Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Hygroscopicity and deliquescence refer to the ability of a solid to absorb air moisture in
which it dissolves and have long been recognised as properties having negative impacts on
the product quality of explosives, pharmaceuticals, and fertilisers. Contrastingly, this thesis
reconsiders and reappraises the hygroscopic effects of common mineral fertilisers, proposing
hygroscopicity to beneficially enable quick dissolution under humid air conditions in absence
of precipitation. Although precision fertilisation has improved, little is known about
the dissolution dynamics of mineral nitrogen fertilisers in the field when exposed to either
moist air or precipitation. In this thesis, dissolution rates of fertilisers based on ammonium
nitrate (Axan™) and calcium nitrate (Kalksalpeter™), and of comparable pure salts, were
recorded in a hygroscopicity test (≥90 % relative humidity at 25°C). Furthermore, dissolution
rates of the fertilisers were also studied in a rain simulation (moderate intensity). In the
hygroscopicity test, the pure reference salts had a higher hygroscopicity and shorter dissolution
time relative the fertiliser products. The ammonium nitrate-based fertiliser and the
pure ammonium nitrate salt moreover had higher dissolution rates (completely dissolved
after 5.0 and 2.3 hours) compared to the corresponding calcium nitrate fertiliser and salt
(21.1 and 4.3 hours respectively). All compounds tested dissolved within 24 hours. Endothermic
properties, i.e. heat uptake during dissolution, seemed strongly correlated to the hygroscopic
rates recorded. According to a thermodynamic calculation made, strongly endothermic
salts had higher hygroscopicity compared to those with moderate or weak endothermic
properties. In the rain simulation, the ammonium nitrate and calcium nitrate-based
fertilisers required 5 and 6.5 mm of simulated precipitation, respectively. However, a theoretic
estimation suggested less water to be sufficient at optimal application. For highly soluble
fertilisers, the time during which the fertiliser is exposed to water may be more important
from a dissolution point of view than the solubility. Considering the dissolution rates
of fertilisers reported in this work, regardless if driven by hygroscopicity or precipitation,
the limiting factor in the fertilisation system does not seem to be the dissolution but the
dilution to concentrations non-toxic for crops. Future research should focus on the transport
of dissolved nitrogen in the soil, at different soil moisture levels. Thereby, the time for a dry
solid fertiliser to dissolve and reach the root zone of a crop could be better predicted.

Ett ämnes hygroskopicitet och delikvescens är dess förmåga att absorbera fukt ur luften och
lösa sig i denna, en egenskap som i regel förknippas med kvalitetsförsämringar hos sprängmedel,
läkemedel och mineralgödselprodukter. Under nederbördsfattiga förhållanden med
tillräcklig luftfuktighet kan hygroskopiska egenskaper hos ett gödselmedel ändå vara mycket
fördelaktiga och medge en snabb upplösning, även vid avsaknad av regn. Även om precisionsgödsling
utvecklats på senare tid saknas fortfarande kunskap kring gödselmedlens upplösning
i fält vid exponering för fuktig luft eller nederbörd. I denna uppsats har upplösningshastigheter
bestämts för mineralgödselmedel baserade på ammoniumnitrat (Axan™) och
kalciumnitrat (Kalksalpeter™) samt två rena referenssalter i en hygroskopimätning (≥90 %
relativ luftfuktighet vid 25°C). Upplösningshastigheter för gödselmedel har vidare studerats
i en regnsimulering med måttlig intensitet. I hygroskopitestet hade de rena referenssalterna
högre hygroskopicitet och kortare upplösningstid än gödselprodukterna. Vidare hade det
ammoniumnitratbaserade gödselmedlet och det rena ammoniumnitratsaltet högre upplösningshastighet
jämfört med motsvarande kalciumnitratbaserade produkt och salt. Samtliga
gödselmedel och salter löstes upp genom hygroskopi inom 24 timmar under ovan givna förutsättningar.
Resultaten indikerar vidare att endoterma egenskaper, dvs. upptag av värme
under upplösningsfasen, är en viktig faktor kopplad till uppmätta hygroskopiciteter. En termodynamisk
beräkning visar att starkt endoterma salter verkar ha högre hygroskopicitet än
svagt till måttligt endoterma salter. I regnsimuleringen krävde den ammoniumnitratbaserade
gödselprodukten 5 mm simulerad nederbörd och den kalciumnitratbaserade 6,5 mm. Trots
det visade en teoretisk uppskattning att långt mindre nederbörd skulle kunna vara tillräckligt
för upplösning vid optimal applicering. För gödselmedel med hög löslighet skulle tiden under
vilken de exponeras för vatten kunna vara mer väsentlig i upplösningssynpunkt än själva
lösligheten. Oavsett om upplösningen drivs av hygroskopicitet eller nederbörd tycks den
begränsande faktorn i tillförseln av näring till grödan ej vara upplösningsfasen utan huruvida
tillräcklig utspädning kan erhållas för att undvika toxiska koncentrationer. En uppföljande
modell över transport och utspädning i markprofilen skulle behövas för att kunna uppskatta
tiden från applicering av gödselmedlet på markytan till upptag i rotzonen.