مدل سازی رهش کود اوره از ماتریس اوره لیگنین اصلاح شده

نوع مقاله : مقاله شیمی

نویسندگان

1 گروه اموزشی مهندسی شیمی، دانشگاه رازی

2 دانشیار، دانشکده نفت و پتروشیمی، دانشگاه رازی

10.22075/jme.2019.15484.1538

چکیده

اوره به عنوان یکی از پرمصرف ترین کودهای کشاورزی، بالاترین میزان اتلاف نیتروژن را نیز به خود اختصاص داده است. ماتریس اوره -لیگنین اصلاح شده به عنوان یک بایوپلیمر زیست تخریب پذیر و ارزان قیمت می تواند به یک کود کنترل رهش با قابلیت تجاری شدن تبدیل شود، لذا بررسی مدل های رهش آن بسیار حائز اهمیت می باشد. با در نظر گرفتن زمان و شعاع به عنوان دو متغیر مستقل، معادله دیفرانسیل جزئی دو بعدی در مختصات کروی برای رهش اوره از ماتریس لیگنین اصلاح شده درون حجم سیال نامحدود به روش تحلیلی حل و برای رهش درون حجم سیال محدود نیز مورد بررسی قرار گرفت. جهت اعتبارسنجی مدل ها به روش آزمایشگاهی، از گرانول های کروی شکل ماتریس اوره-لیگنین اصلاح شده استفاده شد. مقادیر برابری از اوره و لیگنین اصلاح شده در حالت مذاب تهیه و با استفاده از قالب، نمونه کروی شکل تهیه گردید. میزان رهش اوره از ماتریس لیگنین اصلاح شده در آب و در زمان های مختلف به روش کجلدال اندازه گیری شد. مدل ها برای رهش درون حجم سیال نامحدود و محدود توانستند به ترتیب با R2 معادل 9967/0 و 9964/0 داده های آزمایشگاهی را پیش بینی کنند. از مدل های تجربی توانی و شوارتز اصلاح شده و همچنین از مدل پیشنهادی هیپربولیک اصلاح شده نیز برای پیش‌بینی الگوی رهش استفاده گردید که مدل تحلیلی به دست آمده برای محیط نامحدود، محدود و همچنین مدل تجربی هیپربولیک اصلاح شده به ترتیب دارای بالاترین دقت بودند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Modeling of nitrogen release in urea-modified lignin matrix

نویسندگان [English]

