РЕНТГЕНОДИФРАКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ МИНЕРАЛЬНЫХ УДОБРЕНИЙ КАЛИЙНО-ФОСФОРНОЙ ГРУППЫ

АННОТАЦИЯ

В данной статье обосновывается необходимость оценки качества и анализа состава важнейших минеральных удобрений, широко применяемых в сельском хозяйстве — аммоний дигидрофосфат (NH₄H₂PO₄) и хлорид калия (KCl), а также актуальность контроля их качества. В ходе исследования для анализа были отобраны образцы минеральных удобрений и изучены с использованием современного физико-химического метода — дифрактометрического анализа. Для эксперимента применялся дифрактометр DRAWELLAL-27MINI, что позволило получить точные и достоверные результаты. Полученные дифрактограммы сопоставлялись с базой данных по минеральным удобрениям, что позволило определить основные компоненты образцов. Результаты показали, что в образце хлорида калия (KCl) основным компонентом является сам хлорид калия с содержанием 97%, а в образце аммоний дигидрофосфата ((NH₄)H₂PO₄) основным компонентом является аммоний фосфат с содержанием 98%. Для получения достоверных данных химического анализа удобрений были выбраны оптимальные параметры дифрактометрического анализа. Полученные результаты подтверждают соответствие удобрений требованиям качества и высокую эффективность дифрактометрического метода при их производстве и применении в сельскохозяйственной практике.

ABSTRACT

This article substantiates the necessity of assessing the quality and analyzing the composition of essential mineral fertilizers widely used in agriculture — ammonium dihydrogen phosphate (NH₄H₂PO₄) and potassium chloride (KCl), as well as the relevance of quality control. During the study, selected samples of mineral fertilizers were investigated using a modern physico-chemical method, namely X-ray diffractometric analysis. The experiments were conducted using the DRAWELL AL-27MINI diffractometer, which provided accurate and reliable results. The obtained diffractograms were compared with a mineral fertilizers database, allowing the identification of the main components of the samples. The results indicated that potassium chloride (KCl) samples contained potassium chloride as the main component at 97%, while ammonium dihydrogen phosphate ((NH₄)H₂PO₄) samples contained ammonium phosphate as the main component at 98%. Optimal parameters of diffractometric analysis were selected to obtain reliable data for the chemical analysis of fertilizers. The results confirm that the fertilizers meet quality requirements and demonstrate the high efficiency of the diffractometric method in production and agricultural applications.

Ключевые слова: минеральные удобрения; хлорид калия; дигидрофосфат аммония; рентгеновская дифракция; фазовый анализ; контроль качества.

Keywords: mineral fertilizers; potassium chloride; ammonium dihydrogen phosphate; X-ray diffraction; phase analysis; quality control.

ВВЕДЕНИЕ

Минеральные удобрения для сельского хозяйства играют важную роль в повышении урожайности. Контроль их качества является ключевым фактором в повышении производительности сельского хозяйства и обеспечении экологической устойчивости. Различные исследования показали, что для эффективного использования удобрений необходимо заранее определить их состав, физико-химические свойства и степень загрязнения [1].

При изучении структуры минеральных удобрений широко используются современные аналитические методы, в частности, дифракция рентгеновских лучей (XRD). Этот метод позволяет определить кристаллическую структуру веществ, существуют ли они в чистом или смешанном виде [2]. Например, многие источники утверждают, что с помощью дифрактометрических приборов, таких как DrawellAL-27mini, можно быстро и точно проанализировать качество минеральных удобрений [3].

Поэтому в научной литературе широко обсуждается вопрос введения контроля качества и определения их соответствия стандартам с помощью дифрактометрического анализа [4].

Кроме того, при химическом анализе минеральных удобрений широко применяются инфракрасная спектроскопия (ИК), атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС) и другие физико-химические методы исследования. Данные методы имеют важное значение для определения элементного состава удобрений, а также выявления присутствующих соединений и добавок [6].

В ряде исследований, проведённых в Узбекистане и за рубежом, отмечена высокая эффективность дифрактометрических методов при оценке качества фосфорных, азотных и калийных удобрений. Использование этих методов позволяет получать информацию не только о количественных, но и о качественных характеристиках исследуемого продукта [7].

Согласно данным научной литературы, качество минеральных удобрений оказывает непосредственное влияние на круговорот питательных элементов в почве. В связи с этим в агропромышленном производстве достижение стабильных урожаев возможно лишь при условии регулярного и систематического контроля состава и качества применяемых удобрений [8].

