Engrais

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Contexte

L'engrais est une substance ajoutée au sol pour améliorer la croissance et le rendement des plantes. D'abord utilisée par les anciens agriculteurs, la technologie des engrais s'est considérablement développée à mesure que les besoins chimiques des plantes en croissance étaient découverts. Les engrais synthétiques modernes sont composés principalement de composés d'azote, de phosphore et de potassium auxquels sont ajoutés des nutriments secondaires. L'utilisation d'engrais synthétiques a considérablement amélioré la qualité et la quantité de la nourriture disponible aujourd'hui, bien que leur utilisation à long terme soit débattue par les écologistes.

Comme tous les organismes vivants, les plantes sont constituées de cellules. Au sein de ces cellules se produisent de nombreuses réactions chimiques métaboliques qui sont responsables de la croissance et de la reproduction. Étant donné que les plantes ne mangent pas de nourriture comme les animaux, elles dépendent des nutriments du sol pour fournir les produits chimiques de base nécessaires à ces réactions métaboliques. Cependant, l'apport de ces composants dans le sol est limité et, au fur et à mesure que les plantes sont récoltées, il diminue, entraînant une réduction de la qualité et du rendement des plantes.

Les engrais remplacent les composants chimiques extraits du sol par la croissance des plantes. Cependant, ils sont également conçus pour améliorer le potentiel de croissance du sol, et les engrais peuvent créer un meilleur environnement de croissance que le sol naturel. Ils peuvent également être adaptés au type de culture qui est cultivé. En règle générale, les engrais sont composés de composés d'azote, de phosphore et de potassium. Ils contiennent également des oligo-éléments qui améliorent la croissance des plantes.

Les principaux composants des engrais sont des nutriments essentiels à la croissance des plantes. Les plantes utilisent l'azote dans la synthèse des protéines, des acides nucléiques et des hormones. Lorsque les plantes sont carencées en azote, elles sont marquées par une croissance réduite et un jaunissement des feuilles. Les plantes ont également besoin de phosphore, un composant des acides nucléiques, des phospholipides et de plusieurs protéines. Il est également nécessaire de fournir l'énergie nécessaire pour entraîner des réactions chimiques métaboliques. Sans suffisamment de phosphore, la croissance des plantes est réduite. Le potassium est une autre substance importante que les plantes tirent du sol. Il est utilisé dans la synthèse des protéines et d'autres processus végétaux clés. Le jaunissement, les taches de tissus morts et les tiges et racines faibles indiquent tous que les plantes manquent de potassium.

Le calcium, le magnésium et le soufre sont également des matériaux importants dans la croissance des plantes. Cependant, ils ne sont inclus dans les engrais qu'en petites quantités, car la plupart des sols contiennent naturellement suffisamment de ces composants. D'autres matériaux sont nécessaires en quantités relativement faibles pour la croissance des plantes. Ces micronutriments comprennent le fer, le chlore, le cuivre, le manganèse, le zinc, le molybdène et le bore, qui fonctionnent principalement comme cofacteurs dans les réactions enzymatiques. Bien qu'ils puissent être présents en petites quantités, ces composés ne sont pas moins importants pour la croissance, et sans eux, les plantes peuvent mourir.

De nombreuses substances différentes sont utilisées pour fournir les nutriments essentiels nécessaires à un engrais efficace. Ces composés peuvent être extraits ou isolés à partir de sources naturelles. Les exemples incluent le nitrate de sodium, les algues, les os, le guano, la potasse et la roche phosphatée. Les composés peuvent également être synthétisés chimiquement à partir de matières premières de base. Ceux-ci incluraient des choses telles que l'ammoniac, l'urée, l'acide nitrique et le phosphate d'ammonium. Étant donné que ces composés existent dans un certain nombre d'états physiques, les engrais peuvent être vendus sous forme de solides, de liquides ou de boues.