  • nader sadeghi 1
  • Jamshid Behin 2
1 Faculty of Petroleum and Chemical Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran
2 Faculty of Petroleum and Chemical Engineering, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Urea, as the most widely used fertilizer, has the highest nitrogen loss in aqueous media. Urea-modified lignin matrix as a biodegradable and inexpensive bio-polymer can become a controlled-release fertilizer with commercial capability; Therefore, release models investigate is very important. Two-dimensional partial differential equation was solved analytically considering time and radius as two independent variables in spherical coordinates for infinite volume and compared to the results for finite volume of liquid. In order to validate the model’s results, equal amounts of melted urea and lignin acetylated were mixed for preparation of matrix using spherical frame. The amount of nitrogen release from the matrix of lignin in water was measured by Kjeldahl method at different time intervals. Presented models were able to predict release of urea for the infinite and finite fluid volume with R2 equivalent to 9967/0 and 9946/0, respectively. Moreover, empirical models were applied to predict the release pattern including: Power, Modified Schwartz and Suggested Modified hyperbolic model. Among the models used in this research, obtained analytical model for infinite volumes, finite and modified hyperbolic model had the highest accuracy, respectively.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Modeling of Controlled-release
  • Analytical Solution
  • Release pattern
  • Matrix system
  • Finite and Infinite volume
  • Modified hyperbolic model
[1] N. Xiaoyu, W. Yuejin, W. Zhengyan, W. Lin, Q. Guannan, and Y. Lixiang, "A novel slow-release urea fertilizer: Physical and chemical analysis of its structure and study of its release mechanism", Biosystems Engineering, Vol.115, No. 3, July 2013, pp. 274-282.
[2] T. Zheng, Y. Liang, S.H, Ye, and Z. He, "Superabsorbent hydrogels as carriers for the controlled-release of urea: Experiments and a mathematical model describing the release rate", Biosystems Engineering, Vol. 102, No.3, January 2009, pp. 44-50.
[3] K. R. Mohd Ibrahim, F. Eghbali Babadi, and R. Yunus, "Comparative performance of different urea coating materials for slow release", Particuology, Vol.17, No. 1, December 2014, pp. 165-172.
[4] C. Du, J. Zhou, and A. Shaviv, "Release Characteristics of Nutrients from Polymer-coated Compound Controlled Release Fertilizers", Journal of Polymers and the Environment, Vol. 14, No. 3, July 2006, pp. 223-230.
[5] J. Entry, and R. Sojka, "Matrix based fertilizers reduce nitrogen and phosphorus leaching in three soils", Journal of Environmental Management, Vol. 87, No. 3, May 2008, pp. 364-372.
[6] L. Xie, M. Liu, B. Ni, X. Zhang, and Y. Wang, "Slow-release nitrogen and boron fertilizer from a functional superabsorbent formulation based on wheat straw and attapulgite", Chemical Engineering Journal, Vol. 167,
 No. 1, February 2011, pp. 342-348.
 [7]  محمود رضا مؤیدی و محسن مهدی پور قاضی، "مدل­سازی ریاضی و شبکه عصبی انتقال جرم در غشاهای مایع آمین گلایکول برای جداسازی دی اکسید کربن از هوا"، نشریه مدل­‌سازی در مهندسی، دوره 14، شماره 47، زمستان 1395، صفحه 51-60.
[8] T. H. Trinh, K. Kushaari, A. Shuib, L. Ismail, and B. Azeem,"Modelling the release of nitrogen from controlled release fertilizer: Constant and decay release", Biosystems Engineering, Vol. 130, No. 1, February 2015, pp. 34-42.
[9] N. Sadeghi, K. Shayesteh, and S. Lotfiman, "Effect of modified lignin sulfonate on controlled-release urea in soil", Journal of Polymers and the Environment, Vol. 25, No.1, September 2017, pp. 1-8.
[10] M. Fernandez-Perez, F. Garrido-Herrera, E. González-Pradas, M. Villafranca-Sanchez, and F. Flores-Cespedes, "Lignin and ethylcellulose as polymers in controlled release formulations of urea", Journal of Applied Polymer Science, Vol. 108, No. 6, March 2008, pp. 3796-3803.
[11] B. Azeem, K. KuShaari, Z. Man, A. Basit, and T. Thanh, "Review on materials and methods to produce controlled release coated urea fertilizer", Journal of Controlled Release, Vol. 181, No. 1, May 2014, pp. 11-21.
[12] G.W. Sinclair, and N.A. Peppas, "Analysis of Non-Fickian transport in polymers using simplified exponential expressions", Journal of Membrane Science, Vol. 17, No. 3, February 1984, pp. 321-329.
[13] J. Schwartz, and W. Higuchi, "Drug release from wax matrices I analysis of data with first-order kinetics and with the diffusion-controlled model", Journal of Pharmaceutical Sciences, Vol. 57, No. 2, February 1968, pp. 274-277.
[14] J. Siepmann, and F. Siepmann, "Modeling of diffusion controlled drug delivery", Journal of Controlled Release, Vol. 161, No. 2, July 2012, pp. 351-362.
[15] R. W. Baker, and H. Lonsdale, "Controlled release: mechanisms and rates, in Controlled release of biologically active agents", Springer US, 1974, pp. 15-71.
[16] S.M. Al-Zahrani, "Controlled-release of fertilizers: modelling and simulation", International Journal of Engineering Science, Vol. 37, No. 1, July 1999, pp. 1299-1307.
 [17] مریم خواجه نوری، علی حقیقی اصل و محمد حسن ایکانی، "مدل سازی فرآیند استخراج با آب دمای زیر بحرانی از گیاهان دارویی"، نشریه مدل­‌سازی در مهندسی، دوره 11، شماره 32، بهار 1392، صفحه 91- 83.
 [18] محمود رضا رحیمی و اسماعیل قاسمی کفرودی، "شبیه سازی واکنش تخریب پلیمر زیست تخریب پذیر پلی لاکتیک اسید در بدن انسان "، نشریه مدل‌­سازی در مهندسی، دوره 9، شماره 24، بهار 1390، صفحه 38- 29.
[19] J. Crank, "The mathematics of diffusion", Clarendon press, 2nd ed, Oxford university press, United Kingdom 1975.
[20] Z. Majeed, R. NurKamila, M. Nurlidia, and M. Zakaria, "Lignin modified urea fertilizer's biodegradation and nitrogen release under reduced soil condition", Applied Mechanics and Materials, Vol. 699, No. 1, November 2014, pp. 981-987.