Nutrient Cycling in Agroecosystems Volume 30 Issue 1 1991 [Doi 10.1007%2Fbf01048832] D. W. Rutland -- Fertilizer Caking- Mechanisms, Influential Factors, And Methods of Prevention

8/11/2019 Nutrient Cycling in Agroecosystems Volume 30 Issue 1 1991 [Doi 10.1007%2Fbf01048832] D. W. Rutland -- Fertiliz

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Fertilizer Research 30: 99-114 1991.

1991 Kluwer Academic Publishers Printed in the Netherlands

F e r t il iz e r c a k i n g : m e c h a n i s m s i n f lu e n t ia l f a c t o r s a n d m e t h o d s o f

p r e v e n t i o n

D W R u t l a n d

In ternat ional Fer t il iz er Dev e lopm ent Center IFD C) , P .O . B ox 2040 , Musc le Shoals , A L 35662 , U SA

Key words :

A n t i c a k i n g a g e n t s , c a k i n g , c o a t i n g , c o n d i t i o n e r s

Ab str ac t

M o s t f e r t i l i z e r s h a v e s o m e t e n d e n c y t o f o r m l u m p s o r a g g l o m e r a t e s ( c a k i n g ) d u r i n g s t o r a g e . T h e

m e c h a n i s m o f c a k i n g in f e rt i li z e rs i s m o s t o f t e n a t t r i b u t e d t o t h e f o r m a t i o n o f s a lt b r i d g e s a n d / o r

c a p i l la r y a d h e s i o n . T h e s e v e r i t y o f ca k i n g c a n b e i n f l u e n c e d b y a n u m b e r o f f a c t o r s , s u c h a s c h e m i c a l

c o m p o s i t i o n , m o i s t u r e c o n t e n t , p a r t i c le s t r u c t u r e , m e c h a n i c a l s tr e n g t h , h y g r o s c o p i c p r o p e r t i e s , p r o d u c t

t e m p e r a t u r e , a m b i e n t c o n d i t i o n s , s to r a g e t im e , a n d s t o r a g e p r e s s u r e . T h e v a r i o u s m e t h o d s o f r e d u c i n g

or e l imina t ing cak ing in f e r t i li ze r s bas ica l ly invo lve p roce s s con t ro l , s to r ag e /pa cka g ing cond i t ions ,

a n d / o r a d d i t i o n o f a n t i ca k i n g a g e n t s.

C a k i n g m e c h a n i s m s , f a c t o r s th a t i n f l u e n c e c ak i n g , a n d m e t h o d s o f p r e v e n t i o n a r e d i s c u s s e d in t h is

p a p e r . P a r t i c u l a r a t t e n t i o n i s g i v e n t o t h e v a r i o u s t y p e s o f a n ti c a k in g a g e n t s a n d t h e i r m o d e s o f a c t io n .

T h e p a p e r a l so p r o v i d e s a f a ir l y c o m p r e h e n s i v e l is t o f c o m m e r c i a l l y a v a il a b l e a n t ic a k i n g a g e n t s a n d

t h e i r p r o d u c e r s .

In tr od u c t i on

I t is t h e r e s p o n s i b il i t y o f t h e m a n u f a c t u r e r t o s e e

tha t the cons umer r ece ives a qua l i ty f e r t i l i ze r . A

q u a l i t y f e r t i l i z e r s h o u l d m e e t n o t o n l y t h e

s p e c i f i e d n u t r i e n t r e q u i r e m e n t s b u t a l s o c e r t a i n

e x p e c t e d s t a n d a r d s o f p h y s i c al qu a l it y . T h e r e -

fo re , a f e r t i l i ze r s hou ld be a s f r ee f low ing , dus t

f r e e , a n d n o n h y g r o s c o p i c a s p o s s i b l e .

F e r t il i z e rs , b e t w e e n t h e t i m e o f p r o d u c t i o n

and f ina l app l i ca t ion to the s o i l , mus t be s to red ,

e i t h e r i n b u l k o r i n b a g s , f o r p e r i o d s t h a t c a n

v a r y f r o m l e s s t h a n a m o n t h t o a y e a r o r m o r e .

D ur ing th i s t ime i t i s e s s en t i a l tha t the ma te r i a l s

r e m a i n f r e e f l o w i n g ( n o n c a k e d ) . U n f o r t u n a t e l y ,

m a n y f e r t i l i z e r s , u n d e r c e r t a i n c o n d i t i o n s , t e n d

to cake in to ha rd lumps [1 ] .

Cau se s o f c ak i n g

C a k i n g o f f e rt i li z e r i s c a u s e d b y t h e f o r m a t i o n o f

c o n t a c t p o i n t s b e t w e e n t h e p a r t i c l e s ( g r a n u l e s ,

p r i l l s , t ab le t s , b r ique t t e s , pow der , c ry s ta l s , e t c . ) .

T h e s e c o n t a c t p o i n t s d i f f e r i n n a t u r e a n d c a n

b e d i v i d e d i n t o t h r e e t y p e s , n a m e l y , p h a s e

con tac t s , adhes ive con tac t s , and l iqu id con tac t s

[2].

