«Бейорганикалық заттардың химиясы және технологиясы, 2 бөлім»

1. Минералды тыңайтқыштардың негізгі түрлері және сипаттамасы. Минералдық шикізат түрлері мен сипаттамасы. Минералды шикізатты байыту әдістері. Ауыл шаруашылығында минералдық тыңайтқыштарды пайдалану.

Минералдык тыңайтқыштар деп өсімдіктерді қоректендіру үшін қажет элементтері бар, жоғары егін шығымын алу үшін егістіктің алдында топыраққа енгізілетін тұздарды айтады. Өсімдік құрамына көптеген элементтер: оттегі, сутегі, көміртегі, азот, фосфор, магний, күкірт, калий, натрий, кальций, темір, марганец, йод және т.б. кіреді. Өсімдіктер өсуіне қажет элементтерді ауадан (көміртегі, оттегі) және топырақтан (су, минералдық заттар) алады. Өсімдікке өте аз мөлшерде керек болатын, мысалы, темір сиякты кейбір элементтер кез-келген топырақта жеткілікті мөлшерде болады. Ал, өсімдіктердің қоректенуінде маңызы зор азот, фосфор, калий сияқты элементтерді тыңайтқыштар түрінде өсімдікке беру қажет, өйткені, өсімдіктер бұл элементтерді топырақтан көп мөлшерде сіңіреді. Азот фотосинтез үрдістеріне қатысады, фосфор қосылыстары өсімдіктердің тыныс алумен көбеюінде үлкен роль атқарады, ал калий тіршілік үрдістерін реттейді, су режимін жақсартады, сонымен қатар зат алмасу, өсімдіктер тканінде көмірсулар түзілуіне мүмкіндік туғызады. Кейбір элементтер ішінара табиғи түрде топыраққа қайтып келеді. Мысалы, өсімдік тканінде органикалык түрде болатын азот (өсімдіктер және жануарлар организмдерінің негізі болып табылатын ақуыз кұрамындағы) организмдер шіруі кезінде жартылай түрде аммиакқа, содан кейін бактериялардың көмегімен нитрат және нитрит түрлеріне айналады және одан ары өсімдікпен кайтадан сіңіріледі. Бактериялармен органикалық түрге қайта өңделетін ауадағы бос азоттың біраз мөлшері де пайдаланылады. Алайда, олардың көп бөлігі өсімдіктер сіңіре алмайтын түрде болады немесе топырақтан жерасты суларымен шайылып жойылады.

Егер де топырақтағы құнды заттардың мөлшері тыңайткыштар енгізу аркылы толықтырылмаса, топырақ құнарсызданады және өнім шығымы төмендейді. Мұндай жағдай топырақта өсімдікке қажетті элементтер қоры болған кезде де байқалады, өйткені егін шығымдылығы олардың топырақтағы барлық қорына тәуелсіз және өсімдіктер сіңіре алатын бөлігіне байланысты. Құнды заттардың сіңірімділік үлесі жалпы қор арқылы толықтырылып тұрады, бірақ ол қоректік заттарды егін өнімімен топырақтан әкетумен салыстырғанда, неғұрлым жай жүреді. Сондықтан, жоғары егін өнімін қамтамасыз ететін тыңайтқыштарды топыраққа енгізу маңызды агротехникалық шаралардың бірі болып табылады.

Тыңайтқыштардың сапасы олардағы қоректік заттардың сіңірімді түрлеріне байланысты, яғни азотты тыңайтқыштардың – ондағы азоттың мөлшеріне, фосфорлық – Р₂О₅-ке, ал калийлік – К₂О-ға қайта есептегенде. Неғұрлым егін шығымы жоғары болғанда, соғұрлым қоректік заттар көп шығындалады. Егіннің өсімділігі мен оның қоректік заттарды топырақтан шығаруға тигізетін әсерін 1, 2 кестеде келтірілген мысалдардан көруге болады.

Топыраққа құрамында фосфор, азот, калий бар толық тыңайтқыштарды енгізгенде, ауылшаруашылық дақылдарының егін шығымы 1,5-2 есе артады.

1 кесте. Қоректік заттардың егін өнімімен бірге топырақтан шығуы.

