DE102013008687A1 - Production of aqueous reaction solutions based on vegetable hydroxycinnamic acids (phenolic acids / phenylpropanoids / phenylpropenes) and lignin for the coating of fertilizer granules. In particular: preparation of appropriate reaction solutions - Google Patents

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Abstract

Wasserbasierte Flüssigkeiten zur Beschichtung von Düngergranulaten wurden bisher nicht auf der Basis von pflanzlichen Hydroxyzimtsäuren hergestellt, die bei der Extraktion von pflanzlicher Biomasse als Reststoffe anfallen. Die erzielte Beschichtung muss wasserunlöslich sein und mikroporös werden, um eine kontrollierte Freisetzung der Nährstoffe aus dem Granulat zu erreichen. Bei der Herstellung der Beschichtung muss die Aushärtung des Polymers auf der Granulatoberfläche so rasch erfolgen, dass der Zerfall des wasserlöslichen Granulats verhindert wird. Dies wird durch einen zweistufigen Polymerisationsprozess ermöglicht. In der ersten Stufe werden die monomeren Hydroxyzimtsäuren in hochkonzentrierter gelöster Form mit einem anorganischen Peroxid vorpolymerisiert. Überraschenderweise bleiben die Reaktionsprodukte sehr gut wasserlöslich. Nach Auftragen der Lösung mit Reaktionsprodukten (Reaktionslösung) auf das Granulat erfolgt die zweite Stufe der Polymerisation. Dies wird durch die hohe Konzentration der Polymervorstufen in der wässrigen Phase und eine rasche Erhitzung des Granulats erreicht. Der zweistufige Prozess lässt sich auch nach partieller Substitution der Hydroxyzimtsäuren durch sehr gut Ligninsulfonat durchführen. Die Umhüllung der Granulate auf der Basis von pflanzlichen Hydroxyzimtsäuren ist vollständig biobasiert und biologisch abbaubar. Die umhüllten Granulate dienen in Verbindung mit der Unter-Fuß-Düngung einer nachhaltigen landwirtschaftlichen Praxis, in der Nährstoffverluste durch Adsorption an Tonmineralien und Nährstoffaustrag aus Agrarökosystemen vermindert werden.So far, water-based liquids for coating fertilizer granules have not been produced on the basis of plant hydroxycinnamic acids, which are obtained as residues in the extraction of plant biomass. The coating obtained must be water-insoluble and become microporous in order to achieve a controlled release of the nutrients from the granulate. During the production of the coating, the polymer must be cured on the surface of the granulate so quickly that the disintegration of the water-soluble granulate is prevented. This is made possible by a two-stage polymerization process. In the first stage, the monomeric hydroxycinnamic acids are prepolymerized in a highly concentrated, dissolved form with an inorganic peroxide. Surprisingly, the reaction products remain very soluble in water. After the solution with reaction products (reaction solution) has been applied to the granules, the second stage of the polymerization takes place. This is achieved by the high concentration of the polymer precursors in the aqueous phase and rapid heating of the granulate. The two-stage process can also be carried out after partial substitution of the hydroxycinnamic acids with very good lignin sulfonate. The coating of the granules based on vegetable hydroxycinnamic acids is completely bio-based and biodegradable. In combination with the under-foot fertilization, the coated granules serve a sustainable agricultural practice in which nutrient losses are reduced by adsorption on clay minerals and nutrient discharge from agro-ecosystems.

