비료

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배경

비료는 식물의 성장과 수확량을 향상시키기 위해 토양에 첨가하는 물질입니다. 고대 농부들이 처음 사용했던 비료 기술은 성장하는 식물의 화학적 필요가 발견되면서 크게 발전했습니다. 현대의 합성비료는 주로 질소, 인, 칼륨 화합물로 구성되어 있으며 2차 영양소가 첨가되어 있습니다. 합성 비료의 사용은 오늘날 이용 가능한 식품의 질과 양을 크게 향상시켰지만 장기적 사용에 대해서는 환경 운동가들 사이에서 논란이 되고 있습니다.

모든 살아있는 유기체와 마찬가지로 식물도 세포로 구성되어 있습니다. 이 세포 내에서 성장과 번식을 담당하는 수많은 대사 화학 반응이 발생합니다. 식물은 동물처럼 음식을 먹지 않기 때문에 이러한 대사 반응을 위한 기본 화학 물질을 제공하기 위해 토양의 영양소에 의존합니다. 그러나 토양에서 이러한 성분의 공급은 제한적이며 식물을 수확함에 따라 그 양이 줄어들어 식물의 품질과 수확량이 감소합니다.

비료는 식물을 재배함으로써 토양에서 가져온 화학 성분을 대체합니다. 그러나 그들은 또한 토양의 성장 잠재력을 향상시키도록 설계되었으며 비료는 천연 토양보다 더 나은 성장 환경을 조성할 수 있습니다. 또한 재배되는 작물의 유형에 맞게 조정할 수 있습니다. 일반적으로 비료는 질소, 인 및 칼륨 화합물로 구성됩니다. 그들은 또한 식물의 성장을 향상시키는 미량 원소를 함유하고 있습니다.

비료의 주요 성분은 식물 성장에 필수적인 영양소입니다. 식물은 단백질, 핵산, 호르몬 합성에 질소를 사용합니다. 식물에 질소가 부족하면 성장이 감소하고 잎이 황변됩니다. 식물은 또한 핵산, 인지질 및 여러 단백질의 구성 요소인 인을 필요로 합니다. 또한 대사 화학 반응을 유도하는 에너지를 제공해야 합니다. 인이 충분하지 않으면 식물 성장이 감소합니다. 칼륨은 식물이 토양에서 얻는 또 다른 주요 물질입니다. 단백질 합성 및 기타 주요 식물 공정에 사용됩니다. 황변, 죽은 조직의 반점, 약한 줄기와 뿌리는 모두 칼륨이 부족한 식물을 나타냅니다.

칼슘, 마그네슘, 황도 식물 성장에 중요한 물질입니다. 그러나 대부분의 토양에는 자연적으로 이러한 성분이 충분히 포함되어 있기 때문에 비료에 소량만 포함됩니다. 다른 재료는 식물 성장을 위해 비교적 소량이 필요합니다. 이러한 미량 영양소에는 주로 효소 반응에서 보조 인자로 작용하는 철, 염소, 구리, 망간, 아연, 몰리브덴 및 붕소가 포함됩니다. 소량으로 존재할 수 있지만 이러한 화합물은 성장에 그다지 중요하지 않으며 식물이 없으면 식물이 죽을 수 있습니다.

효과적인 비료에 필요한 필수 영양소를 제공하기 위해 다양한 물질이 사용됩니다. 이러한 화합물은 자연적으로 발생하는 소스에서 채굴하거나 분리할 수 있습니다. 예로는 질산나트륨, 해초, 뼈, 구아노, 칼륨 및 인산염 암석이 있습니다. 화합물은 또한 기본 원료로부터 화학적으로 합성될 수 있습니다. 여기에는 암모니아, 요소, 질산, 인산암모늄 등이 포함됩니다. 이러한 화합물은 여러 물리적 상태로 존재하기 때문에 비료는 고체, 액체 또는 슬러리로 판매될 수 있습니다.