P has e con tac t s ( s a l t b r idges ) a r e c rys ta l b r idges

f o r m e d a t t h e c o n t a c t p o i n t s b e t w e e n t h e f e r t i l -

i z e r p a r t i c l e s . T h e m o s t t r o u b l e s o m e c a k i n g o f

f e r t i l i ze r s i s be l i eved to be caus ed by c rys ta l

b r i d g i n g . C r y s t a l b r i d g e s d e v e l o p d u r i n g s t o r a g e

as a re s u l t o f con t inu ing in te rna l chem ica l r e -

a c t i o n s , d i s s o l u t i o n / r e c r y s t a l l i z a t i o n p r o c e s s e s ,

a n d / o r t h e r m a l e f f e c t s .

A d h e s i v e c o n t a c t s ( c a p i l l a r y a d h e s i o n ) a r e

f o r m e d a s a r e s u l t o f m o l e c u l a r a t t r a c t io n b e -

t w e e n t h e s u r f a c e s i n c o n t a c t . T h e s e f o r c e s o f

a t t r a c t i o n , k n o w n a s V a n d e r W a a l s f o r c e s , a r e

c o n s i d e r e d t o b e r e l a t i v e l y w e a k . T h i s t y p e o f

con tac t i s in f luenced mos t ly by the p la s t i c i ty o f

t h e p a r t i c l e s a n d t h e p r e s s u r e e x e r t e d o n t h e

fe r t i l i ze r ma te r i a l w hen i t i s s t acked in bags o r

p i l e d i n b u l k . T h e c o n d i t i o n i s u s u a l l y r e f e r r e d t o

a s b a g o r p i l e s e t , a n d t h e m a t e r i a l n o r m a l l y


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reve r t s to a f r ee - f low ing fo rm r a the r eas i ly w i th a

m i n i m a l a m o u n t o f h a n d l in g .

L i q u i d c o n t a c t s a r e d u e t o c o n s i d e r a b l e w e t -

t ing o f the p roduc t , w h ich caus es f i lms o f a

s a t u r a t e d s o l u t i o n t o fo r m b e t w e e n p a r ti c l es .

F o r m a t i o n o f t h e s e t y p e s o f c o n t a c t p o i n ts i s

de f ine d as s t i ck ing . A l tho ugh s uch s t i ck ing has

l i t tl e s t r eng th , i t i s obv io us ly unde s i r ab le .

a c t o r s i n f l u e n c i n g c a k i n g

Cak ing in f e r t i l i ze r s can be in f luenced by a num-

b e r o f f a c t o r s . T h e s e f a c t o r s c a n b e d i v i d e d i n t o

in te rna l f ac to r s , r e l a t ed to the phys ica l - chemica l

cons t i tu t io n o f the f e r t i l ize r , an d ex te rna l f ac -

t o r s , r e l a t e d t o t h e e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n s t o

w h ich the f e r t i l i ze r i s expos ed du r ing hand l ing

a n d s t o r a g e . M a n y o f t h e s e f a c to r s a r e in t e r r e-

lated [1, 3, 4, 5, 6] .

n terna l f ac tors

T h e m o i s t u r e c o n t e n t o f t h e p r o d u c t i s u s u a l ly

c o n s i d e r e d t o b e t h e m o s t i m p o r t a n t f a c t o r i n

p r o m o t i n g c a k i n g . F o r m o s t c a k i n g m e c h a n i s m s ,

t h e p r e s e n c e o f m o i s t u r e , i n t h e f o r m o f s o l u t i o n

phas es , i s e s s en t i a l . G e nera l ly , t he h ighe r the

d e g r e e o f d r yi n g a t t h e t i m e o f m a n u f a c t u r e , t h e

le s s ac t ive the cak ing mechan i s ms w i l l be . The

e x t e n t o f d r y i n g r e q u i r e d t o e f f e c t i v e l y i n a c t iv a t e

c a k i n g m e c h a n i s m s v a r i e s r a t h e r w i d e l y w i t h

t h e c o m p o s i t i o n a n d p h y s ic a l m a k e u p o f t h e

fer t i l izer .

T h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n h a s a n e f f e c t o n t h e

c a k i n g t e n d e n c y o f a f e r t i l i z e r . F o r e x a m p l e , i t

h a s b e e n s h o w n t h a t t h e c a k i n g t e n d e n c y o f

a m m o n i u m n i t r a t e - b a s e d a n d u r e a - b a s e d N P K

fer t i l i ze r s i s s ign i f i can t ly g r ea te r than tha t o f

a m m o n i u m s u l f a t e - b a s e d a n d a m m o n i u m p h o s -

p h a t e - b a s e d N P K f e r t i l i z e r s . E v e n i m p u r i t i e s

m a y a f f e c t c a k i ng . T h e T e n n e s s e e V a l l e y A u -

t h o r i t y ( T V A ) h a s d e m o n s t r a t e d t h a t i r o n a n d

a l u m i n u m i m p u r i t i e s p r e s e n t i n d i a m m o n i u m

p h o s p h a t e a r e e f f e c t i v e i n d e c r e a s in g c a k i n g .

T h e s iz e a n d s h a p e o f th e p a r t i c le s a r e a l s o

im por tan t . I f t he pa r t i c l e s a r e r e l a t ive ly l a rge ,

w e l l f o r m e d , a n d u n i f o r m i n si ze a n d s h a p e w i t h

ve r y l i tt l e f ine ma te r i a l , t he s pec i fi c s u r f ace a r e a

i s r e d u c e d . C o n s e q u e n t l y , f o r c e s o f a t t r a c ti o n

a n d p o i n t s o f c o n t a c t b e t w e e n a d j a c e n t p a r t i c l e s

a r e r e d u c e d , l o w e r i n g t h e t e n d e n c y t o c a k e .

