Physikalische Eigenschaften von Düngemitteln

Die physikalischen Eigenschaften von Düngemitteln hängen von der chemischen Zusammensetzung und der Art und Weise der Produktion ab. Die wichtigsten Produkteigenschaften für Umschlag, Lagerung und Anwendung sind: 

  • Hygroskopizität 
  • Verklumpen 
  • Partikelform und Größenverteilung 
  • Partikelstärke und mechanische Beständigkeit 
  • Tendenz zur Staubentwicklung 
  • Schüttgutdichte 
  • Kompatibilität (chemisch und physikalisch)

Hygroskopizität

Luft enthält Feuchtigkeit als Wasserdampf und übt deswegen einen durch Luftfeuchtigkeit und Temperatur bestimmten Wasserdampfdruck (p H2O) aus. Warme Luft kann mehr Wasser als kalte Luft enthalten. Der Wassergehalt wird durch die relative Luftfeuchtigkeit (RH) ausgedrückt.

Hygroscopicity

Wenn die Luft mit Wasserdampf gesättigt ist, beträgt die relative Luftfeuchtigkeit 100 %; 50 % bei halber Sättigung. Wasserdampf bewegt sich sowohl vom hohen bis zum niedrigen Wasserdampfdruck. 

Bei 30˚C kann die Luft pro m3 30,4 g Wasser enthalten (100 % relative Luftfeuchtigkeit). Der Wasserdampfdruck der Luft ändert sich je nach Feuchtigkeit und Temperatur.

Critical Relative Humidity of fertilizer at 25 degrees

Alle Düngemittel sind mehr oder weniger hygroskopisch; das bedeutet, dass sie ab einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder bei einem bestimmten Wasserdampfdruck Feuchtigkeit aufnehmen. Einige hochgradig hygroskopischen Düngemittel nehmen Feuchtigkeit bei geringerer Luftfeuchte sehr viel leichter auf als andere Düngemittel. Die Wasseraufnahme erfolgt, wenn der Wasserdampfdruck der Luft über dem Wasserdampfdruck des Düngemittels liegt.

Die Feuchtigkeitsaufnahme bei der Lagerung und während der Handhabung vermindert die physikalische Qualität eines Düngemittels. Anhand der Temperatur und Feuchtigkeit der Luft und der Oberflächentemperatur des Düngemittels kann ermittelt werden, ob eine Wasseraufnahme stattfindet oder nicht. 

Üblicherweise steigt die Wasserabsorptionskurve bei niedriger Luftfeuchtigkeit (wie in der Abbildung dargestellt) langsam, aber bei einer bestimmten Luftfeuchtigkeit oder einem Luftfeuchtigkeitsbereich sprunghaft an. Diese Luftfeuchtigkeit bezeichnet man als kritische Luftfeuchtigkeit des Düngemittels. Die kritische Luftfeuchtigkeit sinkt mit steigender Temperatur. 

Eine erhebliche Wasseraufnahme hat unerwünschte Auswirkungen auf das Düngemittel:

  • Die Düngerkörner werden nach und nach weich und klebrig 
  • Das Volumen der Düngerkörner nimmt zu 
  • Düngerkörner brechen auf 
  • Ausbleichen, Farbveränderungen 
  • Geringere Kornhärte 
  • Verbackungsneigung nimmt zu 
  • Stärkere Bildung von Staub und Feinkorn 
  • Böden von Lagerhallen werden feucht und rutschig 
  • Stabilisiertes reines Ammoniumnitrat verliert seine thermische Stabilität 
  • Streufähigkeit kann beeinträchtigt werden 
  • Verstopfen von Geräten 
  • Zunahme von nicht-normgerechter Ware (off-spec)
Water Absorbtion

Ein Gemisch aus zwei Komponenten kann hygroskopischer sein als die einzelnen Komponenten selbst (siehe Grafik).