연혁

토양의 성장 능력을 향상시키기 위해 물질을 추가하는 과정은 농업 초기에 개발되었습니다. 고대 농부들은 토지의 첫 번째 수확량이 다음 해의 수확량보다 훨씬 낫다는 것을 알고 있었습니다. 이로 인해 그들은 새로운 경작되지 않은 지역으로 이동했으며 시간이 지남에 따라 동일한 패턴의 수확량 감소를 보였습니다. 결국, 토양 전체에 동물 분뇨를 살포함으로써 토지의 식물 성장을 개선할 수 있다는 것이 발견되었습니다.

시간이 지남에 따라 비료 기술은 더욱 정교해졌습니다. 식물의 성장을 향상시키는 새로운 물질이 발견되었습니다. 이집트인들은 불에 탄 잡초에서 나온 재를 흙에 첨가한 것으로 알려져 있습니다. 고대 그리스와 로마의 문헌에서는 재배된 토양이나 식물의 종류에 따라 다양한 동물 배설물이 사용되었다고 알려 줍니다. 밀을 재배하기 전에 토지에서 콩과 식물을 재배하는 것이 유익하다는 것도 이때까지 알려져 있었습니다. 추가된 다른 유형의 재료에는 조개 껍질, 점토, 식물성 폐기물, 다양한 제조 공정의 폐기물 및 기타 분류된 쓰레기가 포함됩니다.

비료 기술에 대한 조직적인 연구는 17세기 초에 시작되었습니다. Francis Bacon과 Johann Glauber와 같은 초기 과학자들은 토양에 초석을 첨가하는 것의 유익한 효과를 설명합니다. Glauber는 초석, 석회, 인산, 질소 및 칼륨의 혼합물인 최초의 완전한 광물질 비료를 개발했습니다. 과학적 화학 이론이 발전함에 따라 식물의 화학적 요구 사항이 발견되어 비료 조성이 개선되었습니다. 유기 화학자 Justus von Liebig은 식물이 자라기 위해서는 질소와 인과 같은 미네랄 요소가 필요하다는 것을 보여주었습니다. 화학 비료 산업은 효과적인 비료인 인산염 형태를 생산하는 방법을 설명하는 John Lawes 경에게 특허가 발행되면서 시작되었다고 할 수 있습니다. 합성비료 산업은 1차 세계대전 이후 폭발물용 암모니아와 합성 질산염을 생산하던 시설이 질소 기반 비료 생산으로 전환되면서 상당한 성장을 이루었습니다.

원자재

여기서 설명하는 비료는 1차 비료와 2차 영양소로 구성된 복합 비료입니다. 이들은 한 가지 유형의 비료만을 나타내며 다른 단일 영양소 유형도 만들어집니다. 고체 형태의 원료는 수천 톤, 드럼 수량 또는 금속 드럼 및 백 컨테이너의 대량 수량으로 비료 제조업체에 공급할 수 있습니다.

1차 비료에는 질소, 인 및 칼륨에서 파생된 물질이 포함됩니다. 이러한 화합물을 생산하기 위해 다양한 원료가 사용됩니다. 암모니아가 비료의 질소 공급원으로 사용될 때 합성 생산의 한 방법은 천연 가스와 공기를 사용해야 합니다. 인 성분은 황, 석탄 및 인광석을 사용하여 만들어집니다. 칼륨 공급원은 칼륨의 주성분인 염화칼륨에서 나옵니다.

일부 비료에는 2차 영양소가 첨가되어 비료의 효율성을 높입니다. 칼슘은 탄산칼슘, 황산칼슘, 탄산마그네슘칼슘을 함유한 석회석에서 얻습니다. 비료의 마그네슘 공급원은 백운석에서 파생됩니다. 유황은 채굴되어 비료에 첨가되는 또 다른 물질입니다. 기타 채굴된 재료로는 황산제일철의 철, 구리, 산화몰리브덴의 몰리브덴이 있습니다.

제조
프로세스

완전히 통합된 공장은 복합 비료를 생산하도록 설계되었습니다. 최종 제품의 실제 구성에 따라 제조 공정이 제조업체마다 다릅니다.

