Quá trình phát triển ngành công nghiệp phân bón (Phần 1)

I: Ngành công nghiệp phân bón

Ngành công nghiệp phân bón được sinh ra từ sự kết hợp của các tình huống có từ nguồn gốc ở Tây Âu trong những năm cuối thế kỷ 18 và nửa đầu thế kỷ 19. Bao gồm:

- Một khái niêm mới mang tính cách mạng về dinh dưỡng cây trồng, được hỗ trợ bằng các thử nghiệm tiên phong, trong đó đã phát hiện ra vai trò sinh học của các nguyên tố hóa học.

- Một cuộc cách mạng công nghiệp đã kích thích sự đổi mới công nghệ và sự phát triển của ngành công nghiệp hóa chất, khai thác mỏ và giao thong vận tải, do đó đã cung cấp cho ngành công nghiệp phân bón non trẻ các nguồn nguyên liệu thô tăng mạnh về kinh tế và phát triển các thị trường có tiềm năng.

- Mật độ dân số ngày càng gia tăng và quá trình đô thị hóa nhanh chóng đã tạo ra những thị trường phi nông nghiệp tập trung vào lương thực và sợi thô. Do nhu cầu ngày càng tăng, nên cần phải khôi phục lại các chất dinh dưỡng trong đất với mục đích tăng năng suất cây trồng và giảm thiểu sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nông sản.

Chính vì thế, đến giữa thế kỷ 19 việc bón phân quá nhiều và việc canh tác đã dần tiếp cận với tự nhiên và kinh tế.

Sự tương đồng của những trường hợp với những tình huống ở nhiều nước đang phát triển là điều hiển nhiên, và điều này giải thích sự phát triển nhanh chóng trên toàn cầu của ngành công nghiệp phân bón trong những năm nửa cuối thế kỷ 19. Sự gia tăng dân số và sự tập trung dân số ở các thị xã và thành phố đã làm cho việc bón phân theo cách truyền thống từ chất thải của cây trồng, động vật và con người rất khó khăn. Thậm chí ở Trung Quốc, nơi mà việc tái chế rác thải hữu cơ đã được thực hiện một cách có hiệu quả nhất, nhưng rồi việc sử dụng phân bón với số lượng lớn ngày càng tăng đã trở nên rất cần thiết.

Ngành công nghiệp phân bón và chủ yếu lien quan đến việc cung cấp 3 chất dinh dưỡng chính của cây trồng là nitơ - N, phốtpho - P và kali - K trong các mẫu cây trồng có sẵn. Nitơ được thể hiện dưới dạng nguyên tố N nhưng phốtpho và potat được thể hiện dưới dạng oxit (P₂O₅, K₂O) hoặc dưới dạng nguyên tố (P, K). Sulphur cũng được cung cấp với số lượng lớn, chủ yếu thông qua sự có mặt của sulfat trong các sản phẩm như lân supe và ammonium sulfat. Những nguyên tố chuyển đổi từ P₂O­₅ x 0,4364 = P, K₂O x 0,8320 = K, SO₃ x 0,4 = S. Các chất dinh dưỡng thứ hai có thể được cung cấp một cách ngẫu nhiên như là kết quả của quá trình sản xuất các nguyên liệu thô của quá trình trên. Các chất dinh dưỡng vi lượng (nguyên tố vi lượng) có thể được đưa vào các loại phân bón chính hoặc được cung cấp như là các sản phẩm đặc chủng.

Ngành công nghiệp phân bón nói chung có nguồn gốc với sự khai trương của nhà máy sản xuất lân supe đầu tiên của  J.B.Murray ở Ireland, và H.Kohler ở Bohenia cũ. Lord Dundonald ở Scôtland đã thực nghiệm với sản phẩm phụ ammonium sulfat vào cuối thế kỷ 18, và nitơrat của Chilê đã được bán cho nông dân của Anh từ những năm 1830. Việc Xử lý chất lỏng của gas phế thải cũng cung cấp một ít nitơ trong suốt giai đoạn đầu này và từ những năm 1840 trở đi, phân chim - gà - vịt đã cung cấp số lượng đáng kể nitơ và phosphor ở cả châu Âu và châu Mỹ.

