Нанокомпозиты на основе глинистых минералов как новые экологически безопасные удобрения контролируемого действия

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-77-10002

НазваниеНанокомпозиты на основе глинистых минералов как новые экологически безопасные удобрения контролируемого действия

Руководитель Рудмин Максим Андреевич, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" , Томская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-711 - Геоэкология и природопользование

Ключевые слова Глауконит, Глинистые минералы, Смектит, Удобрения контролируемого действия, Смарт удобрения, Механохимическая активация, Удобрения пролонгированного действия, Структура минералов, Геохимия, Сельское хозяйство, Почвы

Код ГРНТИ38.35.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность заявленного исследования связана с возрастающей глобальной потребностью в современных удобрениях контролируемого действия для обеспечения экологически безопасного и эффективного агрохозяйства. Проект ориентирован на фундаментальную проблему взаимодействия глауконитов как основных веществ композитных продуктов с почвой и их влияние на рост растений для создания экологически безопасных удобрений. Проблема складывается из следующих вопросов. (1) Вопросы деструкции, трансформации и модификации структуры минералов с целью активации их полезных свойств и создания полифункциональных продуктов для агрохозяйства. (2) Анализ возможностей их использования в качестве (i) ингибиторов композитных веществ и (ii) источников ценных макро- и микроэлементов. (3) Исследование эволюции глинистого вещества в агрохимических условиях. (4) Изучение поведения нутриентов в почве при функционировании композитных удобрений. (5) Оценка технологии создания «смарт» удобрений с контролем интенсификации их полезных свойств. Цель проекта тождественна сформулированной проблеме, которая заключается в исследовании механизмов трансформации и активации ценных свойств глауконитов и бентонита в качестве полифункциональных составляющих композитных продуктов как научно-практической основы для разработки комплексных удобрений контролируемого действия на базе экологически чистых и экономически доступных материалов. Уникальность научного изыскания опирается на синтез результатов минералогических, физико-химических, агрохимических, микробиологических и геологических исследований с получением ключевой информации о возможностях, технологических вариантах и эффективности использования глауконита в потенциальном производстве «умных» удобрений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Рудмин М.А., Максимов П.Н. Опыт создания и использования нанокомпозитных минеральных удобрений для решения некоторых геоэкологических проблем в сельском хозяйстве Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии: материалы XXXIII молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца и академика РАН Ф.П. Митрофанова, Апатиты: ФИЦ КНЦ РАН, 2022. P. 153–156. (год публикации - 2022)

2. Рудмин М.А., Максимов П.Н., Степанов М.С., Ибраева К. Варианты использования минеральных композитов для предотвращения геоэкологических проблем агроиндустрии Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, Современные направления развития геохимии: Материалы Всероссийской конференции, том 2. Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2022. С. 124–126. (год публикации - 2022)

3. Рудмин М.А., Лопес-Куирос А., Банержи С., Рубан А.С., Шалдыбин М.В., Бернатонис П.В., Сингх П., Даулетова А., Максимов П. Origin of Fe-rich clay minerals in Early Devonian volcanic rocks of the Northern Minusa basin, Eastern Siberia Applied Clay Science, 2023. Origin of Fe-rich clay minerals in Early Devonian volcanic rocks of the Northern Minusa basin, Eastern Siberia. Applied Clay Science 241, 107014. https://doi.org/10.1016/J.CLAY.2023.107014 (год публикации - 2023)
10.1016/J.CLAY.2023.107014

4. Рудмин М.А., Максимов П.Н., Даси Э., Куровский А.В., Гуммер Я., Ибраева К., Кутугин В.А., Соктоев Б.Р., Пономарёв К., Тарарушкин Е., Макаров Б.И., Рубан А.С. Intercalation of carbamide to globular glauconite by chemical processing for the creation of slow-release nanocomposites Applied Clay Science, 2023. Intercalation of carbamide to globular glauconite by chemical processing for the creation of slow-release nanocomposites. Applied Clay Science 243, 107075. https://doi.org/10.1016/J.CLAY.2023.107075 (год публикации - 2023)
10.1016/j.clay.2023.107075

5. Рудмин М.А., Макаров Б.И., Максимов П.Н., Даси Э. Design and application of nanocomposite based on clay mineral (glauconite) as eco-friendly fertiliser for agriculture Reliability: Theory and Applications, 2023. Design and application of nanocomposite based on clay mineral (glauconite) as eco-friendly fertiliser for agriculture. Reliability: Theory and Applications 18, 632–644. https://doi.org/10.24412/1932-2321-2023-575-632-644 (год публикации - 2023)
10.24412/1932-2321-2023-575-632-644

