ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ С УПРАВЛЯЕМЫМ РАСТВОРЕНИЕМ И ВЫСВОБОЖДЕНИЕМ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ Российский патент 2023 года по МПК A01C21/00 

Изобретение относится к областям химического производства B01J, С05, С08, С09 и сельскохозяйственного (далее - с/х) применения минеральных удобрений А01С 21/00 по Международной патентной классификации.

Параметрическая система минеральных удобрений с управляемым растворением и высвобождением питательных веществ (далее - Система) - это агрохимический комплекс управления питанием и развитием растений, который включает:

- динамический набор, комплект нескольких минеральных удобрений одного или разных видов с определенными, точно заданными параметрами растворения (скоростью, продолжительностью, кинетикой);

- компьютерную программу управления растворением (далее - Программа), которая, варьируя составом и соотношением удобрений динамического набора, рассчитывает и составляет композицию, растворение и высвобождение питательных веществ (далее - ПВ) которой обеспечивают оптимальное питание и развитие конкретного растения в заданных условиях выращивания и воздействия окружающей среды.

Динамический набор включает системы удобрений 3-х уровней:

1. Генеральная система.

2. Оперативные системы.

3. Композиции удобрений.

Динамическим набор называется потому, что при применении Системы, которое заключается в формировании различных комбинаций состава и соотношения удобрений, происходит движение от генеральной системы к конкретной композиции (конечный продукт): из удобрений генеральной системы Программа составляет оперативные системы, на основе которых рассчитываются композиции и выбирается одна, обеспечивающая режим оптимального питания конкретного растения в заданных условиях выращивания.

1. Генеральная система (система 1-го уровня) - базовый элемент, который представляет собой набор из нескольких (не менее 4) удобрений с определенными, точно заданными параметрами растворения и высвобождения питательных веществ.

Например, комплект из 6 капсулированных полимерным покрытием модификаций азотного удобрения мочевина У2, УЗ, У4, У5, У6, У7 с S-образной кинетикой У2(t) (2), У3(t) (3), У4(t) (4), У5(t) (5), У6(t) (6), У7(t) (7) и продолжительностью полного растворения при 20°С в диапазоне от 30 до 110 дней. Дополнительным 7-м элементом комплекта является традиционная (некапсулированная) мочевина У1 с линейной кинетикой растворения V1 (t) (1) и продолжительностью полного растворения 10-15 дней, расширяющая возможности управления растворением Системы удобрений на ранних этапах вегетации, а также позволяющая снизить стоимость конечных композиций с ее участием (Фиг. 1).

Единицей измерения процесса растворения минеральных удобрений является количество высвобожденных питательных веществ (далее - КПВ), натуральные значения которого (У*) выражаются как концентрация растворенного вещества в г/л, моль/л и др. Значения количественных параметров процессов растворения удобрения и роста растения в реальных единицах измерения могут существенно отличаться друг от друга, поэтому их трудно сравнивать и согласовывать. Для точного и корректного кинетического согласования процессов их количественные параметры необходимо сравнить в одном масштабе, в одной шкале измерений. Для этого параметры процессов приводятся к одному масштабу размерности - переводятся в относительные величины делением промежуточных натуральных значений параметра на его максимальную величину Par=Par*/Par* _max и выражаются в массовых долях, в шкале измерений от 0,00 до 1,00. Натуральные значения КПВ удобрений генеральной системы переводятся в относительные величины У=У*/У* _max и выражаются в массовых долях.

Сравнение кинетических характеристик процессов растворения удобрения и роста растения производится в режиме реального времени, поэтому графики процессов приводятся в системе координат:

ось ординат - количественный параметр процесса, выраженный в натуральных* (г, кг, г/л и пр.) или в относительных величинах (масс, доля) в шкале измерений от 0,00 до 1,00;

ось абсцисс - время протекания процесса в реальных единицах измерения (t, дней), с шагом 5 дней.

Кинетика растворения и продолжительность высвобождения ПВ капсулированного удобрения определяются многими факторами или их совокупностью, например, толщиной полимерной оболочки капсулы δ, мкм. Толщина полимерного покрытия частиц и соответственно продолжительность растворения удобрений увеличиваются от У2 к У7.

Удобрения генеральной системы формируют кинетическую область управления растворением, границами которой являются кривые самого быстро растворимого У1(t) (1) и самого медленно растворимого удобрения У7(t) (7) комплекта. Питание большого количества с/х культур, продолжительность и кинетическая кривая роста которых вписываются в область управления растворением генеральной системы, может быть оптимизировано с помощью такого комплекта.

Каждое из 6 капсулированных удобрений У2, У3, У4, У5, У6, У7 генеральной системы может применяться как индивидуальное удобрение с контролируемым высвобождением ПВ, но не каждое капсулированное удобрение может являться приемлемым элементом Системы. Генеральная система - это набор удобрений с определенными, точно заданными параметрами растворения, различные оперативные комбинации которых позволяют как можно более точно оптимизировать питание как можно большего количества различных с/х культур в широком диапазоне условий выращивания и воздействия окружающей среды.

2. Из комплекта удобрений генеральной системы составляются оперативные системы (системы 2-го уровня) как комбинации из 2-х, 3-х и более компонентов для оптимизации питания конкретных с/х культур в определенных условиях выращивания.