Қоректік заттар	Қоректік заттардың ( кг/га) егістікпен бірге шығуы
	күздік бидай				қант қызылшасы
	15 ц/га		30 ц/га			150 ц/га		270 ц/га
N Р2О5 К2О	46 22 28		112 39 77			65-85 25-28 60-70		166 42 157
2 кесте. Топыраққа фосфор, азот және калий енгізілунен егін өнімділігінің артуы.
Дақыл және өнім түрі		1 т енгізгендегі егін өнімінің өсімі
		Р2О5		N			К2О
Мақта шикізаты Қант қызылшасының тамыры Қант Қартоп түйнегі Күздік бидай дәні		5-6 50-55 8-9 40-50 7-8		10-12 120-160 20 120 12-25			40-50 6-7 40-50 3-4

Ауыл шаруашылық тәжірибесінде 1 га егістік ауданына себілетін тыңайтқыш мөлшері былайша (N, Р₂О₅, К₂О қайта есептегенде) шектеледі: азоттық тыңайтқыштар үшін 30-дан 120 кг-ға, фосфорлы – 45-тен 120 кг-ға, калийлік – 40-тан 200 кг-ға дейін.

Тыңайтқыштарды пайдалану егін өнімділігін арттырумен қатар, ауыл шаруашылық өнімдерінің сапасын да жоғарылатады, яғни дәндердегі – ақуыз, картоптағы – крахмал мөлшері артады, қызылша мен жүзімдегі қант мөлшері көбееді, мақта және кендір талшықтарының беріктілігі өседі. Сонымен қатар өсімдіктердің қуаңшылыққа және аязға төзімділігі жоғарылайды. Минералдық тыңайтқыштардың мөлшерін анықтау үшін пайдаланылатын көрсеткіштер:

1) физикалық массасы – тасымалдау және сақтау көлемдерін есептеу үшін m_ф;

2) әрекеттесетін заттардың құрамын 100 %-ға қайта есептеу массасы – топыраққа қажетті енгізілу нормасын анықтау және өндіріс масштабтарын салыстыру үшін:

m₁₀₀ = m_ф ^. µ,

мұнда µ – берілген минералдық тыңайтқыштағы N, Р₂О₅, К₂О-ның массалық үлесі.

3) өндіріске беруге және жоспарлауға арналған шартты бірліктегі массасы m_ш. Мұндағы әрекеттесетін заттардың шартты бірліктердегі азот тыңайтқыштары үшін азоттың массалық үлесінің мәні 0,205; фосфорлы тыңайтқыштар үшін Р₂О₅-тің массалық үлесі – 0,187; калий тыңайтқыштары үшін К₂О-ның массалық үлесі – 0,416 тең.

Азотты тыңайтқыштары үшін……..….. m_ш = m_ф ^. µ /0,205

Фосфорлы тыңайтқыштары үшін………… m_ш = m_ф ^. µ /0,187

Калийлі тыңайтқыштары үшін……….. m_ш = m_ф ^. µ /0,416.

Минералдық тыңайтқыштардың тиімділігі ондағы элементтердің қатынасына тәуелді. Ол N : К₂О : Р₂О₅ = 1 : 1 : 2 қатынастармен және т.б. беріледі. Құрамындағы қоректік элементтер қатынасы агротехникалық талаптарға сәйкес келетін тыңайтқыштарды теңестірілген тыңайтқыштар деп атайды.

Минералдық тыңайтқыштар қоректік элементтердің табиғатына, олардың құрамы мен мөлшеріне, алу әдістері мен қасиеттеріне байланысты жіктеледі. Қоректік элементтердің табиғатына байланысты минералдық тыңайтқыштар азотты, фосфорлы, калийлі, магнийлі, борлы және т.б. болып бөлінеді. Өндіріс масштабына қарай алғашқы 3 түрлері негізгі орын алады. Агрохимиялық мәніне байланысты барлық тыңайтқыштар қоректік элементтердің көзі болып табылатын тура және топырақтың физикалық, химиялық, биологиялық қасиеттерін (мысалы, топырақтың қышқылдығын әкті қосу арқылы бейтараптау немесе гипстеу арқылы мелиорациялау және т.б.) жақсартуға пайдаланылатын жанама болып бөлінеді.

