пленки. Проведен анализ технологических решений в процессе капсулирования минеральных удобрений оболочкой на основе модифицированного ПЭТФ. Исследована гидродинамика нанесения покрытия на дисперсные материалы. Экспериментально исследованы зависимости потерь напора гранулированной нитроаммофоски и аммиачной селитры от скорости псевдоожижения и интенсивности орошения. В результате анализа теоретических и экспериментальних результатов получены уравнения для расчета изменения гидравлического сопротивления слоя материала в состоянии псевдоожижения в условиях орошения в зависимости от расхода жидкости и величины критерия Reг. Полученные уравнения позволяют рассчитать изменение гидравлического сопротивления слоя гранулированной нитроаммофоски и аммиачной селитры по сравнению с сухим. Экспериментально установлено распределение температуры воздуха по высоте слоя гранулированных минеральных удобрений в процессе капсулирования при разных расходах пленкообразователя. Проведены тестовые исследования капсулированных удобрений согласно методике EN 13266: 20. Полученные результаты свидетельствуют о том, что кинетические кривые растворения имеют прогнозируемый характер, процесс происходит плавно без резких спадов или подъемов. Это служит доказательством равномерного, качественного покрытия, которое дает возможность получать пролонгированные минеральные удобрения с необходимым временем действия. В лабораторных условиях исследовано влияние капсулированных ПЭТФ минеральных удобрений на изменение рН почвы, микробиоту почвы и кинетику роста тестовых растений. Проведен теоретический анализ балансовых соотношений использования различных видов минеральных удобрений в агроэкосистемах и количество потерь элементов питания растений для этих видов минеральных удобрений в окружающую среду. Установлено, что при использовании капсулированных удобрений вместо гранулированных, загрязнение окружающей среды остаточными удобрениями уменьшается почти в 4 раза. Проведены полевые агроэкологические исследования применения капсулированных ПЭТФ минеральных удобрений в агроэкосистемах таких культур как картофель, соя и кукуруза. Применение капсулированных минеральных удобрений пролонгированного действия показало значительно более высокую экологическую и агрономическкю эффективность по сравнению с гранулированными удобрениями для всех исследуемых культур. Для всех исследуемых культур коэффициент эффективности использования удобрения значительно выше для капсулированных удобрений по сравнению с гранулированными (максимально - больше, чем в 4 раза). При меньшем количестве внесенного действующего вещества урожайность на участках, где внесены капсулированных удобрения, значительно выше.