Mức độ kết khối phân bón được xác định thông qua lực liên kết kết khối, chính là lực liên kết giữa các hạt sản phẩm với nhau hoặc với các thành phần bột mịn, tinh thể muối trên lớp bề mặt hạt... theo 3 dạng liên kết chính là liên kết tiếp xúc pha rắn, liên kết tiếp xúc pha lỏng và liên kết tiếp xúc kết dính [22,80,86].
- Liên kết tiếp xúc pha rắn là một dạng liên kết cầu tinh thể tại các điểm tiếp xúc giữa các hạt với nhau. Kết khối do liên kết tiếp xúc pha rắn là dạng kết khối có ảnh hưởng lớn nhất vì trong quá trình lưu kho luôn tiềm ẩn các nguyên nhân gây ra các phản ứng trung gian liên tiếp, các quá trình hút ẩm/hoà tan/tái kết tinh và các quá trình hóa lý khác tạo ra các liên kết pha rắn mới. Sản phẩm bị kết khối trong trường hợp này không những không còn độ rời ban đầu mà có thể còn bị biến dạng hoàn toàn. Tuy nhiên, khi sản phẩm được bảo quản trong các điều kiện phù hợp về nhiệt độ và độ ẩm của môi trường để hạn chế sự hút ẩm, hòa tan và tái kết tinh trên bề mặt hạt thì khả năng xảy ra kết khối do liên kết tiếp xúc pha rắn cũng được hạn chế theo.
- Liên kết tiếp xúc pha lỏng là dạng liên kết do sự hình thành và khuếch tán của tổ hợp muối – nước trên bề mặt hạt; không những phụ thuộc
Wcr, %
Hình 1. 3. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa điểm hút ẩm và độ ẩm tối đa
cho phép của phân bón [28]
vào bản chất hóa học của phân bón, cấu trúc xốp của hạt mà còn phụ thuộc vào độ ẩm của sản phẩm, nhiệt độ và độ ẩm của môi trường. Khi sản phẩm có hàm ẩm vượt độ ẩm tới hạn (độ ẩm ngưỡng cho phép) Wc thì dù không tiếp xúc với không khí ẩm của môi trường, trên bề mặt hạt đã có xu hướng hình thành các tổ hợp muối - nước có khả năng tự dịch chuyển, tạo ra các biến vị phẳng làm thay đổi cấu trúc và hình
dạng hạt hoặc các liên kết pha lỏng tại vị trí mới. Khi tiếp xúc với môi trường có nhiệt độ và độ ẩm thay đổi, liên kết pha lỏng dễ dàng chuyển dần thành liên kết pha rắn. Do vậy, liên kết tiếp xúc pha lỏng có mức độ ảnh hưởng đến tính kết khối của sản phẩm cũng không kém so liên kết tiếp tiếp xúc pha rắn và là xuất phát điểm của sự hình thành liên kết cầu tinh thể .
- Liên kết tiếp xúc kết dính là kết quả của quá trình hấp dẫn vật lý giữa các hạt với nhau tại các vị trí tiếp xúc mà động lực của quá trình là lực Van der Waals, đặc trưng bởi số lượng và mật độ tiếp xúc giữa các hạt cũng
như ứng suất tác động lên sản phẩm trong quá trình bảo quản. Sản phẩm bị kết khối do liên kết tiếp xúc kết dính có thể khôi phục lại độ rời ban đầu dưới tác động của một lực va đập nhẹ. Đối với sản phẩm có độ phân tán và tính linh động ổn định thì chiều cao xếp khối trong kho bảo quản là yếu tố quyết định cường độ của lực liên kết tiếp xúc kết dính. Tuy nhiên, để giảm chiều cao xếp khối trong bảo quản thì phải tăng diện tích kho chứa nhiều lần nên để hạn chế ảnh hưởng của liên kết kết dính, cách tốt nhất là giảm mật độ tiếp xúc bề mặt bằng các biện pháp khác nhau; trong đó quan trọng nhất là hạt sản phẩm phải có tính đồng nhất về hình dáng, kích cỡ và độ thuần của bề mặt hạt – các yếu tố liên quan đến phương pháp và quá trình tạo hạt.
1.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến tính kết khối của phân bón [80,86]
- Độ ẩm của phân bón cũng như độ phân bố ẩm trong thể tích hạt là yếu tố quan trọng thứ nhất có ảnh hưởng lớn đến tính kết khối của phân bón.