Әдетте, тура әрекет ететін минералдық тыңайтқыштар 3 негізгі қоретік элементтерден – азот, фосфор, калийден турады. Бұл тыңайтқыштар, бір қоректік элементтен тұратындары, бір жақты және 2 немесе одан да көп элементтерден тұратындары, көп жақты болып бөлінеді. Қоректік элементтердің санына байланысты көп жақты тыңайтқыштарды қос (NР, РК, NК текті) және үштік (NРК), соңғыларын толық деп те атайды.

Тыңайтқыштар құрылысы жағынан қарапайым, аралас және күрделі болып бөлінеді. Қарапайым тыңайтқыштар деп бір ғана қоректік элементі бір формада (мысалы, азот натрий нитраты түрінде) болатын тыңайтқышты айтады. Әртүрлі бөлшектерден тұратын тыңайтқыштардың механикалық қосындысын аралас деп атайды. Егер де бірнеше қоректік элементтерден тұратын тыңайтқыш зауыттық жағдайда химиялық реакцияның нәтижесінде алынатын болса, ол күрделі деп аталады. Тыңайтқыштарды күрделі және аралас деп бөлу шартты түрде, өйткені аралас тыңайтқыштарды сақтау кезінде құрамдас компоненттердің өзара әрекеттесу реакциясының нәтижесінде олар күрделі тыңайтқыштарға айналуы мүмкін.

Қоректік элементтердің мөлшеріне қарай тыңайтқыштар концентрлі (33 %-дан астам) және жоғары концентрлі (60 %-дан жоғары) деп бөлінеді. Минералдық тыңайтқыштар қасиеттеріне қарай қатты, сұйық, ұнтақ тәріздес, кристалды, түйіршіктелген, еритін және ерімейтін болып бөлінеді.

Күрделі тыңайтқыштар қоректік элементтері бірнеше формадағы біркелкі бөлшектерден тұратын комбинирленген немесе балластсыз, жанасқан және жанасқан-комбинирленген деп бөлінеді. Балластсыз күрделі тыңайтқыштарда қоректік элементтің бір формасы катионның құрамына, екінші формасы анионның құрамына кіреді. Жанасқан күрделі тыңайтқыштар – тұздарды біріккен кристаллизациялау немесе балқыту арқылы алынатын өнім,олардың құрамында қоректік элементтер ғана емес, басқа да элементтер бар. Жанасқан-комбинирленген тыңайтқыштар – қарапайым тыңайтқыш пен комбинирленген тыңайтқыштарды біріккен кристаллизациялау немесе балқыту арқылы алынатын өнім.

Өсімдіктерді қоректендіруге өте аз мөлшерде қажет етілетін және өсімдіктердің өсуіне жағдай жасайтын тыңайтқыштарды микротыңайтқыштар деп, ал олардың құрамындағы қоректік элементтерді – микроэлементтер деп атайды. Мұндай тыңайтқыштарды топыраққа килограммның бөлшек үлесімен өлшенетін мөлшермен немесе гектарға килограммнан енгізеді. Оларға құрамында бор, марганец, мыс, мырыш және т.б. элементтері бар тұздар жатады. Микротыңайтқыштар өсімдіктердің дамуында маңызды роль атқарады. Олардың топырақта болмауы немесе жетіспеуі өсімдіктерді ауруға ұшыратады, егін өнімділігін азайтады және оның сапасын төмендетеді. Мысалы, 1 га топыраққа бар болғаны 0,5 кг бор енгізіп отырғанда, кендірдің егін өнімділігі 30 %-ға артады, ал марганецтің азғантай мөлшері жүгерінің өнімділігін 40-79 %-ға жоғарылатады. Мысты енгізу – бидай дәнінің егін шығымдылығын торфты топырақта 3,8-ден 15 ц/га дейін көбейтеді.

Микротыңайтқыш ретінде, әдетте, микроэлементтердің таза тұздарын қолданбайды, оларды табиғи минералдар немесе өндіріс қалдықтары түрінде пайдалынады. Мысалы, микроэлементтердің көзі ретінде пирит тұқылы, құрамында мыс, бор бар қалдықтары, марганец кендерін байытудан қалған шламдар және т.б. пайдаланылады.