Description

Technischer StandTechnical status

Es gibt seit etwa 20 Jahren eine stetig zunehmende Zahl von Düngerbeschichtungen („controlled-release fertilizer”), die alle darauf abzielen die Abgabe der Nährstoffe zu kontrollieren bzw. zu verzögern, um so der Auswaschung ins Grund- und Oberflächenwasser sowie gasförmigen Emissionen entgegenzuwirken (1–3). Kommerziell hergestellte Beschichtungen basieren auf Schwefelverbindungen, wasserunlöslichen Paraffinwachsen oder sind polymerer Natur. Bei den Polymeren kommen verschiedenartige Kunststoffe zur Anwendung: einerseits thermoplastische petrochemische Kunststoffe z. B. bei Nutricote (Chisso-Asahi Fertilizer Company Ltd., Tokyo, Japan; z. B. Patent JP200239090 ), andererseits duroplastische biobasierte Polymere bei Osmocote (Grace Sierra Horticultural Products Co, Marysville, Ohio, USA). Osmocote-Beschichtungen bestehen aus verharzten Pflanzenölen. Reaktionsharze auf der Basis von Leinöl oder Sojaöl sind zur Beschichtung verschiedenster Oberflächen unter dem Handelsnamen Tribest von Cognis Deutschland und Mercryl von der Hobum Oleochemicals GmbH kommerziell erhältlich. In Mercryl-Produkten wurden die im Pflanzenöl enthaltenenen Fettsäuren nach Expoxidierung mit Acrylatgruppen funktionalisiert. Die Vernetzung der Acrylatgruppen erfolgt mittels radikalischer Polymerisation, wozu ein Peroxidinitiator verwendet wird (z. B. EP 1894949 (B1) ). Für die thermoplastischen Düngerbeschichtungen wurden Verfahren publiziert, in denen ein biologisch abbaubarer Polymer mit dem petrochemischen Polyolefin gemischt wird ( JP2002145691 ). Auch zu den Thermoplasten gehörende Beschichtungen, die ausschließlich auf nachwachsenden Rohstoffen, z. B. polymerisierter Milchsäure, basieren, stehen zur Verfügung (EG2007NA01371).There has been a steadily increasing number of controlled-release fertilizers for about 20 years, all of which aim to control or delay the delivery of nutrients to counteract leaching into ground and surface waters and gaseous emissions ( 1-3). Commercially prepared coatings are based on sulfur compounds, water-insoluble paraffin waxes or are polymeric in nature. In the polymers, various plastics are used: on the one hand thermoplastic petrochemical plastics z. In Nutricote (Chisso-Asahi Fertilizer Company Ltd., Tokyo, Japan; JP200239090 on the other hand thermoset bio-based polymers in Osmocote (Grace Sierra Horticultural Products Co, Marysville, Ohio, USA). Osmocote coatings consist of resinified vegetable oils. Reaction resins based on linseed oil or soybean oil are commercially available for coating various surfaces under the trade name Tribest from Cognis Germany and Mercryl from Hobum Oleochemicals GmbH. In Mercryl products, the fatty acids contained in the vegetable oil have been functionalized with acrylate groups after epoxidation. The crosslinking of the acrylate groups takes place by means of radical polymerization, for which purpose a peroxide initiator is used (for example EP 1894949 (B1) ). For the thermoplastic fertilizer coatings, methods have been published in which a biodegradable polymer is mixed with the petrochemical polyolefin ( JP2002145691 ). Also belonging to the thermoplastics coatings that are based exclusively on renewable resources, eg. As polymerized lactic acid based are available (EG2007NA01371).

Während Milchsäure fermentativ aus Zuckern produziert werden muss, fällt Lignin als Reststoff der Papier- und Zellstoffherstellung weltweit jährlich in einer Menge von 70 Millionen Tonnen an, von denen nur maximal 2% stofflich verwertet werden. Daher besteht großes Interesse an industriellen Verfahren, in denen Lignin teurere Rohstoffe der chemischen Industrie ersetzt. Beschichtungen von Düngergranulaten auf der Basis von Ligninen sind technisch bekannt (4, 5). In Alkohol gelöste Harze dienen dabei der Anheftung des Ligninpulvers. Es ist bekannt, dass sich Ligninpulver auch mit 0,05–0,2 wt% Polyacrylamidlösung auf Harnstoffgranulat binden lässt, wobei zusätzlich ein pflanzliches Öl zum Versiegeln der Oberfläche verwendet wird ( CN101062878 ). Die Mischung von hydrophilen Komponenten, darunter Lignin, mit hydrophoben biobasierten Polymeren wird für Pestizide als Trägermaterial beschrieben, das auf pflanzlichen Oberflächen haftet und den Wirkstoff kontrolliert freisetzt ( WO2010039865 ). Ein anderer pflanzlicher Abfallstoff aus der Stoffgruppe der Aromaten ist die Ferulasäure, ein Nebenprodukt der Extraktion von Olivenöl und Reisöl, welches im Abwasser der entsprechenden Extraktionsanlagen in hohen Konzentrationen vorliegt und die natürlichen Gewässer belastet. Ferulasäure gehört zu den Hydroxyzimtsäuren, die zusätzlich zu einer phenolischen Hydroxylgruppe einen Acrylsäurerest besitzen. Im Unterschied zu Lignin wird Ferulasäure als Prozessabfall derzeit nur zu einem kleinen Teil aufgefangen. Ferulasäure ist auf dem Weltmarkt als Rohstoff für die Vanillinherstellung gefragt, spielt als UV-Absorber eine Rolle in Sonnenschutzmitteln und wird besonders in China in pharmazeutischen Präparaten aufgrund der antioxidativen und entzündungshemmenden Eigenschaften geschätzt. Ein chinesisches Patent beschreibt ein Verfahren zur Extraktion von Ferulasäure ( CN101811958 ), was die industrielle Nachfrage nach dieser Substanz unterstreicht. Ferulasäure lässt sich chemisch polymerisieren (6), ist bekannt als Vernetzer in pflanzlichen Zellwänden (7) und kommt aufgrund der reaktiven Gruppen als biobasierter Binder/Vernetzer in ligninhaltigen Beschichtungslösungen in Betracht, um das Anhaften des Lignins am Granulat zu bewerkstelligen.While lactic acid must be produced by fermentation from sugars, lignin accumulates worldwide as a residue of paper and pulp production in an amount of 70 million tons, of which only a maximum of 2% is recycled. Therefore, there is great interest in industrial processes in which lignin replaces more expensive raw materials of the chemical industry. Coatings of fertilizer granules based on lignins are known in the art (4, 5). Resins dissolved in alcohol serve to attach the lignin powder. It is known that lignin powder can also be bound to urea granules with 0.05-0.2% by weight polyacrylamide solution, with the additional use of a vegetable oil for sealing the surface ( CN101062878 ). The mixture of hydrophilic components, including lignin, with hydrophobic bio-based polymers is described for pesticides as a carrier material which adheres to vegetable surfaces and releases the active ingredient in a controlled manner ( WO2010039865 ). Another vegetable waste from the aromatics group is ferulic acid, a by-product of the extraction of olive oil and rice oil, which is present in high concentrations in waste water from the corresponding extraction plants and pollutes the natural waters. Ferulic acid belongs to the hydroxycinnamic acids which have an acrylic acid residue in addition to a phenolic hydroxyl group. Unlike lignin, ferulic acid is currently only partially absorbed as process waste. Ferulic acid is in demand on the world market as a raw material for vanillin production, plays a role in sunscreens as a UV absorber and is particularly appreciated in China in pharmaceutical preparations due to its antioxidant and anti-inflammatory properties. A Chinese patent describes a process for the extraction of ferulic acid ( CN101811958 ), which underlines the industrial demand for this substance. Ferulic acid can be chemically polymerized (6), is known as crosslinker in plant cell walls (7) and due to the reactive groups as a bio-based binder / crosslinker in lignin-containing coating solutions into consideration to accomplish the attachment of the lignin granules.