3. Варьируя составом, т.е. параметрами растворения удобрений оперативной системы и весовым соотношением компонентов в комбинации, программа управления растворением рассчитывает возможные композиции (системы 3-го уровня) и выбирает одну, растворение которой наиболее точно кинетически согласовано с ростом конкретной с/х культуры.

Композиция удобрений - это смешанные в определенной пропорции несколько удобрений с различными параметрами растворения из комплекта генеральной системы.

nK - композиция n-удобрений;

h - индекс компонента в композиции, h=1, 2 … n;

n - количество компонентов в композиции (оперативной системе);

У₁, У₂ … У_n - компоненты композиции, индивидуальные удобрения из комплекта генеральной системы;

w₁, w₂ … w_n - весовые доли компонентов в композиции, w₁+w₂+…+w_n=1,00.

Параметры растворения композиции n-удобрений определяются параметрами растворения каждого компонента композиции, соотношением компонентов (их весовой долей) в комбинации и количеством компонентов. Параметры растворения включают скорость, продолжительность и кинетику растворения и высвобождения ПВ удобрения.

Оптимальным количеством компонентов для оперативных систем и композиций, с функциональной, экономической и технологической точек зрения, являются комбинации из 2-х или 3-х удобрений.

Для генеральной системы из 7 удобрений общее количество двухкомпонентных композиций (далее - 2К-композиция) составляет 2121. Любое агропредприятие или фермер могут самостоятельно рассчитывать, составлять и применять 2К-композиции для своих с/х культур и условий выращивания, имея соответствующие инструкции и документацию.

Общее количество трехкомпонентных композиций (далее - 3К-композиция) составляет 180285. В этом случае расчет и подбор композиции оптимального питания растения производится химической компанией-производителем Систем удобрений на основании технического задания от заказчика.

Основными компонентами Системы являются удобрения с контролируемым растворением и высвобождением ПВ. Способом получения таких удобрений является микрокапсулирование - это химические, физико-химические и физические методы заключения дисперсных частиц в полимерные оболочки, капсулы [1, 2], такие как:

- коацервация (разделение фаз);

- испарение растворителя;

- межфазная полимеризация или поликонденсация;

- экструзионные, электростатические и другие методы.

Данные методы заключаются в создании физического барьера на поверхности капсулируемых частиц за счет нанесения органических полимерных пленочных покрытий разной толщины, с разной химической природой, структурой и физическими свойствами, на различные виды минеральных удобрений, разного гранулометрического состава.

Примечание. В качестве оболочки капсул применяются также неорганические, минеральные и др. природные и синтетические материалы. Здесь рассматриваются только органические пленкообразующие полимеры.

Системы удобрений могут быть двух типов:

1. Комбинация одного вида простого или сложного удобрения из частиц с различными параметрами растворения. Например, композиция азотного удобрения мочевина из некапсулированных (традиционных) и капсулированных частиц разного размера и формы, покрытых полимерными пленками-мембранами с различной природой, структурой и физическими свойствами, с различной толщиной покрытия в один или в несколько слоев.

2. Комбинация из нескольких видов удобрений разной химической природы с различными параметрами растворения в разных весовых соотношениях. Например:

- тройная комбинация из капсулированных частиц аммиачной селитры (N), хлорида калия (К) и некаспулированных частиц традиционного суперфосфата (Р);

- двойные комбинации из капсулированных частиц мочевины (N) и аммофоса (NP) или из капсулированных частиц аммиачной селитры (N) и азофоски (NPK) и др.

Сегодня во многих странах мира активно ведутся разработки, промышленное производство и применение удобрений с контролируемым высвобождением ПВ (controlled-release fertilizers, CRF) [3, 4, 5, 6]. Возрастающая популярность таких продуктов обусловлена тем, что их применение приводит к повышению эффективности использования ПВ по сравнению с традиционными удобрениями, улучшению питания растений, увеличению урожайности с/х культур, результатом чего является повышение рентабельности с/х производства и сохранение окружающей среды. Особенно мощный импульс развитию капсулированных полимерными покрытиями минеральных удобрений придало создание в начале 2000-х годов канадской компанией Agrium Advanced Technologies продукта ESN «Интеллектуального Азота» (Polymer Coated Urea, капсулированная полиуретаном мочевина), который в настоящее время является самым массовым азотным удобрением с контролируемым высвобождением ПВ с объемом производства более 500 000 тонн в год [7, 8, 9, 10, 11].

Параметрическая система минеральных удобрений с управляемым растворением является продолжением и развитием темы «умных» капсулированных удобрений с контролируемым высвобождением ПВ (CRF), с целью усиления их функциональной и экономической эффективности, улучшения условий питания и развития растений, повышения урожайности с/х культур и экологической безопасности окружающей среды.

Для обеспечения оптимального питания и развития с/х культуры необходимо, чтобы процессы растворения удобрения и роста растения были кинетически согласованы по количественным и временным параметрам, т.е. их кривые выраженные в относительных величинах и в одной шкале измерений должны совпадать.