Тыңайтқыштардың өсімдіктермен сіңірімділігі олардың ерігіштігіне және топырақтың сипатына, ең алдымен, топырақ ерітіндісіндегі сутегі иондарының концентрациясына тәуелді. Мысалы, кейбір топырақтар іс жүзінде суда нашар еритін үшкальций фосфаттан (әсіресе, оның ұсак дисперсті түрлерінен: фосфорит ұны, сүйек ұны), баяу болса да, Р₂О₅-ті өсімдіктер сіңіре алатын қасиетіне ие болады. Топырақ ерітіндісіндегі фосфор тыңайтқыштарының әр түріндегі Р₂О₅-ті сіңіру үшін қажетті Н⁺-иондарының концентрациясы әртүрлі. Р₂О₅-тің сіңірімділік көрсеткіштерінің бірі – фосфат қосылыстарының жасанды ерітінділерде ерігіштігі болып табылады. Бұл ерітінділердің (аммоний цитратының аммиакты ерітіндісі және 2%-ды лимон қышқылы) қышқылдылығы топырақ ерітіндісінің қышқылдылығына жақын.

Фосфорлы тыңайтқыштарды еру дәрежесіне қарай суда еритіндер (рН=7), цитратта еритіндер, яғни аммоний цитратында еритіндер, лимондық ерігіштер (лимон, гумин және басқа да әлсіз органиқалық қышқылдарда еритіндер рН<7) және қиын еритіндер немесе ерімейтіндер деп бөледі.

Тыңайтқыштарды қолдану өсімдіктер сіңіретін қоректік заттардың мөлшерін топырақта көбейтіп қана қоймайды, сонымен бірге топырақтың физикалық, физика-химиялық және биологиялық қасиеттеріне әсер етіп, сол арқылы өнімнің шығымына әсер етеді. Бұл кезде топырақ ерітіндісінің рН шамасын өзгерту – ең маңызды факторлардың бірі. Тыңайтқыштар тек қана химиялық қасиеттерімен ғана емес, сонымен бірге, оның құрамындағы катиондар мен аниондарды әртүрлі пайдалану дәрежесімен байланысты болатын физиологиялық қасиеттерімен де ерекшеленеді. Осы белгісі бойынша, тыңайтқыштар физиологиялық қышқыл, физиологиялық сілтілік және физиологиялық бейтарап болып бөлінеді. Соңғысы топырақ ерітіндісінің рН-н өзгертпейді

Тыңайтқыштарды қолданыстан алатын агрохимиялық тиімділікке олардың физикалық қасиеттері үлкен әсер көрсетеді. Тыңайтатын тұздар қатты гигроскопиялык емес болуы және сақтау кезінде нығыздалмауы керек, топыраққа жеңіл шашыратылатын және сонымен бірге, ұзақ уақыт сақталғанда сол күйінде қалуы керек. Мұндай талаптарға көбіне түйіршіктелген тыңайтқыштар жауап береді.

Минералдық тұздар олардың тегіне (табиғи және синтетикалық), құрамына қарай (натрий, фосфор және т.б.), өндіру әдісіне, пайдалану принциптеріне байланысты жіктеледі. Олар ауыл шарушылығында қоректік зат ретінде – мал мен құстарды тамақтандыруға пайдаланылады. Олар жануарлардың өсуін тездетеді, мал және құс шаруашылықтарының өнімділігін арттырады. Бейорганикалық тұздар көп мөлшерде әртүрлі өндіріс салаларында пайдаланылады. Жалпы айтқанда, өзінің өндірістік үрдістерінде бірде-бір тұзды пайдаланбайтын ешқандай өнеркәсіп жоқ.

Химия өнеркәсібі минералдық тұздарды шығарып қана қоймайды, сонымен бірге олардың ірі тұтынушысы болып табылады. Ол тұздарды қышқылдар, сілтілер, газдар және басқа тұздарды алу үшін шикізат ретінде, ал басқа химия өнеркәсіптерінде материал ретінде пайдаланады. Мысалы, химия өнеркәсібі хлор, тұз қышқылын, сода, күйдіргіш натрий, натрий мен хлордың басқа қосылыстарын алу үшін ас тұзын өте көп мөлшерде қолданады. Бояу өнеркәсібінде күкіртті натрий, натрий нитриті, хром тұздары және басқалары пайдаланылады. Металлургия өнеркәсібінде минералдық тұздар кендерді байытуда, гидрометаллургиялық өңдеуде, металдарды электролиттік жолмен алуда, металдардың бетін өңдеуде, оларды пісіру кезінде бір-бірінді жабыстыруда қолданылады.