Verklumpen

Image Crystal

Die meisten Düngemittel neigen bei der Lagerung zum Verklumpen bzw. Anbacken. Dies ergibt sich auf Grund der Bildung stark kristalliner Bindungen und Adhäsionskräfte zwischen den Granulatkörnern. Daran können mehrere Mechanismen beteiligt sein; die wichtigsten sind:

  • Chemische Reaktionen im Endprodukt
  • Auflösung und Umkristallisierung von Düngemittelsalzen auf der Partikeloberfläche
  • Adhäsions- und Kapillarkräfte zwischen Flächen

Die Verklumpungsneigung wird durch mehrere Faktoren beeinflusst: 

  • Luftfeuchtigkeit 
  • Temperatur und Umgebungsdruck 
  • Feuchtigkeitsgehalt des Produktes 
  • Kornhärte und Form von Partikeln 
  • Chemische Zusammensetzung 
  • Lagerdauer 

Die Verklumpungsneigung bleibt gering, wenn diese Parameter kontrollierbar sind. Darüber hinaus müssen häufig entsprechende Mittel zur Verklumpungsverhinderung beigefügt werden. Calciumnitrat besitzt eine geringe Verklumpungsneigung, bei NPK-Dünger, Ammoniumnitrat und Harnstoff tritt diese jedoch häufiger auf. Das Coating von Düngemitteln reduziert die Wasseraufnahme.

Partikelform und Größenverteilung

Tröpfchenförmige Düngemittelpartikel (sog. Prills) besitzen eine glatte und glasartige Oberfläche. Die Oberfläche von Granulaten kann sehr unterschiedlich ausgebildet sein; in der Regel sind Granulate rauer und unebener als Prills Die Farbe der Partikeloberfläche kann je nach den im Prozess verwendeten Rohstoffen oder durch mineralische oder organische Pigmente, die den Partikeln zur Färbung zugesetzt wurden, variieren. 

Die Partikelgrößenverteilung spielt für die Streu- und Trenneigenschaften eine wichtige Rolle. Das ist besonders dann wichtig, wenn sich die Komponente in Schüttgutmischungen befindet.

Partikelstärke und mechanische Beständigkeit

Image Particle strength

Je nach der chemischen Zusammensetzung kann die Bruchfestigkeit von Düngemittelpartikeln sehr stark variieren. Die für verschiedene Düngemittelarten gemessene Bruchfestigkeit ist in der Tabelle aufgeführt. Die Wasseraufnahme hat negative Auswirkungen auf die meisten Düngemittel. Partikel können klebrig werden und sich auflösen. 

Die mechanische Beständigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Düngemittels, den in der Umschlagskette auf ihn einwirkenden Belastungen zu widerstehen. Die mechanische Beständigkeit hängt von der Oberflächenstruktur und Partikelfestigkeit ab.

Staubentwicklung

0.16.1 Bild StaubentwicklungEine hohe Konzentration von Düngemittelstäuben kann zu Belastungen am Arbeitsplatz führen. Deswegen gelten in den meisten Ländern gesetzlich vorgeschriebene Höchstwerte für die Staubentwicklung bei Umschlagsaktivitäten. Staub entwickelt sich normalerweise während der Handhabung aus:

• Wasseraufnahme
• Schlechte Oberflächenstruktur und geringe Kornhärte
• Niedrige mechanische Beständigkeit
• Mechanische Beanspruchungen in der Umschlagskette
• Abnutzung und Verschleiß von Ausrüstungen (Abstreifern, Schneckenaufgebern usw.). Siehe auch „Verhindern von Staubentwicklung“.

Schüttgutdichte

Die Schüttgutdichte bzw. das Volumengewicht (kg/m3) ist je nach Düngemittelart unterschiedlich. Schwankungen in der Partikelverteilung durch Segregation beeinflussen die Schüttgutdichte. Für die mechanische Verteilung ist es wichtig, Schwankungen innerhalb eines bestimmten Produkts so niedrig wie möglich zu halten.

Kompatibilität (chemisch und physikalisch)

Bei der Kompatibilität geht es vor allem um das Vermischen verschiedener Düngemittel, Kreuzkontamination und andere Probleme in Bezug auf Sicherheit und/oder Qualität, z. B. Verklumpungen, Aufweichen, Staubentwicklung und (im Falle von Ammoniumnitrat) Verlust an Beständigkeit gegenüber thermischen Zyklen.

Image compatibility matrix