Рост растения - это процесс биосинтеза, процесс создания его формы и массы, который протекает по определенной программе, заложенной в его генетической памяти. Графически кинетика этого процесса обычно имеет вид S-образной кривой (сигмоиды), например, кривая роста растения кукуруза P*(t) (8) (Фиг. 2.1). Единицей измерения роста (Р*) обычно является сухая масса всего растения (далее - СМ), которая в натуральных величинах выражается в граммах или килограммах. Далее и везде ось абсцисс - t, дней.

Как было сказано ранее для точного и корректного сравнения и кинетического согласования процессов растворения удобрения и роста растения их количественные параметры необходимо сравнить в одном масштабе и в одной шкале измерений. Поэтому натуральные значения сухой массы растения (Р*), также как количество высвобожденных питательных веществ удобрений (У*), переводятся в относительные величины Р_ОВ=Р*/Р*_max и выражаются в массовых долях, в шкале измерений от 0,00 до 1,00. Кривая роста растения кукуруза в относительных величинах Р_ОВ(t) (9) (Фиг. 2.2) кинетически полностью идентична кривой роста растения в натуральных величинах P*(t) (8).

Традиционные азотные удобрения, такие как аммиачная селитра, мочевина, сульфат аммония и др., имеют высокую растворимость и скорость растворения в воде и водных средах. В зависимости от температуры, состава и влажности почвы, водного режима и других факторов внешнего воздействия растворение таких удобрений происходит достаточно быстро и заканчивается в течение 1,5-2 недель после их внесения. Кривая растворения традиционного азотного удобрения, например, мочевины У1(t) имеет практически линейный характер (1), которая и по форме кривой, и по временным параметрам абсолютно несопоставима с S-образной кривой роста растения, например, кукурузы Р_ОВ(t) (9), при сравнении относительных значений количественных параметров процессов (У, Р_ОВ) в одном масштабе, в шкале измерений от 0,00 до 1,00 (Фиг. 3). Из-за несоответствия кинетических параметров роста растений и растворения традиционных азотных удобрений эффективность использования их питательных элементов не превышает 20-30%. Процесс растворения традиционных азотных удобрений невозможно ни контролировать, ни изменять. Все это обусловливает высокие потери ПВ традиционных азотных удобрений, нерациональный режим питания растений и как следствие низкую урожайность с/х культур и загрязнение почвы и окружающей среды.

В отличие от традиционного, растворение капсулированного полимерным покрытием минерального азотного удобрения протекает по более сложному механизму, который кроме гетерогенной химической реакции между ядром капсулы и почвенной водой, включает процессы массопереноса жидкой фазы через пленочное покрытие, т.е. диффузионные мембранные процессы. Такой механизм снижает скорость растворения и кардинально изменяет кинетику высвобождения растворенного вещества по сравнению с традиционными минеральными удобрениями. Появляется задержка растворения «лаг-период» на начальном этапе и плавное экспоненциальное замедление на конечном этапе, что формирует S-образную кинетику растворения капсулированного азотного удобрения. S-кривая растворения, например, капсулированного азотного удобрения мочевина У5(t) (5) и по форме, и по временным параметрам сопоставима с S-кривой роста растения кукуруза Р_ОВ(t) (9) при сравнении относительных значений количественных параметров процессов (У, Р_ОВ) в одном масштабе, в шкале измерений от 0,00 до 1,00 (Фиг. 4). Соответствие кинетических параметров роста растений и растворения капсулированных удобрений обусловливает высокую, до 70-80%, эффективность использования ПВ, что позволяет значительно улучшить питание и развитие с/х культур, снизить потери ПВ и уменьшить химическое воздействие на почву по сравнению с традиционными удобрениями [6].

Параметры процесса растворения и высвобождения ПВ индивидуального капсулированного удобрения фиксированы, но могут быть изменены за счет изменения химической природы или вида пленкообразующего полимера, его плотности, пористости и проницаемости, толщины пленки и/или количества слоев и пр. Изменение параметров растворения индивидуального капсулированного удобрения может быть выполнено только в заводских условиях, на этапе его производства или на этапе научно-исследовательских работ при разработке формулы и фактически означает создание нового продукта. Кинетика процесса растворения индивидуальных капсулированных удобрений с контролируемым высвобождением ПВ сопоставима, но не синхронизирована с кинетикой роста/питания растений. Полное совпадение кинетических кривых этих процессов возможно лишь случайно, т.к. количество комбинаций «растение - условия выращивания» огромно, а разрабатывать и производить отдельное капсулированное удобрение для каждой такой комбинации технологически и экономически нецелесообразно.

Главное отличие параметрической системы удобрений от выбранного прототипа, индивидуального капсулированного полимерным покрытием азотного удобрения с контролируемым высвобождением ПВ, например, продукта ESN, заключается в ОПЕРАТИВНОМ УПРАВЛЕНИИ растворением и высвобождением ПВ.

- ОПЕРАТИВНОЕ - это способность легко и быстро, везде и в любое время, «по месту», для любой с/х культуры, в широком диапазоне условий выращивания и воздействия окружающей среды изменять параметры растворения Системы удобрений: скорость, продолжительность и кинетику растворения.

- УПРАВЛЕНИЕ растворением удобрений - это способность адекватно реагировать на изменение вида с/х культуры, условий выращивания и воздействия окружающей среды, соответственно изменяя параметры процесса растворения Системы, точно настраивая, синхронизируя их с параметрами процессов питания и роста растения.