T h e m e c h a n i c a l s t r e n g t h o r h a rd n e s s o f th e

p a r t i c le s h a s a n e f f e c t o n t h e c a k i n g t e n d e n c y .

W e a k g r a n u l e s m a y b r e a k d o w n u n d e r s t a c k o r

p i l e p r es s u re ( c rus h ing s t r eng th ) o r du r ing hand l -

ing ( ab ras ion and impac t s t r eng th ) . A s a r e s u l t , a

s u b s t a n t i a l q u a n t i t y o f f i n e s c a n b e c r e a t e d ,

t h e r e b y i n c r e a s i ng t h e n u m b e r o f c o n t a c t p o i n ts

b e t w e e n p a r t i c l e s .

T h e h y g r o s c o p i c p r o p e r t i e s o f t h e p r o d u c t c a n

h a v e a n e f f e c t o n t h e d e g r e e o f c a k in g . A l l

f e r ti l iz e r s h a v e a m a x i m u m r e l a ti v e h u m i d i t y ( r e -

f e r r e d t o a s t h e c r i t i c a l r e l a t i v e h u m i d i t y [ C R H ] )

a b o v e w h i c h t h e y w i l l a b s o r b m o i s t u r e . T h e

C R H , a u n i q u e m a t e r i a l p r o p e r t y , i s g e n e r a l l y

l o w e r e d w h e n t h e m a t e r i a l c o n t a i n s i m p u r i t i e s o r

i s mixed w i th o the r f e r t i l i ze r s a l t s . Cak ing as a

r e s u l t o f m o i s t u r e a b s o r p t i o n u s u a l l y o c c u r s

a l o n g t h e p i l e s u r f a c e ; w i t h p r o l o n g e d e x p o s u r e

o f t h e m a t e r i a l t o e l e v a t e d h u m i d i ti e s , c a k i n g

c a n b e c o m e q u i t e d e e p . T h e h y g r o s c o p i c n a t u r e

o f a f e r t i l i z e r p r o d u c t , a l o n g w i t h p r o d u c t t e m -

p e r a t u r e , a m b i e n t t e m p e r a t u r e , a n d a t m o s p h e r ic

r e l a t ive humid i ty , a l s o in f luences the mas s t r ans -

f e r o f mo is tu r e th rou gh a bu lk p i l e o f f e r t il i ze r.

Tra ns fe r o f mo is tu r e th roug h a p i l e o f f e r t il i ze r

c a n c a u s e s e v e r e c a k i n g p r o b l e m s .

T h e t e m p e r a t u r e o f t h e p r o d u c t w h e n p l ac e d

i n s t o r a g e i n f l u e n c e s c a k i n g t e n d e n c y . H i g h e r

t e m p e r a t u r e s i n c r e a s e t h e c h e m i c a l r e a c t i v i t y ,

s u c h a s t h e r e - e v a p o r a t i o n o f w a t e r , w h i c h re -

s u l t s in r ec rys ta l l i za t ion and fo rm at ion o f s o l id

c rys ta l l ine b r idges . A dd i t iona l ly , a h igh p roduc t

t e m p e r a t u r e c a n p r o m o t e p a r t i c l e p l a s t i c i t y c a u s -

i n g t h e p a r t i c l e s t o d e f o r m u n d e r p r e s s u r e . T h i s

d e f o r m a t i o n p r o m o t e s b o t h c r y s t a l b r i d g i n g a n d

c a p i l l a r y a d h e s i o n . F o r e x a m p l e , a r e p o r t b y

N e d e r l a n d s e S t i k st o f M a a t s c h a p p ij ( N S M ) , a

c o m p a n y t h a t h a s d o n e e x t e n s i v e r e s e a r c h o n t h e

c a k i n g te n d e n c y o f u r e a , s t a t e s , U r e a b e i n g f e d

to the s tockp i l e a t 50C to 70C w i l l de f in i t e ly

f o r m s t r o n g c a k e s . T h e l o w e r t h e f e e d t e m p e r a -

t u r e , t h e l o w e r th e t e n d e n c y t o c a k e . T h e c o n -

c lu s ion o f the s tudy w as tha t i f t he p r i l l s a r e

c o o l e d b e l o w 3 0 C b e f o r e e n t e r i n g s t o r a g e , t h e r e

i s l e s s agg lo me ra t ion and , m a in ly , the agg lomer -

a te s a r e s o f t e r [ 7 ] .


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101

xternal factors

T h e w a r e h o u s e o r s t o r a g e t e m p e r a t u r e c a n h a v e

a n e f f e c t o n c a k i n g t e n d e n c y i n f e rt i li z e r. H i g h e r

a m b i e n t t e m p e r a t u r e s l o w e r th e C R H o f a f er ti l-

i z e r m a t e r i a l a n d t h e r e b y i n c r e a s e i t s h y g r o s -

c o p i c i ty . F o r e x a m p l e , t h e C R H o f a 15 -1 5- 15

n i t r o p h o s p h a t e i s a p p r o x i m a t e l y 5 5 a t 3 0 C ,

w h erea s i t i s app rox im ate ly 45 a t 40C . Con -

v e r s e l y , r a is i n g t h e t e m p e r a t u r e o f e xi s ti n g

w a r e h o u s e a i r w i l l r e d u c e t h e r e l a t i v e h u m i d i t y

( R H ) . T h i s m e t h o d is e m p l o y e d t o l ow e r th e

w a r e h o u s e R H b e l o w t h e C R H o f t h e fe rt il iz e r.