Die kovalente Vernetzung von Lignin mit anderen Substanzen in Kunststoffen ist Stand der Technik: (1) Duroplastische (härtbare) Polykondensate aus Lignin und Substanzen mit Aminogruppen sind seit langem beschrieben (8). Harnstoffdünger, in denen der Harnstoff zwecks verzögerter Freisetzung kovalent mit Lignin vernetzt wird, ist bekannt ( WO20050007700 ; WO2011005175 ). Ein weiterer Typ von domplastischen ligninhaltigen Polykondensaten wird durch Reaktion mit Aldehyden, vor allem Formaldehyd, hergestellt ( RU2009129419 ; CN102174159 ; CN101092472 ; JP2007169491 ; US2003045665 ; HU194920 ; GB1601751 ; TW201207036 ). (2) Die Bildung von duroplastischen Polyaddukten aus Lignin, Epoxidverbindungen und einem pflanzlichen Polyphenol als Co-Vernetzer wurde auf dem diesjährigen DECHEMA-Kolloquium „Lignin als natürliche Ressource für die chemische Industrie” vorgestellt.The covalent crosslinking of lignin with other substances in plastics is state of the art: (1) Duroplastic (curable) polycondensates of lignin and substances with amino groups have long been described (8). Urea fertilizers in which the urea is covalently crosslinked with lignin for the purpose of sustained release are known ( WO20050007700 ; WO2011005175 ). Another type of domplastic lignin-containing polycondensates is prepared by reaction with aldehydes, especially formaldehyde ( RU2009129419 ; CN102174159 ; CN101092472 ; JP2007169491 ; US2003045665 ; HU194920 ; GB1601751 ; TW201207036 ). (2) The formation of thermoset polyadducts from lignin, epoxies and a vegetable polyphenol co-crosslinker was presented at this year's DECHEMA colloquium "Lignin as a natural resource for the chemical industry".

Die radikalische Polymerisation von petrochemischen Acrylverbindungen (Acrylsäure und Acrylamid) nach Auftropfen auf Düngergranulat entspricht dem Stand der Technik (9).The radical polymerization of petrochemical acrylic compounds (acrylic acid and acrylamide) after dripping onto fertilizer granules corresponds to the prior art (9).