Система удобрений позволяет оперативно рассчитать и составить композицию, кинетические параметры растворения которой наиболее точно соответствуют параметрам роста/питания конкретного растения в заданных условиях выращивания и воздействия окружающей среды. Например, композиция 2-х капсулированных модификаций азотного удобрения мочевина 2К=w₁⋅У₁+w₂⋅У₂, где: У₁=У5, У₂=У6 из комплекта генеральной системы (Фиг. 1). Удобрения У5, У6 формируют оперативную 2К-систему, включающую при шаге 1% вес. 101 композицию, а кривые растворения У5(t) (5), У6(t) (6) образуют область управления параметрами композиций. Варьируя соотношением компонентов У5, У6 внутри оперативной системы составляются возможные 2К-композиции и выбирается одна 2К_КС=0,7⋅У5+0,3⋅У6, растворение которой наиболее точно кинетически синхронизировано (КС) с ростом конкретного растения. S-кривая растворения композиции удобрений 2К_КС(t) (10) практически полностью совпадает с S-кривой роста растения кукуруза (9), 2К_КС(t) ≈ Р_ОВ(t), при сравнении относительных значений количественных параметров этих процессов (2К_КС, Р_ОВ, У) в одном масштабе, в шкале измерений от 0,00 до 1,00 (Фиг. 5). При такой степени согласования процессов растворения оптимальной композиции удобрений и роста растения эффективность использования ПВ максимально высокая и составляет более 90%, что обеспечивает наиболее рациональный режим питания и развития растения на протяжении всего вегетационного периода. Параметры растворения данной 2К-композиции удобрений можно легко и быстро изменить или подкорректировать, изменив весовое соотношение компонентов w₁/w₂, например, при переходе к другой с/х культуре или при изменении условий выращивания (температуры, влажности, водного режима, состава и структуры почвы и пр.).

Как было сказано ранее, индивидуальное капсулированное удобрение с контролируемым высвобождением ПВ, такое, например, как ESN, имеет фиксированные параметры растворения (скорость, продолжительность и кинетику), которые задаются и могут быть изменены только химической компанией-производителем на этапах разработки или заводского производства продукта.

Параметрическая система удобрений в отличие от индивидуальных капсулированных удобрений имеет два уровня управления растворением.

1. Стратегическое управление - изменение параметров растворения индивидуальных удобрений комплекта генеральной системы; разработка, корректировка и оптимизация состава, количества, свойств удобрений и параметров области управления растворением генеральной системы; усовершенствование и развитие программы управления растворением Системы удобрений. Выполняется химической компанией-производителем Систем на этапах научно-исследовательских разработок и промышленного производства.

2. Оперативное управление - быстрое, адекватное и точное реагирование на изменение условий выращивания и воздействия окружающей среды и/или при переходе от одной с/х культуры к другой, за счет изменения состава и соотношения удобрений композиции. Выполняется агрохимической компанией или с/х производителем на этапах подготовки и применения Системы удобрений в поле.

Сущность оперативного управления растворением Системы заключается в том, что в отличие от индивидуального капсулированного удобрения, кинетика растворения которого определяется одной S-кривой для каждого продукта, система любого уровня представляет собой комбинацию из нескольких удобрений, формирующих определенную кинетическую область растворения, состоящую из множества S-кривых различных композиций, границами которой являются кривые растворения самого быстрого и самого медленного удобрения из комплекта генеральной системы. Внутри этой кинетической области растворением системы удобрений данного уровня можно легко управлять, изменяя состав и весовое соотношение компонентов и, таким образом, оперативно рассчитать и выбрать композицию, обеспечивающую режим оптимального питания конкретного растения. Так, например, для 2К-композиций (w₁У5+w₂У6) оперативной 2К-системы У5-У6, увеличение весовой доли w₁ удобрения У5 плавно увеличит интегральную скорость (увеличивается крутизна S-кривой) и уменьшит общую продолжительность растворения композиции, а изменение состава оперативной 2К-системы на У4-У6, т.е. замена У5 на еще более быструю модификацию У4 при неизменном соотношении w₁/w₂ резко увеличит скорость и значительно изменит угол наклона S-кривой растворения композиции (w₁У4+w₂У6).

Главной задачей параметрической системы минеральных удобрений является оптимизация питания и развития растений. Условием оптимального питания растения (далее - ОПР) является точное кинетическое согласование процессов растворения удобрения и роста растения, которое выполняется с помощью компьютерной программы управления растворением удобрений Системы по следующему алгоритму.

1. Выбирается растение, например, с/х культура кукуруза.

2. Задаются условия выращивания кукурузы: температура*, влажность, вид и состав почвы и пр.; определяющий показатель - средневзвешенная активная температура почвы в течение вегетационного периода выбранной с/х культуры, например, Тп°=20°С.

3. Вводятся количественные параметры роста выбранной с/х культуры в заданных условиях выращивания. Измеряется сухая масса всего растения кукуруза (Р*) в разные произвольные моменты времени от начала вегетации (посева), например, 10 дней - 0,006 кг, 20 дней - 0,022 кг, 38 дней - 0,074 кг, 50 дней - 0,171 кг, 62 дня - 0,347 кг, 75 дней - 0,449 кг, 85 дней - 0,459 кг, максимальное значение Р*_max=0,460 кг. Минимум 5 замеров.