T h e h u m i d i t y o f th e s u r r o u n d in g a t m o s p h e r e

a f f e c t s c a k i n g . A s m e n t i o n e d p r e v i o u s l y , w h e n a

f e r t i l i z e r i s e x p o s e d t o a R H a b o v e i t s C R H ,

a b s o r p t i o n o f m o i s t u r e w i ll t a k e p l a c e . S a t u r a t e d

s o l u t i o n s w i l l t h e n b e f o r m e d a t t h e g r a n u l e

s u r f a c e , p r o m o t i n g c a p i l l a r y a d h e s i o n a n d c r y s -

t a l l i z a t i o n p r o c e s s e s d u e t o c h a n g e s i n t e m p e r a -

t u r e o r s u b s e q u e n t e v a p o r a t i o n . H e r e t h e s e v e r i -

t y o f c a k i n g d e p e n d s m a i n l y o n t h e r a t e o f

a b s o r p t i o n . T h e r a t e o f a b s o r p t i o n is d e p e n d e n t

on f ac to r s s uch as :

1 . T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e R H o f t h e a ir a n d

t h e C R H o f t h e f e r ti l iz e r ;

2 . T h e m o v e m e n t o f ai r w i th a c o n s t a n t R H o v e r

the f e r t i l i ze r ;

3 . T h e m o i s t u r e - h o l d i n g c a p a c i t y o f t h e f e rt i li z e r

a s i n f l u e n c e d b y t h e g r a n u l o m e t r y a n d p o r o s i -

t y a n d

4 . T h e r a t e o f p e n e t r a t i o n i n t o t h e b u l k o f f e rt i l-

izer [3].

T h e l e n g t h o f s t o r a g e t i m e i n f lu e n c e s c a k in g .

I n m o s t c a s e s , t h e t e n d e n c y o f a f e r ti l iz e r t o c a k e

i s h ighes t du r ing th e f i r st f ew w eek s a f t e r p roduc-

t i on . H o w e v e r , i f a f e r ti l iz e r h a s a t e n d e n c y t o

c a k e , i n m o s t c a s e s p r o l o n g e d s t o r a g e p e r i o d s

wil l resul t in a s ignif icant increase in caking.

Co nve r s e ly , i f a f e r ti l i ze r does no t have a t en -

d e n c y t o c a k e , p r o l o n g e d s t o r a g e w i l l u s u a l l y n o t

r e s u l t i n cak ing .

T h e p r e s s u r e e x e r t e d a t t h e b o t t o m o f a st a c k

o r p i l e o f f e r t i l i ze r has a de f in i t e e f f ec t on cak -

ing . A s w i th s to r age t ime , i f a f e rt i l ize r has a

t e n d e n c y t o c a k e , e x c e s s i v e a n d p r o l o n g e d p r e s -

sure wi l l resul t in a s ignif icant increase in caking.

U n d e r p r e s s u re , p a r ti c le d e f o r m a t i o n m a y o c c u r ,

r e s u l t i n g i n i n c r e a s e d c o n t a c t a r e a . C o n v e r s e l y ,

i f a f e r t i l i z e r d o e s n o t h a v e a t e n d e n c y t o c a k e ,

e x c e s s i v e a n d p r o l o n g e d p r e s s u r e ( w i t h in r e a s o n -

ab le l imi t s ) w i l l u s ua l ly no t r e s u l t i n cak ing .

So l u t i o ns t o ca k i ng

T h e f e r t i l i z e r i n d u s t r y h a s a d o p t e d v a r i o u s m e a -

s u res to a l l ev ia t e cak ing , inc lud ing the fo l low ing :

1 . T h e u s e o f v a r i o u s d r y i n g p r o c e s s e s t o o b t a i n

a p r o d u c t w i t h a l o w m o i s t u r e c o n t e n t .

2 . T h e u s e o f v a r i o u s c o o li n g p r o c e s s e s t o o b t a i n

a p r o d u c t w i t h a l o w t e m p e r a t u r e .

3 . The u s e o f va r ious g r anu la t ion , p r i ll i ng , and

pe l l e t i z ing p roces s es to p roduce l a rge r pa r t i -

c l e s t h e r e b y d e c r e a s i n g t h e s u r f a c e a r e a a n d

n u m b e r o f c o n t a c t p o i n t s b e t w e e n p a r ti c l es .

4 . T h e u s e o f s c r e e n in g e q u i p m e n t t o o b t a i n a

m o r e u n i f o r m p a r t i c l e s i z e t h e r e b y d e c r e a s i n g

t h e s u r f a c e a r e a a n d n u m b e r o f c o n t a c t p o i n ts

b e t w e e n p a r t i c l e s .

5 . T h e c o n t r o l o f s t o r a g e c o n d i t io n s s u c h a s R H ,

t e m p e r a t u r e , p i le h e i g h t, a n d s t o r a g e ti m e .

6 . P ack ag ing f e r t i li ze r p rod uc t s in mo is tu r e -

r e s i s t an t bags .

7 . Th e add i t ion o f an t i cak ing agen t s ( con -

d i t ione r s ) .