Derartige Düngerbeschichtungen können sehr viel Wasser speichern und gleichzeitig die Nährstoffabgabe verzögern, so dass sie insbesondere zur Düngung in ariden Gebieten in Betracht kommen. Es ist bekannt, dass die Acrylmonomere auch in Gegenwart von organisch modifizierten Tonmineralen und pulverisiertem Weizenstroh polymerisieren. Durch diese funktionalen Füllstoffe wird der Bedarf an teuren petrochemischen Monomeren verringert und die biologische Abbaubarkeit erhöht. Die Gruppe von Mingzhu Liu am State Key Laboatory der Universität Lanzhou (China) stellte entsprechende Laminate für Harnstoff- und Phosphatdünger her (10, 11). Die Gruppe von Aiqin Wang am Center of Ecological and Green Chemistry in Lanzhou führte die Polymerisation von Acrylmonomeren in Gegenwart von Huminsäuren durch (12). Huminsäuren, die aus dem Abbau von Pflanzenmaterial im Boden hervorgehen, enthalten neben aliphatischen Komponenten auch aromatische Abbauprodukte von Lignin und ungesättigten pflanzlichen Polyester (Suberin) und besitzen eine Vielzahl von Carboxyl- und phenolischen Hydroxylgruppen. Die Polymerisation dieses Kompositmaterials erfolgte in wässriger Lösung unter Ausschluss von Sauerstoff. Als Initiator der Polymerisation wurde Ammoniumpersulfat in einer Konzentration von 0,1% (w/v) verwendet. Die Gesamtkonzentration der Acrylmonomere in der Ausgangslösung lag bei 20% (w/v), wovon 0,1% (w/w) auf Methylenbisacrylamid als bifunktioneller Vernetzer entfielen (12). Der Gewichtsanteil der Huminsäuren an den Kompositmaterialien betrug zwischen 5 und 40% (w/w). Das Reaktionsprodukt war ein wasserunlösliches Polymer, aus dem bei Einlegen in destilliertem Wasser bis zu 40 Tage lang Huminsäuren abgegeben wurden.Such fertilizer coatings can store a great deal of water and at the same time delay the nutrient delivery, so that they are particularly suitable for fertilization in arid areas. It is It is known that the acrylic monomers also polymerize in the presence of organically modified clay minerals and powdered wheat straw. These functional fillers reduce the need for expensive petrochemical monomers and increase biodegradability. Mingzhu Liu's group at State Key Laboatory of Lanzhou University (China) produced laminates for urea and phosphate fertilizers (10, 11). The group of Aiqin Wang at the Center of Ecological and Green Chemistry in Lanzhou carried out the polymerization of acrylic monomers in the presence of humic acids (12). Humic acids resulting from the degradation of plant material in the soil, in addition to aliphatic components and aromatic degradation products of lignin and unsaturated vegetable polyester (suberin) and have a variety of carboxyl and phenolic hydroxyl groups. The polymerization of this composite material was carried out in aqueous solution with the exclusion of oxygen. As the initiator of the polymerization, ammonium persulfate was used in a concentration of 0.1% (w / v). The total concentration of acrylic monomers in the starting solution was 20% (w / v), of which 0.1% (w / w) accounted for methylenebisacrylamide as a bifunctional crosslinker (12). The proportion by weight of humic acids in the composite materials was between 5 and 40% (w / w). The reaction product was a water-insoluble polymer from which humic acids were released for up to 40 days when placed in distilled water.

Keines der beschriebenen Verfahren erlaubt jedoch ein rein auf Wasser basiertes Beschichtungsverfahren für Düngergranulate ohne Einsatz von petrochemischen Erzeugnissen, Aminoverbindungen, Aldehyden, giftigen Acrylverbindungen oder solchen pflanzenbasierten Vorstufen, für die insbesondere mit der Nahrungsmittelerzeugung eine starke Nutzungskonkurrenz besteht. Harze zur Anheftung von Ligninpulver an Düngergranulat müssen in organischen Lösungsmitteln gelöst werden. Polyacrylamid als alternatives Bindemittel und die für die Einbettung von Huminsäuren eingesetzten Acrylmonomere sind petrochemische Produkte. Die Pflanzenöle sind ernährungsrelevant und werden stofflich für die Produktion von Detergenzien sowie energetisch genutzt. Die derzeitige Herstellung von Polymilchsäure aus Maisstärke steht in direktem Wettbewerb mit der Nahrungsmittelerzeugung.However, none of the processes described permits a purely water-based coating process for fertilizer granules without the use of petrochemical products, amino compounds, aldehydes, toxic acrylic compounds or plant-based precursors, for which there is a strong competition for use, in particular with food production. Resins for attaching lignin powder to fertilizer granules must be dissolved in organic solvents. Polyacrylamide as an alternative binder and the acrylic monomers used for the embedding of humic acids are petrochemical products. The vegetable oils are nutritionally relevant and are used for the production of detergents as well as energetically. The current production of polylactic acid from corn starch is in direct competition with food production.

Der in Patentanspruch 1 genannten Erfindung liegt das Problem zugrunde, petrochemische Acrylverbindungen in Düngerbeschichtungen zur verzögerten Nährstoff-Freisetzung durch biobasierte Acrylverbindungen zu ersetzen.The invention mentioned in claim 1 is based on the problem of replacing petrochemical acrylic compounds in fertilizer coatings for delayed release of nutrients by bio-based acrylic compounds.

Das Problem wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführte oxidative Umsetzung von pflanzlichen Hydroxyzimtsäuren in hochkonzentrierter Lösung zu einer wässrigen Reaktionslösung, die Benetzung des Düngergranulats mit der Reaktionslösung und das Aushärten der Lösung auf dem Granulat gelöst.The problem is solved by the listed in claim 1 oxidative conversion of plant hydroxycinnamic acids in highly concentrated solution to an aqueous reaction solution, the wetting of the fertilizer granules with the reaction solution and the curing of the solution on the granules.

Der in Patentanspruch 6 genannten Erfindung (Nebenanspruch) liegt das Problem zugrunde, die Verwendung von wässrigen Ligninlösungen oder Ligninsuspensionen zur Beschichtung von Düngergranulat so zu vereinfachen, dass weder Lösungsmittel, noch oleochemische, petrochemische oder giftige Binder/Vernetzer/Reaktionspartner erforderlich sind.The invention mentioned in claim 6 (independent claim) is based on the problem of simplifying the use of aqueous lignin solutions or lignin suspensions for coating fertilizer granules so that neither solvent, nor oleochemical, petrochemical or toxic binder / crosslinker / reactants are required.