Натуральные значения измеренной сухой массы кукурузы (Р*) переводятся в относительные величины Р_ОВ=Р*/Р*_max, масс, доли: 10 дней - 0,012, 20 дней - 0,047, 38 дней - 0,161, 50 дней - 0,373, 62 дня - 0,754, 75 дней - 0,976, 85 дней - 0,998.

4. Значения (Р_ОВ) аппроксимируются с помощью численных методов. Вычисляются коэффициенты уравнения (11) и строится полная кривая роста растения кукуруза P(t) (12) во временном интервале (t) от 0 до 100 дней, с постоянным шагом Δt=5 дней (Фиг. 6).

Уравнение роста растения (уравнение сигмоиды):

Р - масса растения в относительных величинах, масс, доля;

t - время, дней;

а, b, с, k, l, m - коэффициенты уравнения.

Кривые P(t) и Р_ОВ(t) практически полностью совпадают при сравнении относительных значений их кинетических параметров (Р, Р_ОВ) в одном масштабе, в шкале измерений от 0,00 до 1,00, ошибка аппроксимации Ар=0,104%. Кривая P(t) является основой для сравнения и кинетической синхронизации процессов растворения удобрения и роста растения.

5. Выбирается удобрение, например, азотное удобрение мочевина. Задается генеральная система удобрений, например, набор из традиционной мочевины У1 и шести ее капсулированных модификаций У2, У3, У4, У5, У6, У7 (Фиг. 1) с различной S-кинетикой и продолжительностью полного растворения в интервале от 10 дней У1(t) до 110 дней У7(t). Вводятся количественные параметры растворения удобрений генеральной системы, выраженные в относительных величинах, для температуры 20°С равной заданной средневзвешенной температуре почвы,

6. Выбор удобрений оперативной системы и расчет оптимальной композиции.

6.1. Выбирается количество компонентов композиции, например, рассчитывается двухкомпонентная композиция удобрений.

6.2. Из комплекта генеральной системы программа управления растворением составляет оперативные системы из комбинаций 2-х удобрений, У^j₁-У^j₂. Количество возможных оперативных 2К-систем из набора 7 удобрений:

6.3. Для каждой j-оперативной 2К-системы рассчитываются композиции с различным соотношением весовых долей удобрений 2K_i^j=w_1i⋅У^j₁+w_2i⋅У^j₂, от 100% модификации У^j₁ (w_1i=1,00, w_2i =0,00) до 100% У^j₂ (w_2i=1,00, w_1i=0,00). Каждая оперативная 2К-система включает 101 (i) композицию, при шаге соотношения вес.долей компонентов 1%, Δw_i=0,01.

6.4. Для каждой 2К-композиции каждой j-оперативной системы строится кривая растворения - изменение суммарного количества высвободившихся ПВ комбинации удобрений w_1iУ^j₁ и w_2iУ^j₂ - во временном интервале роста растения от 0 до 100 дней.

i=1-101, j=1-21

6.5. Значения количественных параметров растворения и высвобождения ПВ каждой композиции 2К_i^j(1) сравниваются со значениями полной кривой роста растения P(t) в одних и тех же временных точках в интервале от 0 до 100 дней.

6.6. Вычисляются значения квадратичного отклонения кривых 2К_i^j(t) и P(t) в каждой временной точке и ошибка аппроксимации А (%) по общей формуле:

у - значения полной кривой роста растения P(t);

у_х - значения кривой растворения композиции 2К_i^j(t);

- среднее арифметическое значение параметров роста растения Р_СР;

n - количество временных точек сравнения значений кривых. Ошибка аппроксимации является интегральным показателем отклонения кинетических кривых растворения композиции 2К_i^j(t) и роста растения кукуруза P(t).

6.7. Программа рассчитывает значения интегрального показателя отклонения для всех возможных 2К-композиций удобрений всех оперативных систем и составляет таблицу значений размером 21×101, где столбцы определяют состав оперативной 2К-системы а строки показывают соотношение весовых долей удобрений w_1i/w_2i в 2К-Композиции.

6.8. Из таблицы Программа определяет минимальное значение ошибки аппроксимации А₁₉³³=1,19% с координатами (19, 33):

- столбец 19 (j), оперативная 2К-система У5-У6;

- строка 33 (i), соотношение компонентов У5/У6, w₁/w₂=0,68/0,32,

которые определяют композицию удобрений, кривая растворения которой наиболее точно совпадает с кривой роста растения. 2К₁₉³³=0,68⋅У5+0,32⋅У6 является композицией оптимального питания растения, процесс растворения которой кинетически синхронизирован с ростом кукурузы - кривая растворения 2К-композиции ОПР 2К₁₉³³(t) (13) практически полностью совпадает с кривой роста растения кукурузы P(t) (12), при сравнении относительных значений количественных параметров процессов (2К₁₉³³, Р) в одном масштабе, в шкале от 0,00 до 1,00 (Фиг. 7).