A s i n d i c a t e d , m u c h c a n b e d o n e t o d e c r e a s e

t h e c a k i n g t e n d e n c y b y i m p r o v i n g b o t h p r o c e s s

a n d s t o r a g e c o n d i t i o n s . H o w e v e r , t h e r e i s a l w a y s

a p r a c t i c a l a n d e c o n o m i c a l l i m i t t o w h i c h t h e

a b o v e m e a s u r e s c a n b e u s e d . T h u s , i n m a n y

c a s e s t h e u s e o f a n a n t i c a k i n g a g e n t i n c o m b i n a -

t i o n w i t h p r o c e s s a n d s t o r a g e c o n t r o l i s t h e o b v i -

o u s a n s w e r t o c a k i n g p r o b l e m s . H o w e v e r , i t

s h o u l d b e e m p h a s i z e d h e r e t h a t a n a n t i c a k i n g

a g e n t c a n n o t b e u s e d t o c o m p e n s a t e f o r a p o o r ly

p r o d u c e d o r h a n d l e d f e r t i l i z e r .

c t i o n o f a n t i c a k i n g a g e n t s

V a r i o u s m o d e s o f a c ti o n h a v e b e e n s u g g e s t e d t o

e x p l a i n h o w a n t i c a k i n g a g e n t s p r e v e n t c a k i n g .

T h e f o l l o w i n g m e c h a n i s m s a r e c o m m o n l y c i t e d

in the l i tera ture [1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6] :

1 . P rev en t ing s a tu r a ted s o lu t ions on the s u r faces

o f t w o a d j a c e n t p a r t i c le s f r o m c o m i n g in

con tac t .


4/16


5/16

a f fi n it y f o r w a t e r ) g r o u p s , t h e y c a n b e s u b d i v i d e d

in to tw o c la s s es acco rd ing to the i r po la r s t ruc -

tu re : (1 ) ion ic , w h ich can be fu r the r c l a s s i f i ed

a c c o r d i n g t o t h e p o l a r i t y o f t h e c h a r g e c a r r i e d o n

t h e a c t i v e p a r t o f t h e m o l e c u l e ( a n io n i c i f t h e

charg e i s nega t ive o r ca t ion ic i f the ch a rge i s

p o s i t i v e ) , a n d ( 2 ) n o n i o n i c , w h e r e t h e m o l e c u l e

i s e l ec t ron ica l ly neu t r a l .

T h e a n i o n i c s u r f a c t a n t s c o m m o n l y e m p l o y e d

are ma in ly s u l fona tes , pa r t i cu la r ly a lky l a ry l s u l -

f o n a t e s o b t a i n e d f r o m n a p h t h a l e n e a n d b e n z e n e

der iva t ives . I t i s p r imar i ly due to the i r hyd ropho-

b ic na tu re tha t the an ion ic s u r f ac tan t s ac t a s

an t i cak ing agen t s ; i . e . , t h i s inc reas es the con tac t

ang le o f the f e r t i l i ze r s o lu t ion and r educes the

t e n s i le s t r e n g t h o f th e c a k i n g b o n d .

C a t i o n i c s u r f a c t a n ts a r e d o m i n a t e d b y th e f a t t y

a m i n e s , e s p e c i a l l y t h o s e w i t h a l o n g c a r b o n

c h a i n - li k e o c t a d e c y c l a m i n e . C a k i n g is p r e v e n t e d

b y t h r e e d i f f e r e n t m e c h a n i s m s : b y t h e f o r m a t i o n

o f a h y d r o p h o b i c c o a t i n g o n t h e s u r f a c e o f t h e

p a r t i c l e s , t h u s i m p r o v i n g w a t e r r e p e l l e n c y ; b y

r e d u c i n g c a p i l l a r y a d h e s i o n b e t w e e n p a r t i c l e s ;

a n d b y i n h i b i ti n g n u c l e a t i o n o r o t h e r w i s e m o d -

i fy ing c rys ta l g row th .

Th e l a rges t c l a ss o f non ion ic s u r f ac tan t s i s the

p o l y o x y e t h y l e n e c o n d e n s a t e s , b u t t h e s e h a v e

o n l y a m o d e r a t e e f f e c t a n d a r e n o t w i d e l y u s e d .

S i l i c o n e f l u i d s m a y b e c o n s i d e r e d a s n o n i o n i c

s u r f a c t a n t s ; a l t h o u g h t h e y a r e u s e d a s a n t i c a k i n g

a g e n t s f o r m a n y p o w d e r s , t h e i r u s e o n f e r t i l i z e r s

i s l imi ted due to the i r h igh cos t . O the r non ion ic

s u r f ac tan t s inc lude f a t ty ac id e s te r s , s ubs t i tu ted

u r e a s , a n d a l d e h y d e s a n d k e t o n e s w i t h l o w

m o l e c u l a r w e i g h t .

N o n s u r f a c e a c t i v e c o a t i n g a g e n t s a r e o r g a n i c

c o m p o u n d s t h a t d o n o t e x h i b i t s u r f a c e a c t i v i t y

b u t t h a t f o r m a m o i s t u r e - r e s i s t a n t l a y e r o n t h e

s u r f ace o f the f e r t i l i ze r pa r t i c l e . Typ ica l nons u r -

f ace ac t ive coa t ing agen t s inc lude pa ra f f in w ax ,

s y n t h e t i c p o l y m e r s , a n d o i l s . T h e y c a n b e u s e d

a l o n e o r i n c o m b i n a t i o n w i t h a n i n e r t d u s t .

nternal or chemical conditioners

This type o f con d i t ion e r ( an t i cak ing ag en t ) i s

a d d e d t o t h e f e r t i l i z e r d u r i n g p r o c e s s i n g . T h e s e

cond i t ione r s ac t in te rna l ly , u s ua l ly a s ha rdener s

o r c r y s t a l m o d i f i e r s t o i m p r o v e s t o r a g e p r o p -

e r t i e s .

