1 Введение
Карбамидо-аммиачная смесь (КАС) представляет собой раствор мочевины, нитрата аммония и воды, которая используется в качестве удобрения. Как быстродействующее, так и долговременное питание обеспечивается тремя формами азота. Этими формами являются азот аммония, азот нитрата и водорастворимый органический азот в составе мочевины.
Как правило, анализ КАС необходим для опредения концентрации аммиачной селитры, карбамида и общего азота. Установленные способы анализа КАС, такие как: разложение и титрование, ионная хроматография или анализ сгорания, имеют ряд недостатков. Поэтому актуален вопрос разработки нового простого надежного и точного метода для анализа кармамидо-аммиачной смеси.
Новой методикой анализа КАС является сочетание определения ее плотности и показателя преломления. Этот метод легок и безопасен, он обеспечивает точные результаты комплексного анализа в течение нескольких минут. Далее будут представлены формулы для расчета концентрации нитрата аммония, мочевины, воды и общего азота. Кроме того, были выполнены тестовые замеры для проверки корреляции между измеренными и предсказанными результатами КАС.
2 Свойства карбамидо-аммиачной смеси
Класс КАС 32 чаще всего используется в США и содержит 32% азота по массе. В Канаде из-за холодных температур более распространена карбамидо-аммиачная смесь, содержащая 26% азота по массе, так как она имеет меньшую температуру высаливания.
Примерно половина азота входит в состав мочевины, другая - входит в состав нитрата аммония. Примерно одна четвертая часть азота находится в составе аммиака, одна четвертая - в нитрате, остальная половина - это водорастворимый органический азот в составе мочевины.
КАС 32 - это прозрачная или золотистая жидкость с легким запахом аммиака и плотностью около 1,3 г/см³. Она, как правило, имеет рН около 6 и 7, незначительное давление насыщенных паров и обладает вязкостью 5,5 МПа•с.
3 Традиционные методы анализа КАС
Существует несколько способов анализа КАС, многие из которых имеют серьезные недостатки:
- Разложение и титрование: большие затраты по времени, использование жестких и потенциально опасных химических веществ, значительная вероятность человеческой ошибки.
- Ионная хроматография: дорогой метод, интенсивное техническое обслуживание, требование технических знаний.
- Анализ сгорания: трудоемкость, дороговизна, показывает только общее значение содержания азота.
4 Анализ КАС, соответствующий современным требованиям
Полный анализ КАС может быть выполнен в течение нескольких минут с помощью одновременного измерения плотности и показателя преломления. Результаты рассчитываются для аммиачной селитры, мочевины, воды и общего азота. Нет необходимости пробоподготовки или применения жестких и опасных химических веществ. Человеческий фактор минимален, измерения и расчеты выполняются автоматически.
5 Приборы
Измерения плотности проводились на плотномере Anton Paar DMA 5000M. Измерения показателя преломления проводились с помощью рефрактометра Anton Paar Abbemat RXA 170. Два прибора были подсоединены вместе так, что оба были заполнены одним образцом для одновременного измерения. Результаты и все последующие расчеты были выведены и затем автоматически перенесены в электронные таблицы.
Также возможно ввести формулы как функции пользователя в DMA M. Все рассчитанные значения концентраций будут показываться на дисплее и сохраняться во внутренней памяти.
6 Вычисления
Для расчета концентрации аммиачной смес и карбамида от значений удельного веса (SG) и показателя преломления (RI) использовались следующие формулы. Для этой формулы требуется показатели удельного веса при 15 °C/15 °C (6 0°F/60 °F) и значения показателя преломления при температуре 30 градусов C (86 °F).
7 Валидация
Раствор КАС 32 с известной концентрацией измеряли дважды, чтобы проверить обоснованность модельных расчетов.
Образец КАС 32:
SG 15 °C/15 °C = 1.3228
RI при 30 °C = 1.4565 nD
[AN] = 43.5%
[Urea] = 36.0%
[H2O] = 20.5%
Общий азот =32.1%
Раствор КАС 32 разбавляют дистиллированной водой трижды для дополнительного и более точного тестирования.
Образец 1: 4.99g H2O добавили к 50.02g КАС 32
Ожидаемый резульатат = KAC 29
Образец 2: 9.98g H2O добавили к 50.02g КАС 32
Ожидаемый резульатат = KAC 27
Образец 3: 15.02g H2O добавили к 50.02g КАС 32
Ожидаемый резульатат = KAC 25
8 Результаты
Образец 1:
SG 15 °C/15 °C = 1.2889, RI при 30 °C = 1.4430 nD
[AN] = 39.5%, [Urea] = 32.9%, [H2O] = 27.6%
Общий азот = 29.3%
Образец 2:
SG 15 °C/15 °C = 1.2615, RI при 30 °C = 1.4322 nD
[AN] = 36.2%, [Urea] = 30.5%, [H2O] = 33.3%
Общий азот = 27.0%
Образец 3:
SG 15 °C/15 °C = 1.2387, RI при 30 °C = 1.4231 nD
[AN] = 33.4%, [Urea] = 28.5%, [H2O] = 38.1%
Общий азот = 25.1%
Рис. 1 Соотношение ожидаемого и померенного общего азота
9 Выводы
Сочетание измерения плотности и показателя преломления является быстрой, легкой и безопасной альтернативой традиционным способам для определения всех представляющих интерес в образцах КАС компонентов с высокой точностью.
Результаты предлагаемой математической модели хорошо коррелируют с экспериментальными данными, обеспечивая ценный инструмент, который экономит время и защищает от возможных источников ошибок.
10 Благодарности
Anton Paar хотел бы поблагодарить Koch Industries и Dyno Nobel за их вклад в эту работу. Спасибо также Darren Scott Wilson из команды Anton Paar США за эти исследования и предоставление данных.