질소 비료 성분

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1 암모니아는 고가의 원료에서 합성할 수 있는 질소비료의 한 성분이다. 질소는 지구 대기의 상당 부분을 구성하기 때문에 공기에서 암모니아를 생산하는 공정이 개발되었습니다. 이 과정에서, 천연 가스와 증기를 대형 용기에 펌핑합니다. 다음으로 공기가 시스템으로 펌핑되고 ​​천연 가스와 증기가 연소되어 산소가 제거됩니다. 이것은 주로 질소, 수소 및 이산화탄소를 남깁니다. 시스템에 전류를 도입하여 이산화탄소가 제거되고 암모니아가 생성됩니다. 자철광과 같은 촉매(Fe ₃ O ₄ ) 암모니아 합성의 속도와 효율성을 향상시키는 데 사용되었습니다. 암모니아에서 불순물이 제거되고 추가 처리될 때까지 탱크에 저장됩니다.

2 암모니아 자체가 비료로 사용되는 경우도 있지만 취급 용이성을 위해 다른 물질로 전환되는 경우가 많습니다. 질산은 먼저 탱크에서 암모니아와 공기를 혼합하여 생성됩니다. 촉매의 존재하에 암모니아를 산화질소로 전환시키는 반응이 일어난다. 산화질소는 물이 있는 상태에서 추가로 반응하여 질산을 생성합니다.

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3 질산과 암모니아는 질산암모늄을 만드는 데 사용됩니다. 이 물질은 질소 농도가 높기 때문에 좋은 비료 성분입니다. 두 물질이 탱크에서 함께 혼합되고 중화 반응이 일어나 질산암모늄이 생성됩니다. 그런 다음 이 물질은 알갱이로 만들어지고 다른 비료 성분과 혼합될 준비가 될 때까지 저장할 수 있습니다.

인 비료 성분

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4 인광석에서 인을 분리하기 위해 황산으로 처리하여 인산을 생성한다. 이 물질의 일부는 황산 및 질산과 추가로 반응하여 고체 형태의 인의 우수한 공급원인 삼중 과인산염을 생성합니다.

5 인산의 일부는 또한 별도의 탱크에서 암모니아와 반응합니다. 이 반응으로 또 다른 좋은 1차 비료인 인산암모늄이 생성됩니다.

칼륨 비료 성분

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6 염화칼륨은 일반적으로 비료 제조업체에 대량으로 공급됩니다. 제조업체는 이를 과립화하여 보다 유용한 형태로 변환합니다. 이렇게 하면 다음 단계에서 다른 비료 성분과 더 쉽게 혼합할 수 있습니다.

과립화 및 혼합

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7 가장 유용한 형태의 비료를 생산하기 위해 서로 다른 화합물인 질산암모늄, 염화칼륨, 인산암모늄 및 삼중과인산을 과립화하고 함께 혼합합니다. 과립화의 한 방법은 기울어진 축을 가진 회전 드럼에 고체 물질을 넣는 것입니다. 드럼이 회전함에 따라 고체 비료 조각은 작은 구형을 띠게 됩니다. 적절한 크기의 입자를 분리하는 스크린을 통과합니다. 그런 다음 불활성 먼지 코팅이 입자에 적용되어 각각을 개별적으로 유지하고 수분 보유를 억제합니다. 마지막으로 입자가 건조되어 과립화 과정이 완료됩니다.

8 다양한 종류의 입자를 적절한 비율로 혼합하여 복합비료를 생산합니다. 블렌딩은 가능한 최상의 혼합물을 생성하기 위해 특정 회전 수를 회전하는 대형 혼합 드럼에서 수행됩니다. 혼합 후 비료는 컨베이어 벨트로 비워져 포장기로 운반됩니다.