Dieses Problem wird durch den in Patentanspruch 6 beschriebenen Zusatz von Lignin zu den nach Patentanspruch 1 hergestellten Reaktionslösungen gelöst.This problem is solved by the addition of lignin described in claim 6 to the reaction solutions prepared according to claim 1.

Vorteile der Erfindung: Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren, mit dem eine wässrige Beschichtungslösung für Düngergranulate hergestellt wird, wobei abgesehen von Ammoniumpersulfat (APS) als ein möglicher Polymerisationsinitiator ausschließlich biobasierte Komponenten verwendet werden, die bei industriellen Prozessen als Reststoffe anfallen. Überraschenderweise lassen sich diese Komponenten in konzentrierter Lösung mit APS so behandeln, dass ein sehr gut wasserlösliches Vorpolymerisat entsteht, welches sich dann nach Aufbringen auf das Düngergranulat in eine wasserbeständige Beschichtung überführen lasst.Advantages of the invention: The present invention describes a method by which an aqueous coating solution for fertilizer granules is produced, wherein apart from ammonium persulfate (APS) as a possible polymerization initiator exclusively bio-based components are used which are obtained as residues in industrial processes. Surprisingly, these components can be treated in concentrated solution with APS so that a very readily water-soluble prepolymer is formed, which can then be transferred after application to the fertilizer granules in a water-resistant coating.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ohne Zusatz von Lignin sind in den Patentansprüchen 2 bis 5 dargestellt. Die Ansprüche 2 bis 4 beschreiben die Herstellung und Zusammensetzung von Reaktionslösungen. Danach können aus Ferulasäure mithilfe von Ammoniumpersulfat Reaktionslösungen zur Beschichtung von Düngergranulaten hergestellt werden. Zur Aushärtung der wasserlöslichen Beschichtung nennt Patentanspruch 5 ein thermisches Verfahren.Advantageous embodiments of the invention without the addition of lignin are shown in claims 2 to 5. Claims 2 to 4 describe the preparation and composition of reaction solutions. Thereafter, reaction solutions for coating fertilizer granules can be prepared from ferulic acid using ammonium persulfate. For curing the water-soluble coating, claim 5 calls a thermal process.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung unter Zusatz von Lignin werden in den Ansprüchen 6 bis 8 genannt. Anspruch 9 gilt der Verwendung der Erfindung für die Beschichtung von Düngergranulaten, während Anspruch 10 aufzeigt, dass getrocknete Reaktionslösungen nach den Ansprüchen (2) und (7) auch zu einem Kunststoffgranulat verarbeitet werden können.Advantageous embodiments of the invention with the addition of lignin are mentioned in claims 6 to 8. Claim 9 is the use of the invention for the coating of fertilizer granules, while claim 10 shows that dried reaction solutions according to claims (2) and (7) can also be processed into a plastic granules.

Ausführungsbeispiele embodiments

zeigt die verzögerte Freisetzung von Phosphat aus Tripelsuperphosphat-Granulat, das mit drei verschiedenen Beschichtungen auf der Basis von Ferulasäure versehen wurde (b2, c1, c2). K stellt die Kontrolle mit nicht beschichtetem Granulat dar. Der Ansatz b2 unterscheidet sich von den Ansätzen c1 und c2 durch eine geringere Konzentration von Ammoniumpersulfat bei der Vorpolymerisation (Tabelle 1). Die beigefügte Zahl bezeichnet die Anzahl der Beschichtungsvorgänge mit der betreffenden Reaktionslösung. Zur Messung der Freisetzung durch destilliertes Wasser wurde das Granulat auf einen Papierfilter gelegt, der sich in einem Trichter befand. Pro Extraktion wurden 10 mL Wasser zugegeben und das Filtrat für die Bestimmung der P-Konzentration aufgefangen. Die Extraktion wurde zehnmal wiederholt. Die dargestellten Werte sind Mittelwerte aus zwei Filteransätzen. Tabelle 1 Komponente Ausführungsbeispiele b2 c1/c2 Lc1 Ferulasäure (g) 2,4 0,03 Aceton (mL) 8 0 NaOH 0,5 M (mL) 2 0,6 NaOH 6 M (mL) 1,83 0 Ligninsulfonat (g) 0 0 0,12 APS, 100 mg/mL (μL) 80 800 39 shows the delayed release of phosphate from triple superphosphate granules, which was provided with three different coatings based on ferulic acid (b2, c1, c2). K represents uncoated granule control. Batch 2 differs from batches c1 and c2 by a lower concentration of ammonium persulfate in the prepolymerization (Table 1). The attached number indicates the number of coating operations with the respective reaction solution. To measure the release by distilled water, the granules were placed on a paper filter which was in a funnel. Per extraction, 10 mL of water was added and the filtrate collected for P concentration determination. The extraction was repeated ten times. The values shown are mean values from two filter approaches. Table 1 component embodiments b2 c1 / c2 c1 Ferulic acid (g) 2.4 0.03 Acetone (mL) 8th 0 NaOH 0.5 M (mL) 2 0.6 NaOH 6M (mL) 1.83 0 Lignosulfonate (g) 0 0 0.12 APS, 100 mg / mL (μL) 80 800 39