1. Ngành công nghiệp phân bón Nitơ (phân Đạm)

Phải đến những năm đầu của thế kỷ 20 các nhà khoa học mới phát triển để lấy nitơ từ trong khí quyển. Phương pháp này trước tiên được tiến hành bằng cách cho đi qua không khí thong qua một hồ quang điện để sản xuất axit nitơric và caxi nitơrat, sau đó bằng phản ứng giữa vôi và than cốc trong lò luyện bằng điện để tạo ra canxi cyanamide, và sau đó đáng chú ý nhất là bằng cách tổng hợp nitơ và hydro có xúc tác được phát triển bởi các nhà khoa học Đức F.Haber và C. Bosch. Quá trình cách mạng hóa ngành công nghiệp phân bón nitơ đã phá vỡ sự phụ thuộc trước đây về các nguồn khoáng sản tương đối hiếm có của nitơ và tạo điều kiện cho sự phát triển các sản phẩm sau này với hàm lượng nitơ cao hơn. Nhà máy Haber Bosch đã được mở vào năm 1913, và việc sản xuất nitơ phụ thuộc phần lớn vào việc tổng hợp ammonia.

Việc tổng hợp ammonia đồi hỏi một lượng lớn năng lượng. Ban đầu việc này được hỗ trợ bởi giá điện rẻ và các chất dẫn xuất của than đá. Những nguyên liệu này chỉ có ở các nước công nghiệp. Sau đó, có các hình thức kinh tế hơn nhờ quá trình khí hóa dầu nhiên liệu nặng, cải tiến nguồn năng lượng từ hơi nước và dầu mỏ. Sự phát triển trên ban đầu bị hạn chế chủ yếu đối với các nước  công nghiệp hóa vì chi phí đầu tư lớn và dự trữ khó. Tuy nhiên, từ những năm 1960 trở lại đây, các nước đang phát triển, đặc biệt là ở châu Á, bắt đầu tăng trợ cấp cho sản xuất và tiêu thụ phân bón  với sự trợ giúp của các đại lý quốc tế lớn.

Dầu mỏ và dầu nhiên liệu khác không bị cạnh tranh lớn trong cuộc khủng khoảng dầu đầu tiên năm 1974. Sau này có sự cải cách từ dùng nhiên liệu hơi nước được thay đổi sang sử dụng khí tự nhiên. Hầu hết các nhà máy mới từ giữa những năm 1960 trở lại đây được xây dựng để sử dụng khí tự nhiên, chính vì thế giúp rất nhiều cho Liên Bang Xô viết cũ, một số nước ở Đông Âu và các nước đang phát triển với các nguồn khí đốt phong phú để phát triển ngành công nghiệp phân bón mà phần lớn dựa vào ammonia.

Các loại phân bón có chứa Nitơ ban đầu như natri, canxi nitơrat, canxi cyanamit và ammonium sulfat - chỉ chứa 15-21% N. Phần lớn tổng hàm lượng dinh dưỡng là có trong phân động vật 1-1,5%, nhưng sử dụng ammonia để sản xuất ammonium nitơrat là lớn hơn. Vào những năm 1960, ammonium nitơrat bao gồm 34% N, 35% khí nguyên chất và canxi ammonium nitơrat (27% N) đã trở thành các loại phân bón có chứa nitơ hàng đầu thế giới. Tuy nhiên, sự phát triển của các nhà máy ammonia dựa vào khí gas, ngày càng rộng lớn hơn, cung cấp lượng lớn các sả phẩm cacbon điôxit này được dùng đê sản xuất ure. Ure là sản phẩm của phản ứng giữa ammonia và cacbon điôxit. Nó chứa 46% N. Kết quả là nó đã mang lại sự tiến bộ to lớn hơn trong việc cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng và do đó tiết kiệm trong việc vận chuyển và phân phối các chất dinh dưỡng. Ngày nay, nó là một trong những loại phân bón thong dụng nhất, hiệu quả nhất cho cây trồng.

