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Nov 17, 2023

Vergleichende Schätzung von Stickstoff in Harnstoff und seinen Derivatprodukten mittels TKN, CHNS und Hand

Wissenschaftliche Berichte Band 12,

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 11704 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Eine Autorenkorrektur zu diesem Artikel wurde am 19. Juli 2022 veröffentlicht

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In diesem Artikel wurde eine vergleichende Analyse zwischen dem Handrefraktometer und anderen Methoden (TKN und CHNS) zur Schätzung des Stickstoffanteils (N %) in Harnstoff, Nanoharnstoffdünger und Dieselabgasflüssigkeitslösung (DEF) durchgeführt. Um die Leistung aller Methoden/Geräte zu vergleichen, wurde der Nachweis von N% in verschiedenen Konzentrationen von Harnstoff, Nanoharnstoff und DEF hinsichtlich ihrer Linearität bewertet. Das wichtigste Ergebnis dieser Studie war, dass das refraktometerbasierte Gerät unter anderem einen guten linearen Koeffizienten bis zu 40 % Harnstofflösung (R2 = 0,99918) aufwies, was bedeutet, dass die Schätzung von N % näher am theoretischen Wert liegt. Darüber hinaus hat das Refraktometer die Harnstoff-, Nanoharnstoff- und DEF-Proben innerhalb von 3 s erkannt, was im Vergleich zu anderen getesteten Methoden recht schnell war und bei der Probenvorbereitung und -analyse keine Chemikalien erforderlich waren. Das Ergebnis dieser Studie legt daher nahe, dass ein tragbares Gerät auf der Basis eines Harnstoff-Refraktometers aufgrund seiner geringen Kosten, seines geringen Energiebedarfs und seiner zuverlässigen Schätzung für die N%-Bestimmung vor Ort in der Düngemittel- und DEF-Herstellungsindustrie sowie bei deren Kunden eingesetzt werden kann. schnelle N%-Erkennung und seine Umwelttauglichkeit.

Der Einsatz von Harnstoff wurde verstärkt, um Derivate wie Dieselabgasflüssigkeit (DEF) oder Nano-Harnstoff zusätzlich zu seiner herkömmlichen Verwendung als Düngemittel zu entwickeln1,2,3,4. Die Hauptqualität von Harnstoff und seinen Folgeprodukten wird durch seinen Stickstoffanteil (N%) bestimmt. Typischerweise wird Stickstoff gemessen, um die Qualität sicherzustellen, seinen Verwendungszweck zu rationalisieren oder die Assimilationseffizienz zu messen.

Die Methode des Gesamt-Kjeldahl-Stickstoffs (TKN) ist eine der beliebtesten Methoden zur Bestimmung des quantitativen N-Gehalts in organischen und anorganischen Substanzen in Form von Ammoniak (NH3) oder Ammoniumionen5,6. Bei dieser Technik wird der Ammoniakgehalt nach dem Aufschluss von Harnstoff mit Kupfersulfat, konzentrierter Schwefelsäure (H2SO4) und einem Zusatz zur Erhöhung des Siedepunkts der Lösung analysiert. Wenn NH3 entsteht, wird es in Gegenwart von Alkali weiter zu einer Borsäurelösung destilliert. Daher werden die Bildungen von Borat-Anionen anschließend mit Salzsäure titriert. Dadurch kann der N%-Gehalt im Harnstoff abgeschätzt werden7,8.

Ebenso gilt die Dumas-Methode, auch als Verbrennungsmethode bekannt, als zuverlässiger und relativ sicherer, da sie im Vergleich zur herkömmlichen TKN-Methode zur Bestimmung des N-%-Gehalts in Harnstoff nicht den Einsatz korrosiver Chemikalien und die Analyse aller Formen von Stickstoff erfordert9,10 ,11. Basierend auf der Dumas-Methode verfügt ein Gerät über einen gemeinsamen Analysator für Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Schwefel (CHNS), der N% gleichzeitig mit dem C-, H- und S-Gehalt in der Substanz mit hoher Genauigkeit erfasst. Bei dieser Methode werden alle stickstoffhaltigen Verbindungen durch Verbrennung bei 800–1000 °C in Gegenwart von Sauerstoffgas in Stickstoffdioxid (NO2) umgewandelt, das während des Flusses durch erhitztes Kupfer (Cu) und Wolframoxid (WO3) zu N2 reduziert wird. Dieser Schritt eliminiert Sauerstoff und Schwefel, während Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O) während ihrer Wechselwirkung mit Carbosorb und Magnesiumperchlorat (Mg(ClO4)2) entfernt werden können. Daher wird Stickstoff dann mithilfe eines Wärmeleitfähigkeitsdetektors gemessen. Darüber hinaus erkennt CHNS alle Arten von Stickstoffgehalten in Harnstoff, die normalerweise nicht von TKN12 erkannt werden.