В зарубежных исследованиях важным критерием рассматривается соответствие результатов XRD-анализа международным стандартам. В частности, отмечается, что международная система сертификации предъявляет строгие требования к кристаллической структуре удобрений и их составу из чистых веществ [9].

Кроме того, путём сравнительного анализа различных видов минеральных удобрений были выявлены их качественные различия. В частности, показано, что с использованием дифрактометра возможно получение детальной информации об основном фазовом составе фосфорных и аммонийных удобрений [10].

В качестве еще одного направления с точки зрения экологической безопасности актуален вопрос обнаружения в минеральных удобрениях тяжелых металлов и вредных примесей. Сочетание дифрактометрических и спектрометрических методов позволяет эффективно решать эти задачи [11].

Несмотря на наличие значительного числа публикаций, посвящённых анализу минеральных удобрений, исследования, ориентированные на использование мини-дифрактометров для оперативного фазового анализа калийно-фосфорных удобрений, остаются ограниченными.

В связи с этим целью настоящей работы является оценка возможностей рентгенодифракционного анализа для контроля качества хлорида калия и дигидрофосфата аммония, применяемых в сельском хозяйстве.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Объекты исследования

В качестве объектов исследования использовались коммерческие образцы минеральных удобрений калийно-фосфорной группы: хлористый калий (KCl) и фосфорное удобрение, основным компонентом которого является дигидрофосфат аммония (NH₄H₂PO₄).

Подготовка образцов

Перед проведением рентгенодифракционного анализа образцы подвергались механическому измельчению до порошкообразного состояния с размером частиц 5–10 мкм. Данный диапазон размеров обеспечивает снижение эффектов текстурирования и улучшает воспроизводимость дифракционных данных. При наличии остаточной влаги образцы предварительно высушивались при контролируемой температуре.

Методика рентгенодифракционного анализа

Дифрактометрические исследования проводились на порошковом мини-дифрактометре Drawell AL-27Mini. Съёмка дифрактограмм осуществлялась в диапазоне углов 2θ от 10° до 80° с шагом 0,05° и временем экспозиции 0,05 с на шаг. Мощность рентгеновской трубки составляла 40 Вт. Анализ выполнялся при температуре 23,6 °C и относительной влажности воздуха 47 %.

Идентификация фаз проводилась путём сопоставления экспериментальных данных с эталонными дифрактограммами международной базы данных PDF. Оценка относительного содержания фаз осуществлялась на основе интенсивностей характерных дифракционных пиков.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В данной работе с помощью дифрактометрического анализа изучен фазовый состав удобрений хлорид аммофос((NH₄)₂HPO₄ и NH₄H₂PO₄) и калия (KCl) и анализы проводились в соответствии с заданными техническими параметрами (см. таблица 1).

На рисунке 1 приводится дифрактограмма дигидрофосфата аммония

Рисунок 1. Дифрактограмма дигидрофосфата аммония

По результатам дифрактометрического анализа в сравнении с базой данных минеральных удобрений аммофос. Сравнение полученной дифрактограммы с данными международной базы PDF показало, что основной кристаллической фазой является фосфат аммония (NH₄H₂PO₄), содержание которого достигает 97-98%. Наблюдаемые интенсивные дифракционные пики полностью соответствуют эталонным значениям межплоскостных расстояний, при этом отношение экспериментального значения d к теоретическому d₀ составляет 1,000, что свидетельствует о высокой степени кристалличности и чистоты исследуемого образца.

Также было показано, что дигидрофосфат калия-аммония также может присутствовать в небольших количествах в аммофосе.

На рисунке 2 приводится дифрактограмма хлорида калия

Рисунок 2. Дифрактограмма хлорида калия

Дифрактограма образца хлорида калия демонстрирует характерный набор пиков, соответствующих фазе сильвина (KCl).

При сравнении с базой данных минеральных удобрений хлористого калия (KCl) по результатам XRD анализа было показано, что основным компонентом является хлорид калия (KCl) в количестве 97-98% от общего фазового состава.

Экспериментальные значения межплоскостных расстояний полностью согласуются с эталонными данными.

В XRD - спектре также были зафиксированы слабовыраженные пики, относящиеся к посторонним фазам, таким как соединения бария и титана, что вероятно связано с технологическими примесями. Их содержание является минимальным и соответствует требованиям, предъявляемым к калийным удобрениям сельскохозяйственного назначения.