Historique

Le processus d'ajout de substances au sol pour améliorer sa capacité de croissance a été développé au début de l'agriculture. Les anciens agriculteurs savaient que les premiers rendements d'une parcelle étaient bien meilleurs que ceux des années suivantes. Cela les a amenés à se déplacer vers de nouvelles zones non cultivées, qui ont à nouveau montré le même schéma de rendements réduits au fil du temps. Finalement, il a été découvert que la croissance des plantes sur une parcelle de terrain pouvait être améliorée en épandant du fumier animal dans le sol.

Au fil du temps, la technologie des engrais s'est raffinée. De nouvelles substances qui améliorent la croissance des plantes ont été découvertes. Les Égyptiens sont connus pour avoir ajouté des cendres de mauvaises herbes brûlées au sol. Les écrits grecs et romains anciens indiquent que divers excréments d'animaux ont été utilisés, selon le type de sol ou de plante cultivée. On savait également à cette époque que la culture de légumineuses sur des parcelles avant la culture du blé était bénéfique. D'autres types de matériaux ajoutés comprennent des coquillages, de l'argile, des déchets végétaux, des déchets provenant de différents processus de fabrication et d'autres déchets assortis.

La recherche organisée sur la technologie des engrais a commencé au début du XVIIe siècle. Les premiers scientifiques tels que Francis Bacon et Johann Glauber décrivent les effets bénéfiques de l'ajout de salpêtre au sol. Glauber a développé le premier engrais minéral complet, qui était un mélange de salpêtre, de chaux, d'acide phosphorique, d'azote et de potasse. Au fur et à mesure que les théories chimiques scientifiques se développaient, les besoins chimiques des plantes ont été découverts, ce qui a conduit à l'amélioration des compositions d'engrais. Le chimiste organique Justus von Liebig a démontré que les plantes ont besoin d'éléments minéraux tels que l'azote et le phosphore pour se développer. On pourrait dire que l'industrie des engrais chimiques a fait ses débuts avec un brevet délivré à Sir John Lawes, qui décrivait une méthode de production d'une forme de phosphate qui était un engrais efficace. L'industrie des engrais synthétiques a connu une croissance importante après la Première Guerre mondiale, lorsque les installations qui avaient produit de l'ammoniac et des nitrates synthétiques pour les explosifs ont été converties à la production d'engrais à base d'azote.

Matières premières

Les engrais décrits ici sont des engrais composés composés d'engrais primaires et de nutriments secondaires. Ceux-ci ne représentent qu'un seul type d'engrais, et d'autres types de nutriments simples sont également fabriqués. Les matières premières, sous forme solide, peuvent être fournies aux fabricants d'engrais en quantités en vrac de milliers de tonnes, en fûts ou dans des fûts métalliques et des conteneurs à sacs.

Les engrais primaires comprennent des substances dérivées de l'azote, du phosphore et du potassium. Diverses matières premières sont utilisées pour produire ces composés. Lorsque l'ammoniac est utilisé comme source d'azote dans un engrais, une méthode de production synthétique nécessite l'utilisation de gaz naturel et d'air. Le composant phosphore est fabriqué à partir de soufre, de charbon et de roche phosphatée. La source de potassium provient du chlorure de potassium, un composant principal de la potasse.

Des nutriments secondaires sont ajoutés à certains engrais pour les rendre plus efficaces. Le calcium est obtenu à partir de calcaire, qui contient du carbonate de calcium, du sulfate de calcium et du carbonate de calcium et de magnésium. La source de magnésium dans les engrais est dérivée de la dolomie. Le soufre est un autre matériau qui est extrait et ajouté aux engrais. Les autres matériaux extraits comprennent le fer provenant du sulfate ferreux, le cuivre et le molybdène provenant de l'oxyde de molybdène.

Le processus de fabrication

Des usines entièrement intégrées ont été conçues pour produire des engrais composés. Selon la composition réelle du produit final, le processus de production différera d'un fabricant à l'autre.