Tuy nhiên, các loại phân bón lượng tập trung N thấp hơn tiếp tục chiếm một phần quan trọng ở nhiều quốc gia. Trong số các sản phẩm, ammonium sulfat có một vị trí đặc biệt ở khía cạnh nào đó, là sản phẩm của việc sản xuất aprolactam và khí lò than đá.

Ammonium bicacbonat trở nên đặc biệt quan trọng ở Trung Quốc trong những năm 1950. Đây là loại phân bón có thể sản xuất một cách khá dễ dàng tại các nhà máy sử dụng than có quy mô nhỏ. Ammonia clorit là một loại phân bón có hàm lượng tập trung N thấp khác có tầm quan trọng tại một số nước, đặc biệt là Nhật Bản.

2. Ngành công nghiệp Phosphate (phân Lân)

Công nghiệp sản xuất phân bón phosphate bắt đầu rất đơn giản. Nguyên liệu được sử dụng đầu tiên là xương và coprolite. Như là nguồn gốc của phosphate, axit sulphuric loãng đã được giới thiệu từ năm 1831 ở Bohemia để chuyển đổi phosphate thành một dạng có thể hòa tan trong nước. Sản phẩm này được gọi là Superphosphate, một thời gian đã được các nhà khoa học sử dụng, và lần đầu tiên được sử dụng là vào đầu năm 1797 bởi một nhà vật lý người Anh có tên George Pearson để mô tả các hợp chất phosphate được tìm thấy trong xương (canxi dihydrogenphosphate). Nhu cầu phosphate đã dẫn đến việc mở rộng xuất khẩu phosphoguano Pêru. Nhu cầu phosphate của thế giới phát triển một cách nhanh chóng vào những năm 1850, làm giảm các nguồn tài nguyên đã được biết đến về coprolite, guano (phân chim biển, gia cầm), boron và các khoáng chất có chứa phosphate ở mức thấp. Nguồn cung cấp phosphate được đảm bảo bằng việc phát hiện ra các mỏ phosphate trầm tích lớn nhất ở miền Nam Carolina. Việc khai mỏ bắt đầu vào năm 1867, và năm 1889, mỏ này đã cung cấp 90% cho ngành công nghiệp phosphate trên toàn thế giới. Năm 1870 một vài lớp trầm tích đã được khai thác để cung cấp quặng cho các ngành công nghiệp superphosphate đang phát triển ở châu Âu và châu Mỹ. Xương và corpoliter đã nhanh chóng được thay thế.

Vào những năm 1880 sự phát triển của ngành công nghiệp thép đã góp phần làm tang mootj lượng lớn xỉ thứ phẩm. Loại xỉ này thường chứa một lượng lớn phosphor, thường có nhiều trong superphosphate, mặc dù ở dạng hòa tan ít hơn. Nó được coi là một loại phân bón tốt, đặc biệt là ở trên đồng cỏ và một lượng đáng kể cung cấp phân bón phosphate của châu Âu đén từ nguồn này. Nó được biết đến như một loại xỉ cơ bản. Sự phát triển của các quá trình làm thép oxy trong những năm 1960 dần dần mở rộng nguồn cung cấp này.

Giống như các loại phân bón có nitơ ban đầu, các loại phân bón phosphate có một hàm lượng dinh dưỡng lớn gắp nhiều lần so với hàm lượng dinh dưỡng có trong phân động vật - thường là nhiều hơn 10 - 20 lần. Superphosphate là một ví dụ, chứa 14 - 20% P₂O₅. Tuy nhiên khẳ năng có thể sản xuất superphosphate có hàm lượng tập trung cao hơn được tìm ra khi ngành sản xuất biết cách tăng tỉ lệ axit/quặng và tách riêng canxi sulfate (thạch cao). Việc này đã tạo ra axit phosphoric, sau đó được sử dụng để tạo ra acidulate phosphate. Việc này đã cho ra những sản phẩm có hàm lượng P₂O₅ nhiều hơn 2 - 3 lần, và chúng được gọi là superphosphate 2 và 3, hoặc superphosphate giàu chất dinh dưỡng và tập trung (lên tới 48% P2O5). Sản phẩm có hàm lượng dinh dưỡng tập trung ít hơn được gọi là superphosphate đơn hoặc bình thường.