103

F o r u r e a c o n d i t i o n i n g , a c u r r e n t p o p u l a r p r a c -

t i c e i n s o m e c o u n t r i e s i s t h e i n c lu s i o n o f 0 . 3 -

0 . 5 o f f o r m a l d e h y d e i n t h e f in a l p r o d u c t . T h e

f o r m a l d e h y d e i s a d d e d t o t h e m o l t e n u r e a i n t h e

f o r m o f a 3 7 f o r m a l d e h y d e s o l u t i o n o r c o n c e n -

t r a t e d u r e a - f o r m a l d e h y d e ( U F 8 5 c o n t a in i n g 2 6

u r e a , 5 9 f o r m a l d e h y d e , a n d 1 5 w a t e r ) . F o r -

m a l d e h y d e a d d i t i o n a l s o r e d u c e s t h e f o r m a t i o n

o f dus t in the f in i s h ing (g ranu la t ion ) p roces s

b e c a u s e t h e g r a n u l e s a r e h a r d e r a n d m o r e r e s i s -

t a n t t o a b r a s i o n a n d b r e a k a g e t h a n i s u n t r e a t e d

m a t e r i a l .

F o r a m m o n i u m n i t r a t e , t h e m o s t p o p u l a r i n -

t e r n a l c o n d i t i o n e r i s m a g n e s i u m n i t r a te , w h i c h is

a d d e d i n th e f o r m o f a s o l u t i o n to t h e m o l t e n

a m m o n i u m n i tr a te i n m a n y c o m m e r c i a l pr o -

c e s s e s. A t r e a t e d p r o d u c t t y p i c a ll y c o n t a in s

a b o u t 1 . 8 m a g n e s i u m n i t r a te [ 8] .

F e r t i l i z e r p r o d u c t s ( d i a m m o n i u m p h o s p h a t e

a n d m o n o a m m o n i u m p h o s p h a t e ) m a d e f r o m

w e t - p r o c e s s p h o s p h o r i c a c i d c h a r a c t e r i s t i c a l l y

con ta in s ign i f ican t quan t i t i e s o f i r on and

a l u m i n u m p h o s p h a t e i m p u r i t i e s . T h e s e i m -

pur i t i e s s e rve a s e f f ec t ive in te rna l cond i t ione r s in

t h e s e p r o d u c t s . T h e i r o n a n d a l u m i n u m p h o s -

p h a t e s a r e f o u n d i n t h e p r o d u c t s a s a m o r p h o u s

' g e l s ' t h a t h a r d e n t h e p r o d u c t s a n d a p p a r e n t l y

i m m o b i l i z e t h e s o l u t io n p h a s e . F o r m a t i o n o f t h e

i r o n a n d a l u m i n u m p h o s p h a t e s u n d e r c o n d i t i o n s

o f r e l a t iv e l y h ig h p H a n d l o w t e m p e r a t u r e p r o -

m o t e s f o r m a t i o n o f t h e a m o r p h o u s g e l - t yp e

s t ruc tu re r a the r than the l e s s des i r ab le c rys ta l l ine

f o r m s . C a k i n g p r o b l e m s w i t h s o m e g r a n u l a r

d i a m m o n i u m p h o s p h a t e s h a v e b e e n t r a c e d t o t h e

u s e o f w e t - p r o c e s s p h o s p h o r i c a c i d c o n t a i n i n g a

low leve l o f i r on an d a lum inum impu r i t i e s [4 , 5 ].

M e t h o d o f a p p l y i n g a n t i c a k in g a g e n t s

T h e m e t h o d u s e d t o a p p l y a n t i c a k i n g a g e n t s t o

the f e r t i l i ze r depends upon the f e r t i l i ze r ma te r i a l

b e i n g t r e a t e d a n d t h e a n t i c a k i n g a g e n t b e i n g

u s e d . T h e a n t i c ak i n g a g e n t s m u s t a l w a y s b e

s p r e a d u n i f o r m l y - o n t h e p ar ti c le s u r fa c e i f t h e

a g e n t u s e d i s a c o a t i n g a g e n t o r t h r o u g h o u t t h e

fe r t i l ize r i f i t i s an in te rna l cond i t ione r . I n ce r t a in

m a n u f a c t u r i n g p r o c e s s e s , t h e t r e a t m e n t i s a n i n -

t r in s i c p a r t o f th e p r o c e s s , w h e r e a s i n o t h e r s t h e

a n t i c a k i n g t r e a t m e n t m a y b e a s e p a r a t e

o per


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a t i o n . A s m e n t i o n e d e a r l i e r , t h e r e a r e a n u m b e r

o f m a t e r i a l s t h a t c a n b e u s e d t o p r e v e n t c a k in g

o f f e r t i li ze r s . Ev en s o , r e s ea rc h in to new an t i cak -

ing agen t s i s cons tan t ly be ing ca r r i ed ou t , and

n e w p r o d u c t s a r e b e i n g d e v e l o p e d a n d i n t r o -

d u c e d . D e v e l o p m e n t i s n o t r e s t r i c t e d t o o n l y

n e w p r o d u c t s ; i t i n c l u d e s n e w t e c h n i q u e s a s w e l l .