Composant d'engrais azoté

• 1 L'ammoniac est un composant d'engrais azoté qui peut être synthétisé à partir de matières premières peu coûteuses. Étant donné que l'azote constitue une partie importante de l'atmosphère terrestre, un processus a été développé pour produire de l'ammoniac à partir de l'air. Dans ce processus, le gaz naturel et la vapeur sont pompés dans un grand navire. Ensuite, de l'air est pompé dans le système et l'oxygène est éliminé par la combustion de gaz naturel et de vapeur. Cela laisse principalement de l'azote, de l'hydrogène et du dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone est éliminé et de l'ammoniac est produit en introduisant un courant électrique dans le système. Des catalyseurs tels que la magnétite (Fe ₃ O ₄ ) ont été utilisées pour améliorer la vitesse et l'efficacité de la synthèse de l'ammoniac. Toutes les impuretés sont éliminées de l'ammoniac et celui-ci est stocké dans des réservoirs jusqu'à ce qu'il soit traité davantage.
• 2 Alors que l'ammoniac lui-même est parfois utilisé comme engrais, il est souvent converti en d'autres substances pour en faciliter la manipulation. L'acide nitrique est produit en mélangeant d'abord de l'ammoniac et de l'air dans un réservoir. En présence d'un catalyseur, une réaction se produit qui convertit l'ammoniac en oxyde nitrique. L'oxyde nitrique est en outre mis à réagir en présence d'eau pour produire de l'acide nitrique.

• 3 L'acide nitrique et l'ammoniac sont utilisés pour fabriquer du nitrate d'ammonium. Ce matériau est un bon composant d'engrais car il a une forte concentration d'azote. Les deux matériaux sont mélangés dans un réservoir et une réaction de neutralisation se produit, produisant du nitrate d'ammonium. Ce matériau peut ensuite être stocké jusqu'à ce qu'il soit prêt à être granulé et mélangé avec les autres composants de l'engrais.

  

Composant d'engrais phosphoré

• 4 Pour isoler le phosphore de la roche phosphatée, il est traité avec de l'acide sulfurique, produisant de l'acide phosphorique. Une partie de ce matériau réagit davantage avec de l'acide sulfurique et de l'acide nitrique pour produire un triple superphosphate, une excellente source de phosphore sous forme solide.
• 5 Une partie de l'acide phosphorique est également mise à réagir avec de l'ammoniac dans un réservoir séparé. Cette réaction donne du phosphate d'ammonium, un autre bon engrais primaire.

Composant d'engrais potassique

• 6 Le chlorure de potassium est généralement fourni aux fabricants d'engrais en vrac. Le fabricant le convertit en une forme plus utilisable en le granulant. Cela facilite le mélange avec d'autres composants d'engrais à l'étape suivante.

Granulation et mélange

• 7 Pour produire de l'engrais sous la forme la plus utilisable, chacun des différents composés, le nitrate d'ammonium, le chlorure de potassium, le phosphate d'ammonium et le triple superphosphate sont granulés et mélangés ensemble. Une méthode de granulation consiste à mettre les matières solides dans un tambour rotatif qui a un axe incliné. Au fur et à mesure que le tambour tourne, les morceaux d'engrais solide prennent des petites formes sphériques. Ils passent à travers un tamis qui sépare les particules de taille adéquate. Une couche de poussière inerte est ensuite appliquée sur les particules, gardant chacune discrète et inhibant la rétention d'humidité. Enfin, les particules sont séchées, complétant le processus de granulation.
• 8 Les différents types de particules sont mélangés dans des proportions appropriées pour produire un engrais composite. Le mélange se fait dans un grand tambour mélangeur qui tourne un nombre spécifique de tours pour produire le meilleur mélange possible. Après le mélange, l'engrais est vidé sur un tapis roulant qui le transporte jusqu'à l'ensacheuse.