Таким образом, полученные результаты подтверждают высокую информативность рентгенодифракционного анализа при контроле качества минеральных удобрений. Метод позволяет эффективно идентифицировать основные кристаллические компоненты, оценивать степень их чистоты и выявлять наличие примесных фаз без применения химических реагентов. Использование компактного дифрактометра DrawellAL-27Mini делает XRD особенно перспективным для оперативного анализа в условиях производства.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе показано, что метод рентгеновской дифракции является надёжным и эффективным инструментом анализа фазового состава калийно-фосфорных минеральных удобрений. Установлено, что исследуемые образцы хлорида калия и дигидрофосфата аммония характеризуются высокой кристаллической чистотой, при этом содержание основных фаз составляет 97–98 %. Высокая степень совпадения экспериментальных и эталонных дифракционных данных свидетельствует о качестве и стабильности исследуемых продуктов.

Результаты исследования подтверждают целесообразность внедрения рентгенодифрактометрического анализа в систему контроля качества минеральных удобрений. Применение компактных дифрактометров позволяет проводить экспресс-анализ без разрушения образцов и использования химических реагентов, что соответствует современным требованиям экологической и технологической безопасности.

Список литературы:

1. Sary D. H., Abd El-Aziz M. E., et al. Synthesis and characterization of nano-micronutrient fertilizers and its effect on nutrient availability and maize (Zea mays L.) productivity in calcareous soils // Scientific Reports. – 2025. – DOI: 10.1038/s41598-025-11273-7.
2. Crainic R., Nagy E. M., Fodorean G., Vasilescu M., Pascuta P., Popa F., Fechete R. Advanced Nuclear Magnetic Resonance, Fourier Transform–Infrared, Visible–NearInfrared and X-ray Diffraction Methods Used for Characterization of Organo-Mineral Fertilizers Based on Biosolids // Agriculture. – 2024. – Vol. 14, No. 10. – Art. 1826. – DOI: 10.3390
3. Mazeika R., Dambrauskas T., Baltakys K., Mikolajunas M., Staugaitis G., Virzonis D., Baltrusaitis J. Molecular and Morphological Structure of Poultry Manure Derived Organo-Mineral Fertilizers (OMFs) // ACS Sustainable Chemistry & Engineering. – 2016. – Vol. 4, No. 9, pp. 4788–4796. DOI: 10.1021.
4. Rajonee A. A., Zaman S., Huq S. M. I. Preparation, characterization and evaluation of efficacy of phosphorus and potassium incorporated nano fertilizer // Advances in Nanoparticles. – 2017. – Vol. 6, No. 2. – P. 62–74.
5. Ferreira F. F., Pereira A. P. C., Reis I. B., Sasaki B. R. S., Fávaro W. J., Durán N. Quantitative phase analysis of commercial ammonium phosphates by PXRD for application in biological systems // Powder Diffraction. – 2023. – Cambridge University Press.
6. Netto-Ferreira J. B., Gabetto F. P., Araujo A. C. M., Dias R. C., Sobrinho N. M. B. A., Zonta E. Combining biosolid and mineral sources of phosphorus and potassium in organomineral fertilizers influences the dynamics and efficiency of nutrient release // Environmental Geochemistry and Health. – 2023. – Vol. 45, No. 7. – P. 4965–4978. – DOI: 10.1007/s10653-023-01555-2..
7. Uddin M. K., Saha B. K., Wong V. N. L., Patti A. F. Organo-mineral fertilizer to sustain soil health and crop yield for reducing environmental impact: A comprehensive review // European Journal of Agronomy. – 2025. – Vol. 162. – Art. 127433. – DOI: 10.1016/j.eja.2024.127433.
8. Huang X., Wang X., Liu X., Cheng L., Pan J., Yang X. Nanotechnology in agriculture: manganese ferrite nanoparticles as a micronutrient fertilizer for wheat // Plants. – 2024. – Vol. 13, № 10. – Article 1395. – DOI: 10.3390/plants13101395.
9. Poorna Chandrika K. S. V., Patra D., Yadav P., Qureshi A., Gopalan B. Metal citrate nanoparticles: a robust water-soluble plant micronutrient source // RSC Advances. – 2021. – Vol. 11. – P. 20370–20379.
10. Viana A. R. S., Pegoraro R. F., Sampaio R. A., Fernandes L. A., Frazão L. A., Alves da Costa C., Soares V. A. S. F. Sewage sludge–based organomineral fertilizer: a pathway to enhanced soil fertility and chickpea production // International Journal of Recycling of Organic Waste in Agriculture. – 2024. – Vol. 14, № 1. – DOI: 10.57647/ijrowa-t8mj-me95.
11. Lu X., Shih K., Li X.-Y., Wang F., Liu G., Zeng E. Y. Accuracy and application of quantitative X-ray diffraction on the precipitation of struvite product// Water Research. – 2016. – Vol. 90. – P. 9–14. – DOI: 10.1016/j.watres.2015.12.014.