6. Рудмин М.А. Nanocomposites based on glauconite: innovative controlled-release complex fertilisers International Conference of European Clay Groups Association - EUROCLAY 2023, International Conference of European Clay Groups Association - EUROCLAY 2023. Bari, Italy: Digilabs Pub., Bari, Italy, 2023. P. 251. (год публикации - 2023)

7. Рудмин М.А., Максимов П.Н., Новгородцева К.В. Глобулярный глауконит как «контейнер» азотных веществ для создания минеральных композитов с пролонгированным эффектом Глины и глинистые минералы – 2023: VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023», Глины и глинистые минералы – 2023: VI Российское Совещание по глинам и глинистым минералам «ГЛИНЫ-2023». Санкт-Петербург, 13-16 июня 2023. Материалы докладов. Москва: ИГЕМ РАН, 2023. С. 125–127. (год публикации - 2023)

8. Рудмин М.А. Глауконит: активация в качестве основного нанокомпозитного минерала при модификации фосфатных нутриентов Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 85-летию со дня рождения профессора А.В. Кравцова, Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. В 2 томах. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2023. С. 558–559. (год публикации - 2023)

9. Калинина Н.А., Максимов П.Н., Макаров Б.И., Даси Э., Рудмин М.А. Characterisation and Environmental Significance of Glauconite from Mining Waste of the Egorievsk Phosphorite Deposit Minerals, 2023. Characterisation and Environmental Significance of Glauconite from Mining Waste of the Egorievsk Phosphorite Deposit. Minerals. https://doi.org/10.3390/min13091228 (год публикации - 2023)
10.3390/min13091228

10. Рудмин М.А. Глауконит: обзор условий формирования, палеогеографическое значение и перспективные области использования Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVII Международного симпозиума имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 160-летию со дня рождения академика В.А. Обручева и 140-летию академика М.А. Усова, Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVII Международного симпозиума имени академика М. А. Усова студентов и молодых ученых, 2023. С. 73–75. (год публикации - 2023)

11. Рудмин М.А., Максимов П.Н., Даси Э. Исследование взаимодействия глауконита с раствором карбамида: адсорбция и интеркаляция азотных веществ Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии: материалы XXXIV молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца и академика РАН Ф.П. Митрофанова, Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии: материалы XXXIV молодежной научной школы-конференции. Санкт-Петербург: ИГГД РАН, 2023. С. 194–197. (год публикации - 2023)

12. Рудмин М.А., Максимов П.Н. Synthesis, characterisation, and agricultural application of glauconite-ammonium dihydrogen phosphate nanocomposites: advancing environmentally friendly fertilisers International Conference on Ceramics and Geomaterials in Central Africa – CGCA-01, International Conference on Ceramics and Geomaterials in Central Africa – CGCA-01 / под ред. P. Blanchart, G. Lecomte-Nana. Yaounde, Cameroon: CACerS Pub., 2023. С. 62. (год публикации - 2023)

13. Рудмин М.А., Калинина Н.А., Макаров Б.И. Eco-friendly enhancing agricultural soil fertility: an exploration and application of glauconite from the phosphorite deposit waste International Conference on Ceramics and Geomaterials in Central Africa – CGCA-01, International Conference on Ceramics and Geomaterials in Central Africa – CGCA-01 / под ред. P. Blanchart, G. Lecomte-Nana. Yaounde, Cameroon: CACerS Pub., 2023. С. 102. (год публикации - 2023)

14. Даси Э.Х.С., Рудмин М.А., Банержи С. Glauconite applications in agriculture: A review of recent advances Applied Clay Science, Dasi, E., Rudmin, M., Banerjee, S., 2024. Glauconite applications in agriculture: A review of recent advances. Applied Clay Science 253, 107368. https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.clay.2024.107368 (год публикации - 2024)
10.1016/j.clay.2024.107368

15. Рудмин М.А., Макаров Б.И., Лопес-Куирос А., Максимов П.Н., Локтева В.Н., Ибраева К., Куровский А.В., Гуммер Я., Рубан А.С. Preparation, Features, and Efficiency of Nanocomposite Fertilisers Based on Glauconite and Ammonium Dihydrogen Phosphate Materials, 2023. Preparation, Features, and Efficiency of Nanocomposite Fertilisers Based on Glauconite and Ammonium Dihydrogen Phosphate. Materials 16, 6080. https://doi.org/10.3390/ma16186080 (год публикации - 2023)
10.3390/ma16186080