По умолчанию компьютерная программа управления растворением автоматически рассчитывает и составляет оптимальную композицию на основе наиболее точного совпадения параметров процессов роста растения и растворения удобрения. Программа позволяет также вручную изменить и откорректировать параметры и кинетику растворения автоматически рассчитанной композиции, например, чтобы компенсировать большой недостаток или убрать излишний избыток ПВ на определенных этапах вегетации.

Два режима ручного изменения параметров растворения:

- тонкая настройка - регулировка кинетических параметров растворения композиции за счет изменения соотношения весовых долей удобрений внутри выбранной оперативной системы;

- грубая настройка - изменение состава удобрений оперативной системы, создание новой из комплекта удобрений генеральной системы.

По такому же алгоритму производится синхронизация процессов роста растения и растворения композиций 3-х и большего количества удобрений.

Синхронизированная композиция удобрений обеспечивает рациональное и непрерывное питание растения в течение всего вегетационного периода, поэтому такая композиция вносится в почву только один раз, по принципу «внес и забыл». Т. к. химически активное вещество частиц капсулированных удобрений изолировано инертной полимерной пленкой, композиция может вноситься в почву во время посева вместе с семенами с/х культур без вреда для них, что позволяет расположить удобрение в непосредственной близости от растения и таким образом уменьшить время контакта с почвой и потери ПВ, а также позволяет сократить число производственных операций в поле и соответственно затраты на подготовку и применение удобрения.

Параметрическая система минеральных удобрений с управляемым растворением и высвобождением ПВ является сложным, высокотехнологичным химическим продуктом, разработка которого включает 2 этапа:

1. Разработка индивидуальных капсулированных удобрений с контролируемым растворением и высвобождением ПВ.

2. Разработка многокомпонентной параметрической системы удобрений с управляемым растворением.

Каждый этап включает выполнение программ научно-исследовательских работ (далее - НИР) в областях физики/химии и агрономии/почвоведения.

Задача. Создать высокоэффективный, конкурентоспособный коммерческий продукт, функциональная и эксплуатационная ценность которого превосходит добавленную стоимость его производства.

Этап 1. Программа физико-химических НИР по разработке и испытаниям индивидуальных капсулированных минеральных удобрений с заданными параметрами контролируемого растворения включает разделы:

1.1. Постановка задачи. Например:

- увеличение продолжительности полного растворения капсулированного удобрения в несколько (от 3 до 20) раз по сравнению с исходным традиционным удобрением;

- S-образная кинетика с определенными параметрами растворения и формой.

1.2. Разработка формулы продукта.

Кинетические параметры растворения и высвобождения ПВ индивидуальных капсулированных удобрений определяются следующими факторами. 1.2.1. Параметрами полимерного материала капсулы:

- типом и химической природой пленкообразующего полимера, например, используются полиэфиры, азотсодержащие и элементоорганические полимеры, эфиры целлюлозы, полиолефины, синтетические и природные каучуки и др.;

- физическими свойствами полимерной пленки-мембраны (прочность, плотность, проницаемость, эластичность, износостойкость и др.);

- толщиной слоя покрытия и количеством слоев;

- наличием, природой, структурой и свойствами адгезионных, промежуточных слоев на границе раздела между поверхностью частиц и полимерной оболочкой.

1.2.2. Параметрами исходного традиционного удобрения:

- химической природой удобрения, его химическими свойствами и активностью;

- физическими свойствами (плотность, прочность, растворимость и пр.);

- размером и формой частиц удобрения;

- состоянием и структурой поверхности частиц (шероховатость, микрорельеф, микродефекты и пр.).

На основании поставленной задачи и факторов, определяющих параметры растворения капсулированного удобрения, выбираются и обосновываются:

- исходное традиционное удобрение для капсулирования (химическая природа, формула, размер, форма частиц и пр.), например, азотное удобрение мочевина (карбамид), CO(NH)₂, гранулированные сферические частицы диаметром 2-4 мм;

- пленкообразующий полимер (вид, природа, свойства, количество и пр.), например, полиуретановые (далее - ПУ) эластомеры, от 3 до 20% вес. к весу удобрения.

1.3. Разработка технологии капсулирования [1,2].

Эффективными технологиями для капсулирования твердых порошкообразных минеральных удобрений разного гранулометрического состава являются физико-химические методы нанесения полимерных пленочных покрытий из раствора, такие, например, как коацервация и испарение растворителя.

1.3.1. Выбор и обоснование технологии нанесения ПУ эластомерных пленочных покрытий на частицы гранулированной порошкообразной мочевины.

1.3.2. Отработка технологических режимов выбранного метода:

- количество и продолжительность стадий технологического процесса нанесения полимерного покрытия;

- последовательность стадий;

- температура и давление на стадиях технологического процесса;

- способы и режимы создания адгезионных и промежуточных граничных слоев;

- режимы вспомогательных процессов и пр.

Учитывая свойства исходного традиционного удобрения, варьируя параметрами полимерного покрытия и режимами стадий технологического процесса его нанесения, задаются параметры растворения индивидуального капсулированного удобрения с контролируемым высвобождением ПВ. Так, например, при изменении толщины полимерной оболочки капсулы или количества слоев покрытия, изменяется продолжительность и динамика изменения скорости растворения капсулированного удобрения. Управление эластичными свойствами полимерной оболочки необходимо для обеспечения постоянного медленного и диффузионного механизма высвобождения растворенных ПВ удобрения из капсулы без ее разрушения, коэффициент удлинения полимера должен быть не менее 100%. Адгезия покрытия к поверхности частиц, наличие и свойства граничных слоев обусловливают время задержки растворения (параметры лаг-периода) и кинетику растворения капсулированного удобрения.