Sự chênh lệch độ ẩm trong và ngoài thể tích hạt là động lực của quá trình hút
ẩm theo nguyên lý khuếch tán. Độ ẩm cao thúc đẩy sự hình thành pha dung dịch – giai đoạn trung gian của các quá trình hoà tan – kết tinh – kết khối.
Chính vì thế việc sấy sản phẩm đến độ ẩm tới hạn cho phép và đảm bảo độ ẩm được phân bố thống nhất trong khối hạt có ý nghĩa quan trọng trong việc hạn chế hiện tượng kết khối sản phẩm sau này.
Mỗi dạng phân bón có một yêu cầu về độ ẩm tới hạn cho phép Wc khác nhau, phụ thuộc vào điểm hút ẩm (h) của phân bón đó. Nếu xác định được điểm hút ẩm của một loại phân bón, bằng phương pháp nội suy theo đồ thị (hình 1.3), ta có thể xác định được độ ẩm tối đa cho phép đối với loại phân bón đó trong quá trình bảo quản.
Hàm lượng ẩm tối đa cho phép đối với các dạng phân bón dạng hạt được trình bày trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Độ ẩm cho phép tối đa của một số dạng phân bón khi bảo quản [22]
TT Chủng loại phân bón Độ ẩm giới hạn cho phép
của sản phẩm Wc, % 1 NH4NO3, (NH2)2CO, (NH4)2SO4, Ca(NO3)2
và KCl 0 - 5
2 Phân hỗn hợp có chứa NH4NO3 và (NH2)2CO 0,5 – 1,5 3 Phân hỗn hợp với tỷ lệ N : P2O5 > 1 : 1, không
chứa NH4NO3 và (NH2)2CO 1,0 – 1,5 4 Phân hỗn hợp với tỷ lệ N : P2O5 < 1 : 1, không
chứa NH4NO3 và (NH2)2CO 1,5 – 2,0 5 Phân hỗn hợp chứa supephotphat, không chứa
hoặc chứa lượng nhỏ nitơ > 2,0
- Tính hút ẩm của phân bón là yếu tố quan trọng thứ hai ảnh hưởng đến khả năng kết khối của sản phẩm. Trong môi trường không khí có độ ẩm tương đối cao hơn độ ẩm tương đối tới hạn của phân bón ( > h), quá trình hút ẩm trước tiên xảy ra trên bề mặt hạt/khối hạt, sau đó theo bán kính từ ngoài vào tâm, kết quả là hạt/khối hạt sẽ dần dần đạt tới trạng thái bão hoà về độ ẩm.
Khả năng hút ẩm của một số dạng phân bón sau khi được bảo quản 72 h ở nhiệt độ 30oC và trong môi trường có độ ẩm tương đối 80% được trình bày trong bảng 1.4.
- Kích thước, hình dạng, độ bền và cấu trúc của các hạt cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính kết khối của phân bón. Nếu các hạt có kích cỡ tương đối lớn, độ đồng đều cỡ hạt cao hoặc nếu các hạt có độ bền cơ
học cao, ít bị vỡ hạt do va đập hoặc mài mòn, hàm lượng hạt mịn và bụi trong sản phẩm thấp thì diện tích bề mặt riêng giảm và khả năng hấp thụ ẩm cũng giảm theo. Bên cạnh đó, số lượng các điểm tiếp xúc giữa các hạt liền kề và cường độ của lực liên kết do tiếp xúc bề mặt liên quan đến hình dạng hình học của hạt cũng giảm. Từ đó, tính kết khối của sản phẩm cũng được hạn chế.