Aus ist zu entnehmen, wieviel Phosphor Maissprosse nach einer Kultivierung auf einem Bodensubstrat enthielten, das mit unbeschichtetem oder beschichtetem Granulat gedüngt worden war. Das Düngungs-Experiment in der Klimakammer erfolgte nach der folgenden Methodik: Je vier Maiskaryopsen der Sorte AMADEO (KWS, Kleinwanzleben, Deutschland) wurden in einem Gefäß mit 1 kg Boden (Bodentyp Ferralsol) ausgesät. Nach zwei Wochen wurde die Anzahl der Pflanzen auf zwei reduziert. Das Experiment umfasste fünf Varianten entsprechend Tabelle 2 mit je vier Gefäßen. TSP bedeutet Tripelsuperphosphat. In den Varianten mit TSP wurde 0.51 g Granulat pro Gefäß etwa 1 cm unter den Maiskörnern appliziert (Unter-Fuß-Düngung). Abgesehen von P wurden alle Gefäße mit dergleichen Menge an N, K, Mg, S, Cl, Mn, Zn, Cu, Mo und B durch Zugabe in gelöster Form versorgt. Die Ernte erfolgte 31 Tage nach Aussaat. Tabelle 2 Variante Beschreibung N Kontrolle, keine P-Düngung K TSP, granuliert, keine Beschichung c1 TSP mit einfacher Beschichtung des Typs c c2 TSP mit doppelter Beschichtung des Typs c b2 TSP mit doppelter Beschichtung des Typs b Out It can be seen how much phosphorus had sprouts after cultivation on a soil substrate, which had been fertilized with uncoated or coated granules. The fertilization experiment in the climate chamber was carried out according to the following methodology: four corn caryopses of the AMADEO variety (KWS, Kleinwanzleben, Germany) were sown in a vessel with 1 kg of soil (soil type Ferralsol). After two weeks, the number of plants was reduced to two. The experiment included five variants according to Table 2 with four vessels each. TSP means triple superphosphate. In the variants with TSP, 0.51 g granules were applied per vessel about 1 cm below the corn kernels (under-foot fertilization). Except for P, all vessels were supplied with the same amount of N, K, Mg, S, Cl, Mn, Zn, Cu, Mo, and B by addition in dissolved form. The harvest took place 31 days after sowing. Table 2 variant description N Control, no P fertilization K TSP, granulated, no coating c1 TSP with a simple coating of type c c2 TSP with double coating of type c b2 TSP with double coating type b

Tabelle 1 stellt auch die Zusammensetzung für ein Ausführungsbeispiel mit dem sehr gut wasserlöslichen Ligninsulfonat dar (Lc1). Die Wasserbeständigkeit der mit der beschriebenen Reaktionslösung hergestellten Beschichtung wurde durch Einlegen in destilliertes Wasser für einen Tag nachgewiesen. Der pH-Wert aller Reaktionslösungen liegt zwischen 9 und 10, d. h. im Pufferbereich der phenolischen Hydroxylgruppe der Ferulasäure. Ein solcher leicht alkalischer pH-Wert der Reaktion- und damit der Beschichtungslösung ist für den Beschichtungserfolg wichtig. Bei tieferen pH-Werten ist die Benetzbarkeit des Tripelsuperphosphat-Granulats gering und bei einem pH-Wert oberhalb von 11 löst sich dieses Granulat teilweise auf.Table 1 also illustrates the composition for one embodiment of the highly water-soluble lignin sulfonate (Lc1). The water resistance of the coating prepared with the described reaction solution was detected by placing in distilled water for one day. The pH of all reaction solutions is between 9 and 10, d. H. in the buffer region of the phenolic hydroxyl group of ferulic acid. Such a slightly alkaline pH of the reaction and thus the coating solution is important for the coating success. At lower pH values, the wettability of the triple superphosphate granules is low and at a pH above 11, these granules partially dissolve.

Die folgenden Angaben geben dem Fachmann die erforderlichen Informationen, um die Reaktionslösungen und Beschichtungen herzustellen, die in den Ausführungsbeispielen beschrieben werden.