T h e m o s t f r e q u e n t l y u s e d m e t h o d s f o r a p p l y i n g

a n t i c a k i n g a g e n t s a r e d e s c r i b e d .

oating agents

I n e r t p o w d e r s c a n b e s u p p l i e d t o t h e f e r t i l i z e r

p a r t i c le s b y u s i n g a r o t a r y c o a t i n g d r u m l o c a t e d

d o w n s t r e a m f r o m t h e s c r e e n i n g a n d c o o l i n g

e q u i p m e n t . I n s o m e c a s e s t h e in e r t p o w d e r h a s

b e e n a d d e d t o t h e f e r t i l i z e r i n t h e d i s c h a r g e

s e c t i o n o f a r o t a r y c o o l e r . T h i s m e t h o d i s l e ss

c o m m o n a n d g e n e r a l l y l e ss e ff e c t i v e t h a n e m -

p l o y i n g a s e p a r a t e c o a t i n g d r u m . T h e p r o p o r t i o n

o f p o w d e r a p p l i e d u s u a l l y i s i n t h e r a n g e o f

1 - 4 b y w e i g h t , t h u s r e d u c i n g t h e a n a l ys i s o f

t h e f i n al p r o d u c t . F o r e x a m p l e , u r e a , i f c o a t e d

w i th c l ay , w i l l con ta in ab ou t 45 n i t rogen in -

s t e a d o f 4 6 .

I n a d d i t i o n t o t h is d i s a d v a n t a g e , t h e r e m a y b e

d i f f i cu l t i e s in ob ta in ing a con t inuous l aye r o f

c o a t i n g o n t h e g r an u l e s . D e s p i t e t h e s e p r o b l e m s ,

i n e r t p o w d e r s a r e f r e q u e n t l y u s e d t o c o a t g r a n u -

l a r m a t e r i a l s b e c a u s e t h i s m e t h o d i s r e l a t i v e l y

s imp le and low in cos t .

L iqu id coa t ing agen t s s uch as o rgan ic s u r f ac -

t a n t s c a n b e s p r a y e d o n t o t h e f e r t i l i z e r p a r t i c l e s

a s t h e y p a s s t h r o u g h a r o t a r y c o a t i n g d r u m .

O t h e r p o i n t s i n t h e p r o c e s s w h e r e l i q u i d c o a t i n g

a g e n t s h a v e b e e n a d d e d a r e a t t h e e n d o f t h e

p r o d u c t c o o l e r , o n t h e p r o d u c t b e l t , a n d a t b e l t

t r ans f e r po in t s . The l iqu id coa t ing has the fo l -

l o w i n g a d v a n t a g e s o v e r a n i n e r t p o w d e r c o a t i n g :

1 . Th e am ou n t o f l iqu id coa t ing i s u s ua l ly l e s s

t h a n 0 . 5 , t h u s re s u l ti n g in s m a l l e r i m p a c t o n

the f ina l p roduc t ana lys i s ;

2 . I t i s e a s i e r t o o b t a i n a h o m o g e n e o u s c o a t i n g

l a y e r w i t h l i q u i d s t h a n w i t h p o w d e r s ;

3 . T h e r e i s l e ss e v o l u t i o n o f d u s t d u ri n g p r o d u c -

t ion an d hand l ing . I n s om e cas es l iqu id coa t -

i n g a g e n t s ( a m i n e s , s u l p h o n a t e s , e t c . ) m a y

a l s o b e u s e d i n c o m b i n a t i o n w i t h i n e r t p o w -

d e r s ( e i t h e r a d d e d s e p a r a t e l y o r t h e p o w d e r is

p r e t r e a t e d w i t h t h e l i q u i d c o a t i n g a g e n t ) .

Internal conditioners

A s p r e v i o u sl y m e n t i o n e d , f o r m a l d e h y d e h a s

b e e n u s e d f o r t r e a t m e n t o f u r e a f o r m a n y y e a r s.

A c c o r d i n g t o a 1 9 8 2 i n d u s t ri a l s u r v e y m a d e b y

E s s o C h e m i c a l , C a n a d a , o f 3 0 u r e a ( s o li d ) p r o -

d u c e r s i n N o r t h A m e r i c a , 2 1 p r o d u c e r s u s e d

f o r m a l d e h y d e , 3 p r o d u c e r s u se d U R E S O F T - 1 5 0 ,

a n d t h e o t h e r s u s e d a v a r i e t y o f o t h e r c o n d i t i o n -

e r s o r no cond i t ione r s a t a l l (Tab le 1 ) .

W h e n f o r m a l d e h y d e o r a c o m p o u n d c o n t a i n -

i n g f o r m a l d e h y d e i s a d d e d t o m o l t e n u r e a , a

r e a c t i o n t a k e s p l a c e t o y i e l d u r e a f o r m s r a n g i n g

f r o m s m a l l w a t e r - s o l u b l e m o l e c u l e s t o m o d e r a t e -

l y l a r g e w a t e r - i n s o l u b l e m o l e c u l e s . I n m o s t c o m -

m e r c i a l u r e a p r i l l i n g / g r a n u l a ti o n p r o c e s s e s , th e

f o r m a l d e h y d e a d d i t i o n p o i n t i s e i t h e r a t t h e o u t -

l e t o f t h e s e c o n d s t a g e e v a p o r a t o r w h e r e t h e

u r e a c o n c e n t r a t i o n is a b o v e 9 8 . 5 o r a t t h e i n l et

o f th e s e c o n d -s t a g e e v a p o r a t o r w h e r e t h e u r e a

c o n c e n t r a t i o n is 9 5 o r m o r e .

