Lignin-based coatings for controlled release fertilizers by coating single superphosphate

Abstract

Pulp mills generate dissolved lignin as a by-product, which is currently burnt to produce steam and electric energy. In recent years, the price of electric energy in Uruguay has reduced as a consequence of the installation of wind farms. As a result there is a greater interest in finding more valuable applications for lignin, thus improving the efficiency of the forest value chain. In this master's thesis work single-superphosphate fertilizer was coated using lignin as the main material of the film. In this way coated controlled release fertilizers (CRF) were prepared, controlling the diffusion of phosphorus through the film. The objective of this work was to study different lignin-based coatings and the phosphorus release behaviour of the resulting fertilizer. Lignin was chemically modified to be incorporated into the coating solution. Two different groups of coating materials were prepared: 1) thermoset resin composed of hydroxymethylated lignin and phenol-formaldehyde (PF) resin, with talc as a filler; and 2) thermoplastic blend of acetylated lignin and cellulose acetate. In the first material aqueous sodium hydroxyde solution was used as a solvent, while the second was dissolved in acetone. During lignin modification several experimental conditions were tested in order to improve the resulting material. The fertilizers were submerged in water and their phosphorus fractional release curve was determined. Its behaviour adjusted well to the diffusion mechanism proposed by Shaviv et al. (2003). All tested coatings had similar phosphorus permeability values and no significant difference was found between the two groups of lignin-based materials. However, the release behaviour departs from the model during the decaying phase, because the release rate reduced long before most of the fertilizer had been released. These findings were atributed to the presence of calcium sulphate, which low solubility and slow release indirectly limit calcium phosphate monobasic dissolution. In this way the phosphorus ocluded inside the calcium sulphate matrix would not be released.

La industria de procesamiento de la celulosa genera lignina, la cual se utiliza como combustible para producir vapor y energía eléctrica. En los últimos años el precio de la energía eléctrica que obtienen los generadores se ha reducido como consecuencia de la instalación de parques eólicos. En consecuencia resulta de interés encontrar aplicaciones de mayor valor agregado para la lignina, mejorando así la eficiencia de la cadena forestal. El fertilizante superfosfato de calcio fue recubierto utilizando recubrimientos con lignina como material principal. De esta manera se prepararon fertilizantes de liberación controlada. El objetivo de este trabajo fue estudiar diferentes recubrimientos en base a lignina y el comportamiento del fertilizante recubierto al ser sumergido en agua. En la parte experimental de esta tesis la lignina fue modificada químicamente para ser incorporada eficazmente en el recubrimiento. Se ensayó con dos clases distintas de recubrimiento: 1) una resina compuesta de lignina hidroximetilada y resina fenol-formaldehído, con talco como relleno; y 2) material termoplástico compuesto de lignina acetilada y acetato de celulosa. En todos los casos se ensayaron diferentes condiciones de reacción para modificar la lignina y se seleccionó la mejor condición para preparar el recubrimiento.Los fertilizantes fueron ensayados en agua y se hizo un seguimiento de la curva de liberación de fósforo. Su comportamiento se adecuó al modelo de difusión propuesto por Shaviv et al. (2003). Todos los fertilizantes ensayados mostraron semejante magnitud en su permeabilidad al fósforo. Sin embargo, el comportamiento se alejó del modelo durante la etapa final de la liberación, porque ésta comenzó mucho antes de la que la mayor parte del fósforo hubiera sido liberado. Se atribuye este fenómeno a la presencia de sulfato de calcio, cuya baja solubilidad y lenta liberación limita indirectamente la disolución del fosfato monocálcico. De esta manera el fosfato ocluído dentro del sulfato de calcio no sería liberado.