  • (1) Zur Herstellung der Reaktionslösungen wird undissoziierte Ferulasäure verwendet. Bei Verwendung von Ferulat muss die in Tabelle 1 angegebene NaOH-Konzentration erniedrigt werden.
  • (2) Das Herstellen der hochkonzentrierten Lösung von Ferulasäure in verdünntem Aceton gelingt nur dann ohne Ferulatausfällung, wenn die konzentrierte NaOH vorsichtig unter die wässrige Acetonphase, welche die vollständig gelöste Ferulasäure enthält, unterschichtet wird. Dadurch entsteht ein durchscheinender gelber Bodensatz, der auf die Mitnahme von Ferulasäure und dessen vollständige Dissoziation (inkl. phenolische Hydroxylgruppe) zurückgeht. Die Lösung muss dann sofort gemischt, anschliessend auf 60°C erwärmt und so lange wiederholt gemischt werden, bis eine klare Lösung erhalten wird. Im Detail ist die Vorgehensweise folgendermaßen: Das Reaktionsgefäß wird aus dem Wasserbad (60°C) genommen und nach nur leichtem Abkühlen auf ca. 45°C geöffnet. Die darin enthaltene Lösung wird vom Rand her langsam mit 6 M NaOH unterschichtet. Dann wird das Gefäß sofort verschlossen und der Inhalt auf dem Whirlmix (Vortex) behutsam vermischt, bis der Bodensatz sich weitgehend gelöst hat. Die Drehzahl des Whirlmix ist so einzustellen, dass die Lösung nicht bis an den Deckel des Gefäßes gelangt. Dadurch wird der Sauerstoff-Kontakt mit der Lösung begrenzt. Das Gefäß wird wieder für 5 min ins Wasserbad gestellt und danach der Inhalt erneut behutsam gemischt, bis sich der restliche gelbe Bodensatz vollständig aufgelöst hat. Beim Mischen ist eine Abkühlung unter 40°C zu vermeiden und das Gefäß bei Bedarf erneut ins Wasserbad zu stellen, soweit noch keine klare Lösung vorliegt.
  • (3) Die saure Wirkung von Ligninsulfonat kann je nach Quelle der Substanz unterschiedlich stark ausfallen. Das Ausführungsbeispiel in Tabelle 1 bezieht sich auf Ca-Ligninsulfonat der Carl Roth GmbH (Produkt-Nr. 8208.1). Für andere Ligninsulfonate muss die NaOH-Konzentration überprüpft werden.
  • (4) Die Zugabe von APS erfolgt vor Erwärmen der Reaktionsmischung in der folgenden Weise: (a) Ammoniumpersulfat (APS) wird als Lösung in hochreinem Wasser (MilliQ-Anlage; Merck-Millipore) zugesetzt. (b) Die hochkonzentrierte Ferulatlösung bzw. die Ligninsulfonat-Ferulat-Lösung wird auf Raumtemperatur abgekühlt. Die APS-Lösung wird tropfenweise über den Rand in das Gefäß eingeleitet, das Gefäß verschlossen und sofort behutsam vermischt. Diese Mischung ist bei Raumtemperatur gegenüber Ausfällungen mindestens 10 min stabil.
  • (5) Die Reaktionsmischung wird nach APS-Zugabe und vor Erwärmen mit Argon überschichtet. Andere inerte Gase können verwendet werden, solange gewährleistet ist, dass kein Sauerstoff in die Reaktionsmischung eingetragen wird.
  • (6) Die Reaktionsmischung wird 3 h bei 60°C inkubiert.
  • (7) Die Ansätze ohne Ligninsulfonsäure (b und c) können statt in 80%igem Aceton auch in 12 mL einer 1,6 M NaOH-Lösung durchgeführt werden.
  • (8) Bei einem Ansatz mit Aceton kann der Acetonanteil nach der Inkubation verdampft werden und das zurückbleibende Gel mit einem dem Aceton äquivalenten Volumen an Wasser wieder gelöst werden.
  • (9) Das Gel kann auch mit im Überschuss vorhandenem Polymerisationsinitiator bei erhöhter Temperatur weiter umgesetzt werden.
  • (10) Weiterhin kann das Gel getrocknet werden und als Reaktionsharz thermisch in einen duroplastischen Kunststoff umgewandelt werden.
  • (11) Für die Ausführungsbeispiele wurde Tripelsuperphosphat der Firma Triferto (Doetinchem, NL) verwendet. Das wasserlösliche Produkt enthält 45% Phosphorsäureanhydrid.
  • (12) Zur Herstellung einer Düngerbeschichtung wird das Düngergranulat mit der Reaktionslösung benetzt und 10 min bei 80°C getrocknet. Soweit noch Aceton in der Reaktionslösung enthalten ist, wird es vorher abgedampft.
  • (13) Das Aushärten des Oberflächenrückstands wird durch 10-minütiges Erhitzen bei 160°C erzielt. Bei Auftragung von zwei Schichten (siehe Ausführungsbeispiele) beträgt die Erhitzungszeit jeweils 5 min.
The following information will provide those skilled in the art with the information needed to prepare the reaction solutions and coatings described in the embodiments.
  • (1) Undissociated ferulic acid is used to prepare the reaction solutions. When using ferulate, the NaOH concentration indicated in Table 1 must be lowered.
  • (2) The preparation of the highly concentrated solution of ferulic acid in dilute acetone succeeds only without ferulat precipitation, when the concentrated NaOH is carefully submerged under the aqueous acetone phase containing the completely dissolved ferulic acid. This results in a translucent yellow sediment, which is due to the entrainment of ferulic acid and its complete dissociation (including phenolic hydroxyl group). The solution must then be mixed immediately, then heated to 60 ° C and mixed repeatedly until a clear solution is obtained. In detail, the procedure is as follows: The reaction vessel is taken from the water bath (60 ° C) and opened after only a slight cooling to about 45 ° C. The solution contained therein is slowly underlaid from the edge with 6 M NaOH. Then the vessel is closed immediately and the contents are mixed gently on the Whirlmix (Vortex) until the sediment has largely dissolved. The speed of the Whirlmix should be adjusted so that the solution does not reach the lid of the vessel. This limits the oxygen contact with the solution. The vessel is again placed in the water bath for 5 minutes and then the contents are gently mixed again until the remaining yellow sediment has completely dissolved. When mixing, avoid cooling below 40 ° C and, if necessary, place the vessel in the water bath again, if no clear solution is present.
  • (3) The acidic effect of lignosulfonate may vary depending on the source of the substance. The exemplary embodiment in Table 1 relates to Ca lignosulfonate from Carl Roth GmbH (product No. 8208.1). For other lignosulfonates, the NaOH concentration must be checked.
  • (4) APS is added prior to heating the reaction mixture in the following manner: (a) Ammonium persulfate (APS) is added as a solution in ultrapure water (MilliQ system; Merck-Millipore). (b) The high-concentration ferulate solution or the lignosulfonate-ferulate solution is cooled to room temperature. The APS solution is introduced dropwise over the edge into the vessel, the vessel is closed and immediately mixed gently. This mixture is stable at room temperature to precipitations for at least 10 minutes.
  • (5) The reaction mixture is overcoated after addition of APS and before heating with argon. Other inert gases may be used as long as it is ensured that no oxygen is introduced into the reaction mixture.
  • (6) The reaction mixture is incubated at 60 ° C for 3 hours.
  • (7) The lignosulfonic acid (b and c) mixtures can also be carried out in 12 ml of a 1.6 M NaOH solution instead of 80% acetone.
  • (8) In a acetone batch, the acetone portion can be evaporated after incubation and the residual gel redissolved with an acetone equivalent volume of water.
  • (9) The gel can be further reacted with excess polymerization initiator at elevated temperature.
  • (10) Further, the gel may be dried and thermally converted into a thermosetting resin as a reaction resin.
  • (11) Tripel superphosphate from Triferto (Doetinchem, NL) was used for the exemplary embodiments. The water-soluble product contains 45% phosphoric anhydride.
  • (12) To prepare a fertilizer coating, the fertilizer granules are wetted with the reaction solution and dried at 80 ° C for 10 minutes. As far as acetone is still contained in the reaction solution, it is previously evaporated.
  • (13) The surface residue is cured by heating at 160 ° C for 10 minutes. When applying two layers (see embodiments), the heating time is 5 min.