1.4. Первичные физико-химические испытания капсулированных продуктов:

- получение точных, объективных качественных и количественных характеристик процесса растворения капсулированного удобрения в воде и водных средах с помощью электрохимических методов, таких как кондуктометрия, потенциометрия;

- анализ, сравнение с параметрами растворения исходного удобрения;

- выбор капсулированного удобрения для агрономических и почвенных испытаний. В области агрономии/почвоведения разрабатывается и реализуется совместная

программа НИР с с/х научными организациями и агропредприятиями, которая включает:

1.5. Определение видов с/х культур и условий выращивания для испытаний и промышленного применения индивидуальных капсулированных удобрений.

1.6. Лабораторные исследования и натурные испытания образцов и партий капсулированных удобрений для различных почв, с/х культур, условий выращивания. На основании агрономических и почвоведческих испытаний определяются версии

капсулированных продуктов для промышленного производства и применения в качестве индивидуального удобрения с контролируемым растворением и/или в качестве компонента параметрической системы.

Этап 2. Разработка и испытания многокомпонентной параметрической системы минеральных удобрений с управляемым растворением.

Программа физико-химических НИР включает разделы:

2.1. Постановка задачи. Например:

- создание комплекта удобрений генеральной системы с широким временным интервалом области управления параметрами растворения, в который вписываются кинетические параметры вегетации большого числа с/х культур.

2.2. Разработка первичной формулы продукта, прототипа Системы:

- выбор с/х культур и определение области кинетических параметров их роста;

- определение временного интервала области управления растворением Системы удобрений на основе области параметров роста выбранных с/х культур;

- определение и выбор оптимального количества удобрений в комплекте генеральной системы;

- определение диапазона и временного шага продолжительности полного растворения удобрений комплекта генеральной системы;

- расчет кинетических параметров растворения индивидуальных удобрений комплекта прототипа генеральной системы;

- расчет кинетических параметров области управления растворением прототипа генеральной системы удобрений;

- определение и выбор окончательного состава и количества удобрений Системы. 2.3. Разработка индивидуальных капсулированных удобрений для комплекта генеральной системы по рассчитанным кинетическим параметрам растворения:

- формулы продуктов: вид покрытия, толщина слоя, промежуточные слои и пр.;

- метод капсулирования, технологические режимы и пр.

2.4. Разработка алгоритма управления питанием и развитием растений через управление растворением параметрической системы удобрений:

- разработка компьютерной программы управления растворением Системы;

- разработка алгоритма оптимизации питания с/х культур, синхронизации процессов растворения/подачи ПВ композиций Системы удобрений и роста/питания растений.

2.5. Первичные физико-химические испытания Системы удобрений.

- получение точных, объективных качественных и количественных характеристик процесса растворения в воде и водных средах различных систем и композиций удобрений с помощью электрохимических методов;

- определение функциональной зависимости параметров растворения композиции удобрений от состава и соотношения компонентов.

В области агрономии/почвоведения программа НИР 2-го этапа включает:

2.6. Лабораторные исследования и натурные испытания рассчитанных композиций удобрений для различных с/х культур, почв и условий выращивания.

На основании физико-химических и агрономических испытаний и исследований, производится корректировка параметров растворения индивидуальных капсулированных удобрений, оптимизация состава прототипа Системы и определяется окончательный набор удобрений генеральной системы с заданным диапазоном, шагом и формой кинетической области управления растворением. Критерием выбора удобрений для комплекта генеральной системы является синергетический, взаимоусиливающий и взаимодополняющий эффект их совместного применения, который в данном случае выражается в способности параметрической системы удобрений оптимизировать с высокой точностью питание и развитие как можно большего количества различных видов с/х растений в широком диапазоне условий выращивания и воздействия окружающей среды.

Важным фактором развития мировой экономики сегодня является внедрение новых ресурсосберегающих технологий, одним из базовых элементов которых в сельском хозяйстве является «Точное земледелие», представляющее собой интегрированный процесс управления ростом растений в соответствии с их потребностями [12, 13, 14]. Точная и быстрая настройка параметров растворения параметрической системы минеральных удобрений, особенно при применении в составе такой современной ресурсосберегающей технологии как «Точное земледелие», позволит обеспечить высокую эффективность использования ПВ удобрения, оптимальное питание и развитие растения в течение всего вегетационного периода, и в итоге высокую урожайность с/х культуры, высокое качество продуктов и сохранение окружающей среды.

Литература и источники информации.

1. Солодовник В.Д. Микрокапсулирование. - М: Химия, 1980.

2. Microencapsulation: Methods and Industrial Applications, Second Edition. 1996.

3. US 6358296 Patent. 2003. Slow-release polyurethane encapsulated fertilizer using oleo polyols.

4. US 7267707 Patent. 2007. Polyurethane encapsulated fertilizer.

5. US 6663686 Patent. 2003. Controlled release fertilizer and method for production thereof.

6. M.E. Trenkel. «Slow- and Controlled-Release and Stabilized Fertilizers: An Option for Enhancing Nutrient Use Efficiency in Agriculture)). International Fertilizer Industry Association (IFA). Paris, France, 2010.