Шыны өнеркәсібінде шыныны пісіру үшін шихтаның негізгі компоненті ретінде натрий сульфатын көп мөлшерде пайдаланады, ал бор, барий, мырыш тұздары мен тотықтары шыныға арнайы қасиеттер (механикалық мықтылығын, термиялық және химиялық тұрақтылығын, меншікті салмақты, түсін, мөлдірлік дәрежесін және т.б.) береді. Минералдық тұздардың негізгі тұтынушысы – ауыл шарушылығы болып табылады. Үлкен масштабта тыңайтқыш және пестицид ретінде пайдаланылатын тұздар өндіріледі.

Тұздардың қорғаныс ісінде де маңызды зор, мысалы, оларды (әсіресе азот қышқылының тұздарын – аммоний нитратын) жарылғыш заттар, оқ-дәрі, пиротехникалық құралдар және т.б. дайындауда пайдаланады.

Көп жағдайларда, бір тұз бірнеше мақсаттар үшін қолданылады. Осыған байланысты тұтынушылар тұздың сапасына белгілі бір талаптар қояды. Олар мемлекеттік стандарттармен (МЕСТ) немесе өндіруші мен тұтынушы келісіп, белгіленген техникалық шарттармен (ТШ) заңдастырылады. МЕСТ және ТШ-ға сәйкес тұздардың негізгі компоненттерінің және қосындыларының құрамы, кристалдардың ірілігі, ылғалдығы және т.б. белгілері бойынша бірнеше сұрыптары шығарылады. МЕСТ және ТШ-да өнімдерді сақтауға арналған ыдыс түрлері мен талдау әдістері де келтіріледі.

Минералдық тұздар мен тыңайтқыштар өндірісінің дамуы. Минералдық тұздардың химиясы мен технологиясының дамуына Д.И. Менделеев, Н.С. Курнаков, С.И. Вольфкович және т.б. ғалымдардың жұмыстары әсер етті.

Химиялық өндірістер ежелгі заманда пайда болған. Ас тұзын табиғи ерітінділерден өңдіру Рессейде 12 ғасырда, 14 ғасырдан селитрлеу, ал 18 ғасырдың басынан күкірт қышқылының тұздары өндірісі дами бастады. Хром тұздарының ірі өндірісі 1850 ж. пайда болды. Ресей ежелгі заманнан бері кейбір химиялық өнімдерді экспортер ретінде: 17 ғасырда поташты, 19 ғасырда көп мөлшерде сары фосфорды шет елге шығарған. Октябрь революциясынан кейін табиғи тұздардың бай кендерінің ашылуына байланысты ірі химиялық өнеркісіптің дамуы өндіретін тұздардың номенклатурасын әлде қайда кеңейтті, әсіресе, минералдық тыңайтқыштардың өндірістері артқан. Соның ішінде суперфосфат және басқа да фосфор тұздарының өндірісі, хром тұздарының, күкіртті натрий, сульфаттар және т.б. өндірістері айтарлықтай өсті.

Қазақстанда минералдық тыңайтқыштар Ақтөбе химиялық комбинаты (АХК) мен Жамбыл (бұрынғы) суперфосфат зауытында өндірілген. Ақтөбенің химия комбинаты жай суперфосфат пен броммагнийлі тыңайтқыштар өндірген. Жамбыл суперфосфат зауыты жай суперфосфатты, аммофосты, аммонийланған суперфосфатты, жем фосфаттарды және азотты тыңайтқыштарды шығарған. Қазіргі кезде бұл зауытта жай суперфосфаттың орнына аммонийланған түйіршіктелген суперфосфатты шығарады. 1966 ж. қуаты 60 мың т. жылына жем фосфаттар өндіретін бірінші цехы эксплуатацияға берілді.

Қазақстандық мал шаруашылық институтымен жүргізілген зерттеулері тәулігіне сиырға 100-300 г жем фосфатын жеткізу негізгі жеміндегі жетіспейтін фосфордың мөлшерін толтыратынын көрсеткен, бұл сүт шығымын 15-20 %-ға көбейткен және оның майлылығын, құрамындағы кальций мен фосфор мөлшерін арттырып, сапасын жақсартқан. 1968 жылдың аяғында жылына 600 мың тонна қуаты бар Жамбылдағы қос суперфосфат зауыты эксплуатацияға берілді.