수하물

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9 비료는 일반적으로 큰 가방에 담아 농부들에게 공급됩니다. 이 백을 채우기 위해 비료는 먼저 큰 호퍼에 전달됩니다. 호퍼에서 클램핑 장치에 의해 열린 상태로 유지되는 백으로 적절한 양이 방출됩니다. 가방이 진동하는 표면에 있으므로 더 잘 포장할 수 있습니다. 충전이 완료되면 백을 밀봉하는 기계로 수직으로 운반됩니다. 그런 다음 백은 여러 백을 쌓는 팔레타이저로 운반되어 유통업체와 결국에는 농민에게 배송될 준비를 합니다.

품질 관리

생산되는 비료의 품질을 보장하기 위해 제조업체는 생산의 각 단계에서 제품을 모니터링합니다. 원자재와 완제품은 모두 이전에 개발된 사양을 충족하는지 확인하기 위해 물리적 및 화학적 테스트를 거칩니다. 테스트되는 특성 중 일부에는 pH, 외관, 밀도 및 융점이 포함됩니다. 비료 생산은 정부에서 규제하기 때문에 샘플에 대한 성분 분석 테스트를 실행하여 총 질소 함량, 인산염 함량 및 화학 성분에 영향을 미치는 기타 요소를 결정합니다. 비료 조성의 특정 특성에 따라 다양한 기타 테스트도 수행됩니다.

부산물/폐기물

토양에 적용되는 비료에 포함된 비교적 적은 양의 질소는 실제로 식물에 동화됩니다. 많은 양이 주변 수역으로 씻겨 나오거나 지하수로 여과됩니다. 이것은 대중이 소비하는 물에 상당한 양의 질산염을 추가했습니다. 일부 의학적 연구에 따르면 비뇨기 및 신장 시스템의 특정 장애는 식수에 함유된 과도한 질산염의 결과입니다. 이것은 또한 아기에게 특히 해롭고 잠재적으로 발암성일 수도 있다고 생각됩니다.

비료에 포함된 질산염 자체는 해로운 것으로 생각되지 않습니다. 그러나 토양의 특정 박테리아는 질산염을 아질산염 이온으로 전환합니다. 연구에 따르면 아질산염 이온을 섭취하면 혈류로 들어갈 수 있습니다. 그곳에서 그들은 산소 저장을 담당하는 단백질인 헤모글로빈과 결합합니다. 아질산염 이온이 헤모글로빈과 결합하면 산소를 저장하는 능력을 잃어 심각한 건강 문제를 초래합니다.

니트로사민은 비료에 있는 질산염의 또 다른 잠재적 부산물입니다. 그들은 질산염의 자연 화학 반응의 결과입니다. 니트로사민은 실험 동물에서 종양을 유발하는 것으로 나타났으며 인간에게도 같은 일이 발생할 수 있다는 두려움을 불러일으킵니다. 그러나 비료 사용과 인간 종양 사이의 연관성을 보여주는 연구는 없습니다.

미래

비료 연구는 현재 비료 사용의 유해한 환경 영향을 줄이고 새롭고 저렴한 비료 공급원을 찾는 데 중점을 두고 있습니다. 비료를 보다 환경 친화적으로 만들기 위해 조사 중인 이러한 것들은 빗물에 덜 민감한 형태로 비료를 공급하고 더 농축된 혼합물을 만드는 개선된 적용 방법입니다. 새로운 비료 공급원도 조사되고 있습니다. 하수 슬러지는 좋은 비료에 필요한 많은 양분을 함유하고 있는 것으로 밝혀졌습니다. 불행히도 납, 카드뮴 및 수은과 같은 특정 물질이 식물에 해로운 농도로 포함되어 있습니다. 이 물질을 실행 가능한 비료로 만들기 위해 원하지 않는 요소를 제거하기 위한 노력이 진행 중입니다. 개발 중인 또 다른 공급원은 분뇨입니다. 최초의 비료는 거름이었지만 취급 비용이 너무 비싸서 대규모로 활용되지 않습니다. 기술이 향상되고 비용이 절감되면 이 물질은 실행 가능한 새로운 비료가 될 것입니다.