U n r e a c t e d f o r m a l d e h y d e i s c a r c i n o g e n i c a n d

t o x i c t o a n i m a l l i f e . A l t h o u g h f r e e f o r m a l d e h y d e

i s e s s e n t i a l l y n o n e x i s t e n t i n t h e p r o d u c t u r e a a n d

t h e r e a r e n o k n o w n d i r e c t e n v i r o n m e n t a l e f f e c t s

r e s u lt i n g f r o m t h e u s e o f f o r m a l d e h y d e f o r u r e a

t r ea tm en t , t he r e i s a pos s ib i l i ty tha t the tox ic

n a t u r e o f f o r m a l d e h y d e c o u l d p r o m p t e n a c t m e n t

o f e n v i ro n m e n t a l p r o t e c t i o n a n d w o r k e r s a f et y

l e g i s l a t i o n t h a t w o u l d p r o h i b i t t h e f u t u r e u s e o f

f o r m a l d e h y d e f o r t h i s p u r p o s e . I n r e c o g n i t i o n o f

t h i s p o s s i b i l i t y , T V A h a s d o n e w o r k t o d e v e l o p

o t h e r c o n d i t i o n e r s f o r u r e a t h a t c o u l d r e p l a c e

f o r m a l d e h y d e . A s a r e s u lt o f t h e s e s tu d i e s , T V A

h a s p a t e n t e d a n a l t e r n a t i v e p r o c e s s a n d c l a s s o f

con d i t ione r s fo r u r ea [9 , 10] . Th e c l a s s o f con -

d i t ione r s u s ed i s l i gnos u l fona tes w i th the mos t

e f f ec t ive be ing ca lc ium l ignos u l fona te .

P r o b a b l y t h e m o s t p o p u l a r i n t e r n a l c o n d i t i o n -

e r s ( s t ab i l i z ing agen t ) u s ed to p r even t cak ing fo r

a m m o n i u m n i t r a t e p r il ls is m a g n e s i u m n i t r a t e . I t

h a s b e e n u s e d c o m m e r c i a l l y f o r o v e r 2 0 y e a r s i n

t h e I m p e r i a l C h e m i c a l I n d u s t r i e s , L t d . ( I C I ) N i t -

r am p roces s . A l s o , in the 1960s , the A gr i -Chemi -

c a l D i v i s i o n o f t h e U n i t e d S t a t e s S t e e l C o r p o r a -

t i o n p a t e n t e d a p r o c e s s f o r a d d i n g m a g n e s i u m

n i t r a t e t o a m m o n i u m n i t r a te m e l t . I n 1 9 82 A 1-

b r i g h t & W i l s o n , L t d . , i n t h e U n i t e d K i n g d o m ,

d e v e l o p e d s t il l a n o t h e r s y s t e m f o r i n je c t i ng m a g -

n e s i u m n i t r a t e i n t o t h e a m m o n i u m n i t r a t e m e l t

be fo re p r i l l i ng [8 ] .


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1 0 5

Table 1 C o n d i t i o n e r s a n d s t o r a g e o f u r e a u s e d b y N o r t h A m e r i c a n u r e a p r o d u c e r s ( S u r v e y c o n d u c t e d b y E S S O C h e m i c a l ,

C a n a d a , M a r c h 1 9 8 2 )

Response

N u m b e r o f p r o d u c e r s ( m a i l e d )

N u m b e r o f r e s p o n s e s

U r e a s o l u t i o n o r n o s o l id u r e a p r o d u c t i o n

U r e a ( s o l i d ) p r o d u c t i o n

N o c o n d i t i o n e r

U R E S O F T - 1 5 0

C l a y

F o r m a l d e h y d e

O i l - b a s e c o n d i t i o n e r

Concentration in product


C l a y

U R E S O F T - 1 5 0 ( t h r e e r es p o n se s )

Maximum temperature to storage

C

20

30

40

50

60

70

Addition point

T y p e o f c o n d i t i o n e r

0 . 2 - 0 . 6

3

1. 0.004

2 . 0 .05 (g ranu les )

3. 0.0 25 (prills)

N u m b e r o f

responses

2

7

12

4

2

_ 1

28

C o n d i t i o n e r

a d d i t i o n p o i n t

N u m b e r o f

r e s p o n s e s

56

42

12

30

3

3

21

2

U R E S O F T - 1 5 0

C l a y

O i l - b a s e c o n d i t i o n e r



Time in storage

6 - 1 2 m o n t h s

3 - 6 m o n t h s

3 m o n t h s

1 w e e k

Type of product storage

B u l k

B a g

Dehumidified storage

Y e s

N o

H e a t e d

D r y p r o d u c t

D r y p r o d u c t

D r y p r o d u c t

D r y p r o d u c t p r il l s

U r e a m e l t

3

1

2

1

2 o

27

N u m b e r o f

r e s p o n s e s

11

3

9

2

25

27

8

35

12

12

___2

26


8/16


9/16

1 0 7

m

L )

N

0

1

0

O

'2, O

a g { ~ a a

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~1.4 0.a

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.~ Z

Documents

Nutrient Cycling in Agroecosystems Volume 30 Issue 1 1991 [Doi 10.1007%2Fbf01048832] D. W. Rutland -- Fertilizer Caking- Mechanisms, Influential Factors, And Methods of Prevention