16. Рудмин М.А., Тарарушкин Е.В., Макаров Б.И. Минеральные материалы на основе глауконита и аммония: от моделирования к почве Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН, Рудмин, М.А., Тарарушкин, Е.В., Максимов, П.Н., 2024. Минеральные материалы на основе глауконита и аммония: от моделирования к почве. Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН 21, 199–208. https://doi.org/10.31241/FNS.2024.21.024 (год публикации - 2024)
10.31241/FNS.2024.21.024

17. Рудмин М.А. Глауконит-аммонийные нанокомпозиты: новый подход к созданию удобрений будущего на основе природных минералов Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии: материалы XXXV молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца и академика РАН Ф.П. Митрофанова, Актуальные проблемы геологии докембрия, геофизики и геоэкологии: материалы XXXV молодежной научной школы-конференции, посвященной памяти члена-корреспондента АН СССР К.О. Кратца и академика РАН Ф.П. Митрофанова. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2024. С. 138–141. (год публикации - 2024)

18. Рудмин М.А. Глауконит и аммоний: особенности взаимодействия на базальной поверхности минерала при создании нанокомпозитных удобрений Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: Томский политехнический университет, Рудмин М.А. Глауконит и аммоний: особенности взаимодействия на базальной поверхности минерала при создании нанокомпозитных удобрений // Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: Томский политехнический университет, 2024. С. 93–95. (год публикации - 2024)

19. Хитрин И.С., Максимов П.Н., Рудмин М.А. Комплексные минеральные нанокомпозиты на основе глауконита и микронутриентов (Zn, Cu, B): опыт создания и характеристика Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: Томский политехнический университет, Проблемы геологии и освоения недр: труды XXVIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых. Томск: Томский политехнический университет, 2024. С. 99–101. (год публикации - 2024)

20. Рудмин М.А. Глауконит как перспективный глобулярно-слоистый минерал для создания новых материалов Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента: Материалы 33-й научной конференции. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента: Материалы 33-й научной конференции. Сыктывкар: ИГ Коми НЦ УрО РАН, 2024. С. 129–132. (год публикации - 2024)

21. Хитрин И.С., Максимов П.Н., Даси Э.Х.С., Ибраева К., Пономарёв К., Максимова Н., Белоусов П.Е., Рубан А.С., Рудмин М.А. Glauconite-Based Nanocomposites with Zn/Cu/B: Multifunctional Micronutrient Fertilizers Minerals, Khitrin, I., Maximov, P., Dasi, E., Ibraeva, K., Ponomarev, K., Maximova, N., Belousov, P., Ruban, A., Rudmin, M., 2024. Glauconite-Based Nanocomposites with Zn/Cu/B: Multifunctional Micronutrient Fertilizers. Minerals 15, 1–18. https://doi.org/10.3390/min15010012 (год публикации - 2025)
10.3390/min15010012