Bảng 1.4. Khả năng hút ẩm của một số dạng phân bón sau 72 h ở nhiệt độ 30oC và trong môi trường có độ ẩm tương đối 80% [86]
Tỷ lệ
N:P2O5:K2O Thành phần hóa học Khả năng hấp thụ ẩm, mg/cm2
21- 0 - 0 Amoni sunfat (AS) 100
0 - 0 - 60 Kali clorua (KCl) 135
18 - 46 - 0 Điamoni photphat(DAP) 175
0 - 46 - 0 Supephotphat kép (TSP) 235
10 - 10 - 10 AS, amoni photphat, KCl 270
46 - 0 - 0 Urê 350
13 - 13 - 13 AS, amoni photphat, KCl 365
13 - 13 -13 AS, amoni photphat, KCl 365
28 - 28 - 0 Urê, APP 370
- Thành phần hoá học cũng là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính kết khối của phân bón. Các phân đơn gốc nitrat như NH4NO3, Ca(NO3)2 có khả năng kết khối cao hơn nhiều so với các phân đơn gốc sunfat như (NH4)2SO4, K2SO4 hoặc gốc photphat như NH4H2PO4, (NH4)2HPO4. Chính vì thế, các loại phân bón hỗn hợp NPK có chứa NH4NO3 hoặc Ca(NO3)2 có khả năng kết khối cao hơn so với các loại phân bón hỗn hợp NPK chứa thuần tuý một dạng đạm (NH4)2SO4 hoặc NH4H2PO4 hoặc (NH4)2HPO4. Ngoài ra, nếu so sánh các dạng phân đạm thì khả năng kết khối của chúng theo thứ tự từ cao đến thấp được sắp xếp như sau:
Ca(NO3)2 NH4NO3 (NH2)2CO (NH4)2SO4
Trong đó urê (NH2)2CO là sản phẩm có tính kết khối ở mức trung bình, thấp hơn so với các muối nitrat khác.
- Nhiệt độ của sản phẩm trong thời gian lưu kho là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến tính kết khối của phân bón. Nhiệt độ cao làm tăng
khả năng khuếch tán của các phân tử muối cũng như tăng nhanh quá trình hình thành cân bằng pha lỏng – rắn trên bề mặt hạt; vì vậy khả năng kết khối tăng theo. Nhiệt độ cao cũng làm tăng khả năng xảy ra các phản ứng hoá học, trong đó có các phản ứng thoát hơi nước kèm theo các quá trình hoà tan, khuếch tán, tái kết tinh và cuối cùng là kết khối.
Theo nghiên cứu của Van Hoff, urê được đóng bao bảo quản ở nhiệt độ 50 – 70oC sẽ tạo kết khối rắn chắc [51, 86]. Khi nhiệt độ của sản phẩm càng thấp, khuynh hướng kết khối càng giảm và tốt nhất nên hạ nhiệt độ của urê xuống dưới 30oC trước khi đưa vào kho chứa. Tuy nhiên trong thực tế, yêu cầu này gần như không thể thực hiện được do liên quan đến việc hoặc phải tăng chiều cao tháp tạo hạt; hoặc phải làm lạnh sâu cho không khí trước khi tham gia trao đổi nhiệt với dịch nóng chảy trong tháp, hoặc phải bố trí thêm hệ thiết bị làm nguội cưỡng bức rất tốn kém. Riêng đối với DAP, do chỉ cần nhiệt độ sản phẩm trước khi đóng bao không quá 70oC nên việc thực hiện đơn giản và kinh tế hơn [79-81, 86].
- Khi nhiệt độ của không khí trong kho chứa tăng lên thì độ ẩm tương đối của không khí trong kho sẽ giảm xuống và quá trình hút ẩm của phân bón sẽ bị hạn chế. Vận dụng nguyên lý này, người ta có thể điều chỉnh độ ẩm tương đối của không khí trong kho chứa xuống thấp hơn độ ẩm tương đối tới hạn của phân bón để có thể bảo quản phân bón trong kho tạm thời mà không cần bao gói. Việc làm này được thực hiện bằng cách tăng và duy trì nhiệt độ không khí trong kho chứa bảo ôn ở mức 60 – 70 oC trong suốt thời gian lưu kho [80, 86].
- Tuy phân bón thường bị kết khối mạnh mẽ nhất là trong thời gian một vài ngày đầu sau khi sản xuất nhưng khi thời gian lưu giữ trong kho kéo dài, lại bị tác động của các yếu tố thời tiết xấu như sự biến động của nhiệt độ, độ ẩm không khí môi trường và trong kho chứa thì mức độ kết khối có thể tăng theo [86].
- Chiều cao xếp khối phân bón trong khi bảo quản ảnh hưởng đến ứng suất tác động lên các hạt sản phẩm ở phía dưới và số lượng và cường độ của các tiếp xúc bề mặt được hình thành. Chính vì thế, đối với mỗi dạng phân bón người ta khuyến cáo một chiều cao xếp khối phù hợp để hạn chế khả năng bị kết khối [22].