Ensachage

• 9 Les engrais sont généralement fournis aux agriculteurs dans de grands sacs. Pour remplir ces sacs, l'engrais est d'abord livré dans une grande trémie. Une quantité appropriée est libérée de la trémie dans un sac qui est maintenu ouvert par un dispositif de serrage. Le sac est sur une surface vibrante, ce qui permet un meilleur emballage. Une fois le remplissage terminé, le sac est transporté debout jusqu'à une machine qui le scelle hermétiquement. Le sac est ensuite transporté vers un palettiseur, qui empile plusieurs sacs, les préparant pour l'expédition aux distributeurs et éventuellement aux agriculteurs.

Contrôle qualité

Pour garantir la qualité de l'engrais produit, les fabricants contrôlent le produit à chaque étape de la production. Les matières premières et les produits finis sont tous soumis à une batterie de tests physiques et chimiques pour montrer qu'ils répondent aux spécifications précédemment développées. Certaines des caractéristiques testées comprennent le pH, l'apparence, la densité et le point de fusion. Étant donné que la production d'engrais est réglementée par le gouvernement, des tests d'analyse de la composition sont effectués sur des échantillons pour déterminer la teneur totale en azote, en phosphate et d'autres éléments affectant la composition chimique. Divers autres tests sont également effectués, en fonction de la nature spécifique de la composition de l'engrais.

Sous-produits/Déchets

Une quantité relativement faible de l'azote contenu dans les engrais appliqués au sol est en fait assimilée par les plantes. Une grande partie est emportée dans les plans d'eau environnants ou s'infiltre dans les eaux souterraines. Cela a ajouté des quantités importantes de nitrates à l'eau qui est consommée par le public. Certaines études médicales ont suggéré que certains troubles des systèmes urinaire et rénal sont le résultat d'un excès de nitrates dans l'eau potable. On pense également que cela est particulièrement nocif pour les bébés et pourrait même être potentiellement cancérigène.

Les nitrates contenus dans les engrais ne sont pas considérés comme nocifs en eux-mêmes. Cependant, certaines bactéries du sol transforment les nitrates en ions nitrites. La recherche a montré que lorsque les ions nitrite sont ingérés, ils peuvent pénétrer dans la circulation sanguine. Là, ils se lient à l'hémoglobine, une protéine responsable du stockage de l'oxygène. Lorsqu'un ion nitrite se lie à l'hémoglobine, il perd sa capacité à stocker l'oxygène, ce qui entraîne de graves problèmes de santé.

Les nitrosamines sont un autre sous-produit potentiel des nitrates dans les engrais. Ils sont le résultat d'une réaction chimique naturelle des nitrates. Il a été démontré que les nitrosamines provoquent des tumeurs chez les animaux de laboratoire, alimentant la peur que la même chose puisse se produire chez les humains. Il n'y a cependant eu aucune étude qui montre un lien entre l'utilisation d'engrais et les tumeurs humaines.

Le futur

La recherche sur les engrais se concentre actuellement sur la réduction des impacts environnementaux néfastes de l'utilisation des engrais et sur la recherche de nouvelles sources d'engrais moins chères. De telles choses qui sont étudiées pour rendre les engrais plus respectueux de l'environnement sont les méthodes d'application améliorées, la fourniture d'engrais sous une forme moins sensible au ruissellement et la fabrication de mélanges plus concentrés. De nouvelles sources d'engrais sont également à l'étude. Il a été constaté que les boues d'épuration contiennent de nombreux éléments nutritifs nécessaires à un bon engrais. Malheureusement, il contient également certaines substances telles que le plomb, le cadmium et le mercure à des concentrations qui seraient nocives pour les plantes. Des efforts sont en cours pour éliminer les éléments indésirables, faisant de ce matériau un engrais viable. Une autre source en cours de développement est le fumier. Les premiers engrais étaient des engrais, cependant, ils ne sont pas utilisés à grande échelle car leur manipulation s'est avérée trop coûteuse. Lorsque la technologie s'améliorera et que les coûts seront réduits, ce matériau deviendra un nouvel engrais viable.