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
За третий год выполнения проекта были получены все запланированные результаты в рамках исследований умеренно зрелого глауконита (G2), а также в рамках полевых испытаний нанокомпозитных удобрений из высоко зрелого глауконита и смектита. (1) Созданы нанокомпозитные продукты различными способами на основе умеренно зрелого глауконита как ингибитора и карбамида/фосфата как наполнителей с оценкой уровней и степеней интеркаляции, абсорбции и адсорбции. Нанокомпозиты, полученные механохимическим путём с использованием карбамида в качестве функционального компонента, обладают наиболее выраженной степенью модификации среди всех вариантов механохимической активации. При активации глауконита в планетарной мельнице с дозами карбамида 10-30 % наблюдается значительное расширение межплоскостного, что указывает на интеркаляцию ионов аммония в межслоевые пространства глауконита. Нанокомпозиты с МАФ проявляют отличительные Разные доли двух типов внутрисферной координации аммония, внешнесферных координаций аммония и нитратов, а также разнообразная сеть водородных связей обеспечивают отличительную скорость диффузии аммония, нитратов и калия в минеральных нанокомпозитах, подготовленных при разных концентрациях аммония в растворе. Химическая активация позволяет гибко изменять морфологические функциональные характеристики глауконита, создавая материалы с оптимизированными свойствами для заданных целей. (2) Определены скорости высвобождения нутриентов (аммоний, нитраты, калий, фосфаты) из созданных нанокомпозитов (глауконит (G2)-карбамид, G2-МАФ) в почву на основе лабораторных экспериментов. В глауконитовых нанокомпозитах, активированных механохимическим способом с добавлением карбамида, динамика высвобождения аммония и нитратов демонстрирует поэтапный характер, обусловленный различной степенью сорбции нутриентов в микро- и мезопорах. Это поведение согласуется с их преимущественным нахождением в макро- и мезопорах, а также возможной ко-сорбцией с аммонием в структуре минерала. В отличие от карбамидных композитов, нанокомпозиты с МАФ характеризуются менее выраженной интеркаляцией. Совокупность полученных результатов указывает на то, что степень и форма связывания нутриентов в механохимически активированных композитах напрямую зависят от типа используемого активатора и способа механохимической активации. Последовательные и трехэтапные схемы высвобождения аммония и нитрата их химически активированных нанокомпозитов обусловлены их взаимодействием c базальной поверхностью глауконита. Слоистые пакеты с повышенной долей изоморфных замещений в тетраэдрических и октаэдрических пакетах отвечают за повышенную сорбционную способность глауконита на базальной поверхности, что подразумевается некоторую потерю калия из межслоя или ограничивание мобильности калия согласно комплексным наблюдениям. (3) Проведены оценка и анализ эффективности использования созданных композитных продуктов в качестве минеральной добавки в почвы на рост и развитие сельскохозяйственных культур. Механохимически активированные композиты с карбамидом обеспечивают более выраженное положительное влияние на ранние стадии роста овса, особенно при использовании умеренной дозы (10%) и планетарной активации. В то время как композиты с МАФ действуют менее активно и требуют тонкой настройки дозы для достижения положительного эффекта. Дополнительные результаты агро-экспериментов показывают потенциал глауконита, модифицированного медью и бором, для улучшения параметров роста растений. Эти варианты стабильно способствовали увеличению длины проростков и их биомассы, что можно объяснить высокой доступностью питательных веществ в нанокомпозитах и их эффективным усвоением растениями. (4) Установлено и проанализировано влияние созданных нанокомпозитов на миграцию химических элементов в системе почва-вода. Установлено, что тип активатора и степень его дозировки оказывают определяющее влияние на поведение химических элементов в системе почва-вода. Карбамидные глауконитовые нанокомпозиты при высоких дозах способны вызывать повышенное вымывание азота, тогда как МАФ-композиты способствуют удержанию нутриентов и представляют интерес как экологически устойчивые формы минеральных добавок. (5) Описана модель минеральной трансформации структуры, состава и морфологии умеренно зрелого глауконита как основа для активации его полезных свойств после заполнения или покрытия (адсорбирования) азотными/фосфатными веществами и для внедрения этих нанокомпозитных удобрений в сельскохозяйственные почвы. На основании полученных данных структурно-химических и морфологических исследований была описана модель минеральной трансформации глауконита умеренной зрелости (G2), лежащая в основе активации его полезных свойств при создании нанокомпозитов с азотными и фосфатными соединениями. Наиболее значительные трансформации структуры глауконита происходят при механохимической активации с карбамидом. Дополнительно, после агрохимических опытов, анализ нанокомпозитов выявил определённые изменения в кристаллохимии глауконита, включая возможную частичную деструкцию слабосвязанных зон, особенно в вариантах с высокими дозами карбамида или аммония. Снижение содержания калия, может быть связано с ионным обменом в смектитовых слоях, в частности при сорбции аммония или фосфатов. (6) Дана оценка эффективности применения разработанных продуктов из различных разновидностей глауконитов или смектита в качестве удобрений контролируемого действия (CRF). Для оценки потенциала созданных нанокомпозитов на основе глауконита и смектита в реальных агроэкологических условиях были проведены полевые агрохимические эксперименты. Они подтвердили эффективность нанокомпозитов на основе глауконита и смектита как удобрений контролируемого действия. Нанокомпозиты обеспечивают сбалансированное поступление макро- и микронутриентов в систему почва-вода-растение, способствуют повышению урожайности и стабильности агробиоценозов и рекомендованы для дальнейшего внедрения в сельскохозяйственную практику. (7) Выделены и обоснованы наиболее перспективные смарт-удобрения на основе различных разновидностей глауконита и смектита как основных составных частей нанокомпозитных веществ. На основе комплексной оценки лабораторных и полевых агрохимических экспериментов, а также анализа кинетики выщелачивания нутриентов, морфологии, структуры и химического состава активированных материалов, были выделены наиболее перспективные типы смарт-удобрений на основе глауконита и смектита. За третий год исследований опубликована статья в рецензируемом журнале (Web of Science / Scopus) Minerals (уровень Q2 по JCR). Представлено четыре доклада на конференциях (г.Петрозаводск, г.Сыктывкар, г.Томск).

Публикации