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Claims (1)

(1) Oxidative Umsetzung von pflanzlichen Hydroxyzimtsäuren in hochkonzentrierter Lösung zu einer wässrigen Reaktionslösung, die sich auf Düngergranulate auftragen und aushärten lasst (2) Hochkonzentrierte schwach saure bis leicht alkalische Reaktionslösungen, die aus Ferulasäure hergestellt werden und deren Oxidation- und Polymerisationsprodukte enthalten (3) Umsetzung von Hydroxyzimtsäuren zur Herstellung der Reaktionslösungen mithilfe von chemischen oder biochemischen Initiatoren radikalischer Polymerisationsreaktionen (4) Umsetzungsverfahren nach (2) und (3) mithilfe von Ammoniumpersulfat (5) Aushärten der Reaktionslösung auf dem Düngergranulat durch Erhitzen (6) Nebenanspruch: Oxidative Umsetzung von Hydroxyzimtsäuren in Gegenwart von Lignin nach (2) bis (4) zu einer Reaktionlösung, die sich auf Düngergranulaten aushärten lasst (7) Hochkonzentrierte schwach saure bis leicht alkalische Reaktionslösungen, die aus Ferulasäure und Ligninsulfonat hergestellt werden und deren Oxidation- und Polymerisationsprodukte enthalten (8) Aushärten der unter Zusatz von Ligninsulfonat hergestellten Reaktionslösung durch Erhitzen (9) Verwendung der Reaktionslösungen nach (2) und (7) für die Beschichtung von Düngergranulaten (10) Verarbeitung der Reaktionslösungen nach (2) und (7) zu Kunststoffgranulaten(1) Oxidative conversion of plant Hydroxyzimtsäuren in highly concentrated solution to an aqueous reaction solution, which is applied to fertilizer granules and allowed to cure (2) Highly concentrated weakly acidic to slightly alkaline reaction solutions prepared from ferulic acid containing their oxidation and polymerization products (3) Reaction of hydroxycinnamic acids to produce the reaction solutions using chemical or biochemical initiators of radical polymerization reactions (4) Reaction method of (2) and (3) using ammonium persulfate (5) curing the reaction solution on the fertilizer granules by heating (6) Secondary claim: Oxidative conversion of hydroxycinnamic acids in the presence of lignin according to (2) to (4) to a reaction solution which is allowed to harden on fertilizer granules (7) Highly concentrated weakly acidic to slightly alkaline reaction solutions prepared from ferulic acid and lignosulfonate containing their oxidation and polymerization products (8) Curing the reaction solution prepared by adding lignosulfonate by heating (9) Use of the reaction solutions according to (2) and (7) for the coating of fertilizer granules (10) Processing of the reaction solutions according to (2) and (7) into plastic granules
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