Việc xử lý đặc tính trung hòa của axit phosphoric với ammonia tạo ra ammonium phosphate (DAP với 48% P2O5) được bắt đầu từ năm 1917 ở Mỹ. Haber-Boch đã thúc đẩy quá trình này phát triển, và trong năm 1926 IG Fabenidustrie ở Đức bắt đầu sản xuất các loại phân bón hỗn hợp đa dinh dưỡng dựa vào ammonium phosphate dạng tinh thể. Các loại pân bón này được đặt tên là phân bón phức hợp hay thường gọi là phân bón NPK. Hàm lượng N đã được điều chỉnh bằng cách them ammonium nitơrat và KCL được them vào trong kết cấu dạng hạt.

Tương tự như thế, quy trình có liên quan đến phản ứng phosphate với axit nitric và axit hydrochloric cũng được phát triển. Lộ trình làm chua axit nitric được thương mại hóa vào đầu những năm 1930 ở châu Âu. Con đường nitrophosphate này đã tạo các loại phân bón phức hợp giống như con đường tạo ra ammonium phosphate. Chỉ có sự khác biệt duy nhất đó là 24-40% ammonium phosphate được thay thế bởi dicanxi phosphate có thể hòa tan một lọa muối của axit citric.

Vì nhiều lý do khác nhau, ngành công nghiệp phân bón phức hợp phát triển mạnh ở châu Âu và FSU. Trong khi đó các ngành công nghiệp ammonium phosphate và superphosphate 3 lại phát triển mạnh ở Bắc Mỹ nơi mà số lượng pha trộn đứng vị trí cao so với các nơi khác trên thế giới.

Superphosphate đơn thống trị thị trường phân bón phosphate thế giới cho tới những năm 1950. Nó là sản phẩm chính chiếm vị trí lớn ở Ốt-trây-lia và New Zealand và ở một số nước đang phát triển  khác bao gồm Brazil, Trung Quốc, Ai Cập và Ấn Độ nơi mà hàm lượng sulphur của nó nói riêng được đánh giá rất cao. Nó cũng đem lại chi phí đầu tư thấp và sản xuất rất đơn giản.

3. Ngành công nghiệp Potat (Phân Kali)

Ngành công nghiệp Potat ra đời khi người ta khám phá ra một lớp trầm tích muối kali lớn ở Stassfurt tại Đức năm 1859. Trước đó tro gỗ là nguôn cung cấp kali chính cho công nghiệp, nguồn gốc của potat bắt nguồn từ thực tiễn sản xuất dung dịch kiềm tro trong các chậu lớn. Mỏ potat đầu tiên được khai thác tại Stassfurt năm 1862. Kể từ đó potat của Đức thống trị thị trường trong suốt 75 năm.

Các loại quặng chưa tinh chế, chất lượng thấp là những sản phẩm đầu tiên. Không sản phẩm nào chứa nhiều hơn 25% K₂O. Sự phát triển của ngành công nghiệp tinh chế đã cải thiện một cách nhanh chóng và kali chlorite (60-62% K₂O) hiện nay là loại phân bón potat chính. Tuy nhiên có một số cây trồng trong những điều kiện cụ thể không chấp nhận dạng chlorite của kali giống như dạng sulfat và nitơrat. Chính vì thế sau đó mất nhiều chi phí để phân giải cho những loại phân bón này.

Những năm đầu thế kỷ 20, các lớp trầm tích potat lớn đã được tìm thấy ở nhiều nước. Việc sản xuất bắt đầu tại Pháp năm 1910, tại Tây Ban Nha năm 1925, tại Liên Xô cũ và tại Myio vào khoảng năm 1930, tại Canada năm 1960, tại Italia năm 1964, tại Anh năm 1974 và tại Brazil năm 1968.Thêm vào đó, Israel đầu tiên và sau đó là Jocđani đã bắt đầu sản xuất potat từ nước biển giống như ở Mỹ và Trung Quốc.

Mời các bạn đón đọc phần 2...