7. https://smartnitrogen.com

8. https://landmark.com.au>…2018-07…ESN_Polymer_Coated_Urea…

9. https://cdfa.ca.gov>is/ffldrs/pdfs/Ellison_Eric.pdf

10. https://www.slideserve.com/carol/performance-of-polymer-coated-urea-esn-as-a-nitrogen-source-for-corn

11. https://agproducts/nutrient.com>en_US>

12. http://mcx-consult.ru/d/77622/d/tochnoe-zemledelie.pdf

13. http://www.agrophys.ru/precision_agro

14. https://www.agroinvestor.ru/technologies/article/28123-precision-farming-dlya-rossiyskikh-agrariev/

15. «Агрохимия». Агропромиздат. Москва. 1989.

ПАРАМЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ С УПРАВЛЯЕМЫМ РАСТВОРЕНИЕМ И ВЫСВОБОЖДЕНИЕМ ПИТАТЕЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ И ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Фиг. 1. Кривые растворения удобрений генеральной системы.

Фиг. 2. Кривая роста растения кукуруза.

Фиг. 3. Сравнение кинетических кривых растворения традиционного азотного удобрения и роста растения.

Фиг. 4. Сравнение кинетических кривых растворения капсулированного азотного удобрения и роста растения.

Фиг. 5. Сравнение кинетических кривых растворения синхронизированной 2К-композиции капсулированных азотных удобрений и роста растения.

Фиг. 6. Полная кривая роста растения кукуруза.

Фиг. 7. Кривая растворения 2К-композиции ОПР синхронизированной с ростом растения кукуруза.

Изобретение относится к областям химического производства и сельскохозяйственного применения минеральных удобрений. Агрохимический комплекс включает комплект минеральных удобрений одного или разных видов, состоящий из традиционного У1 и нескольких капсулированных полимерными покрытиями удобрений У2, У3, У4, У5, У6, У7 с заданными кинетическими параметрами контролируемого растворения и высвобождения питательных веществ У1(t), У2(t), У3(t), У4(t), У5(t), У6(t), У7(t) и компьютерную программу управления растворением удобрений. Управление растворением удобрений осуществляют путем изменения количества, состава и соотношения компонентов композиций, представляющих собой комбинации удобрений комплекта, настраивая и кинетически согласовывая их параметры растворения с параметрами роста конкретного растения, выбирают сельскохозяйственное растение. Измеренные значения кинетических параметров роста растения переводят в относительные величины – массовые доли, приводят их к шкале измерений от 0,00 до 1,00. Аппроксимируют относительные значения параметра роста выбранного растения и рассчитывают кинетическую кривую его роста по уравнению: где: Р - масса растения в относительных величинах, масс, доля; t - время, дней; а, b, с, k, l, m - коэффициенты уравнения. Выбирают комплект удобрений, кинетические параметры растворения удобрений комплекта переводят в относительные величины – массовые доли, рассчитывают кривые растворения композиций, кинетические параметры которых сравнивают с параметрами кривой роста растения. Вычисляют ошибку аппроксимации как интегральный показатель отклонения кривых и по ее минимальному значению определяют композицию удобрений, кривая растворения которой наиболее точно совпадает с кривой роста выбранного растения. Комплекс позволяет оптимизировать питание сельскохозяйственных растений и повысить эффективность использования питательных веществ минеральных удобрений за счет синхронизации процессов растворения системы удобрений и роста растения. 7 ил.

Агрохимический комплекс управления питанием и развитием растений, включающий комплект минеральных удобрений одного или разных видов, состоящий из традиционного У1 и нескольких капсулированных полимерными покрытиями удобрений У2, У3, У4, У5, У6, У7 с заданными кинетическими параметрами контролируемого растворения и высвобождения питательных веществ У1(t), У2(t), У3(t), У4(t), У5(t), У6(t), У7(t) и компьютерную программу управления растворением удобрений, отличающийся тем, что управление растворением удобрений осуществляют путем изменения количества, состава и соотношения компонентов композиций, представляющих собой комбинации удобрений комплекта, настраивая и кинетически согласовывая их параметры растворения с параметрами роста конкретного растения, выбирают сельскохозяйственное растение, измеренные значения кинетических параметров роста растения переводят в относительные величины – массовые доли, приводят их к шкале измерений от 0,00 до 1,00, аппроксимируют относительные значения параметра роста выбранного растения и рассчитывают кинетическую кривую его роста по уравнению:

где: Р - масса растения в относительных величинах, масс, доля; t - время, дней; а, b, с, k, l, m - коэффициенты уравнения, выбирают комплект удобрений, кинетические параметры растворения удобрений комплекта переводят в относительные величины – массовые доли, рассчитывают кривые растворения композиций, кинетические параметры которых сравнивают с параметрами кривой роста растения, вычисляют ошибку аппроксимации как интегральный показатель отклонения кривых и по ее минимальному значению определяют композицию удобрений, кривая растворения которой наиболее точно совпадает с кривой роста выбранного растения.