Химиялық өнеркәсіпте әртүрлі минералдық тұздардың өндірілуі әр түрлі шикізат материалдарын пайдалануды қажет етеді. Фосфор тыңайтқыштарын өндіру үшін апатит және фосфоритті қолданады, хлорлы калийді сильвинит пен карналиттен алады, фтор тұздарын балқыма шпатынан және суперфосфат зауыттарындағы және т.б. шыққан газдардан алады.

Тұздардың өндірісінде табиғи минералдық шикізатты өте кең қолданады, бұл құрамында әртүрлі минералдары бар кенді және кенді емес қазбалар; көлдер, теңіздер және жер астындағы көздерден алынатын тұздардың табиғи ерітінділері (тұздықтар мен рапалар).

Табиғи шикізаттан басқа минералдық тыңайтқыштарды және тұздарды өндіру үшін химиялық және басқа өнеркәсіп салаларының жартылай өнімдері мен өнімдері пайдаланылады. Оларға минералдық қышқылдар: күкірт қышқылы, азот қышқылы, тұз қышқылы, көмір қышқылы, фосфор қышқылы және аммиак, сода, әк, күйдіргіш натр және т.б. жатады. Шикізат ретінде химиялық және басқа да өнеркәсіп салаларының қалдықтары қолданылуы мүмкін. Мысалы, Қаратау фосфоритінен сары фосфор және оның негізіндегі өнімдерді алған кезде оның үлкен бөлігі электртермиялық тәсілмен өңделеді. Бұл кезде шикізаттың пайдаланылу дәрежесі тек 80-90 %-ға (көбіне одан да төмен) жетеді, өйткені қалдықтар ретінде көп мөлшерде фосфорит қалдығы (ұсағы), шлак, феррофосфор, котрель шаңы (электрсүзгіштегі шаң), фосфорлы шлам және шығарынды (пештік) газдар түзіледі. Мысалы, 1 тонна фосфор алу барысында 10 тоннадан көп шлак, шамамен 100 кг феррофосфор, сонымен қатар басқа ферроқұрамды тозаңдар, газдар және сұйық қалдықтар түзіледі.

Шыққан газдардың құрамында (шамасымен 3000 нм³/т фосфор бар) фосфин, сутек, күкіртсутек және 90 %-ға жуық көміртек тотығы болады, сондықтан оларды тек қана фосфордың көзі ретінде ғана емес, сонымен қатар газтәрізді жеткілікті калориялы отын ретінде қарастыруға болады.

Осыған байланысты фосфориттік қалдықтарды күйдіру үшін пештік газды қолдану мүмкіндіктері қарастырылған. Алайда, газдың тұрақсыз берілуі себепті және технологиялық құрал-жабдықтардың коррозияға төзімсіз болуынан, оның орнына табиғи газды пайдаланған. Қазіргі кезде іс жүзінде пештен шыққан газ өтелденбейді және онымен бірге 0,7 %-ға жуық фосфор жойылады.

Тұздар өндірісінде пайдаланылатын табиғи кенді және кенсіз қазбалар, сол сияқты әртүрлі өндіріс қалдықтары мен жартылай өнімдер құрамында бірнеше бағалы элементтер болады. Мысалы, фосфор тыңайтқыштарын алу үшін пайдаланылатын табиғи фосфаттарда байланысқан фтордың кейбір мөлшері болады. Суперфосфатты алған кезде фтордың біраз бөлігі оның қосылыстар түрінде газға айналады, оларды фтор тұздарын алу үшін пайдаланады.

Экономикалық қөзқарас тұрғысынан шикізаттың барлық құрамдас бөліктерін кешенді түрде пайдаланып, оларды бағалы өнімдерге айналдыру қажет. Көптеген тұздар өндірістері басқа химиялық өнеркәсіптермен біріктіріп ұйымдастырылған. Мысалы, күкірт қышқылын көп мөлшерде пайдаланатын суперфосфат, мыс купоросы зауыттары сияқты басқа да зауыттар күкірт қышқылын өндіретін зауыттардың жанында орналастырылса, онда күкірт қышқылын тасымалдау қажет болмас еді.