Beispielsweise haben Etheridge et al. untersuchten die Stickstoffanalyse für Boden-, Pflanzenprodukte- und Tierernährungslaborproben mithilfe der Verbrennung und des Kjeldahl-Verfahrens7. Nach der Analyse aller Proben kamen sie zu dem Schluss, dass die Kjeldahl-Methode im Vergleich zur Verbrennungsmethode etwas niedrigere Werte für N aufwies. In ähnlicher Weise haben Marco et al. analysierten den gesamten im Tierfutter verfügbaren Stickstoff mithilfe der Kjeldahl- und Verbrennungsmethode9. In ihrer Analyse zeigten sie, dass beide Methoden hinsichtlich der Wiederholbarkeit und des Reproduzierbarkeitstests nahezu ähnliche Ergebnisse erzielten. Darüber hinaus kamen sie zu dem Schluss, dass die Verbrennungsmethode im Vergleich zu den Kjeldahl-Methoden für die Proteinanalyse in Tierfutter geeignet sei, und zwar aufgrund der Kosten, der Analysezeit und der Eignung für die Umgebung.

Obwohl der Prozess der N%-Schätzung anhand der TKN- und Dumas-Methode zuverlässig ist, dauert es etwa 3 bis 4 Stunden, bis die Ergebnisse vorliegen. Darüber hinaus erfordert dies den Umgang mit gefährlichen Chemikalien, hohe Temperaturen, einen teuren Geräteaufbau und Offline-Betrieb /Offsite-Analysen, Tests und Abfallerzeugung. Daher sind TKN und CHNS nur mit qualifiziertem Personal und einem gut ausgestatteten Labor durchführbar, das sich die Kosten für die Einrichtung der Ausrüstung leisten, aber auch den erzeugten Abfall ordnungsgemäß entsorgen kann.

In letzter Zeit erfreut sich die Harnstofferkennung auf Basis eines Refraktometers in der Düngemittelindustrie großer Beliebtheit, da sie einfach zu bedienen, schnell reagiert, präzise Messungen durchführt und während des Betriebs keine Chemikalien verwendet werden13.

Nach bestem Wissen des Autors und der veröffentlichten Literatur gibt es keine derartigen Studien, die auf dem N%-Nachweis in Harnstoff und Nanoharnstoff basieren, einem auf Nanotechnologie basierenden Produkt, das zur Stickstoffdüngung der Kulturpflanzen über drei verschiedene Methoden und deren Korrelationen verwendet wird. In diesem Bericht untersuchen wir die verschiedenen Techniken zur Bestimmung des N%-Gehalts in herkömmlichem Harnstoff und Nanoharnstoff. In erster Linie diskutieren wir die drei Arten von Techniken wie Gesamt-Kjeldahl-Stickstoff (TKN), CHNS und Handrefraktometer, die für die N%-Erkennung verwendet wurden, gefolgt von ihrem Vergleich. Anschließend korrelieren wir theoretische und experimentelle Werte von Harnstoff und Nanoharnstoff, die mit verschiedenen Techniken ermittelt wurden. Abschließend schließen wir unsere Ergebnisse basierend auf der Linearität durch Kurvenanpassung und anderen Erkennungsparametern ab.

Es wurden ein Kjeldahl-Digester (Kjeldatherm, Gerhardt Analytical System), der 8 Röhrchen mit 250 ml auf 370–395 °C erhitzen kann, und eine Kjeldahl-Destillations-Titrationseinheit (Vapodest 500, Gerhardt Analytical System) verwendet.

Für die Verbrennung, Trennung und Detektion wurde der FlashSmart-Elementaranalysator (EA) von Thermo Fisher Scientific verwendet. Die Ausrüstung war mit einem Autosampler, einem Reduktionsofen, der Kupferoxid, Natronkalk und Magnesiumperchlorat (Anhydron) enthält, einem Verbrennungsofen (mit dem Oxidationskatalysator), einer gepackten Gaschromatographiesäule (GC) mit Aktivkohle und einem Thermoelement ausgestattet Leitfähigkeitsdetektor (TCD).

Für die Messung aller Proben (Harnstoff und Nanoharnstoff) wurde ein digitales tragbares „Pocket“-Harnstoffwasserrefraktometer (ATAGO) verwendet. Alle Messungen wurden bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Der Messbereich, der Umgebungstemperaturbereich und die automatische Temperaturkompensation des Refraktometers betragen 0,0 bis 55,0 % Brix, 10,0 bis 100 °C bzw. 10 bis 40 °C. Darüber hinaus beträgt die Genauigkeit und Auflösung des Refraktometers ± 0,2 % Brix/± 1 °C bzw. 0,1 % Brix/0,1 °C.

Die für TKN-Analysen erforderlichen Chemikalien wie Kaliumsulfat, Schwefelsäure (95 %) und Borsäure wurden von Central Drug House Ltd (CDH), Indien, bezogen; Pentahydratisiertes Kupfersulfat, Salzsäure und Natriumhydroxid-Pellets wurden von Merck, Indien, erhalten.

Die für den CHNS-Analysator erforderlichen Gase und Geräte, Helium (He) (99,999 %), O2 (99,999 %) wurden aus ultrareinen Gasen (Gujarat, Indien) gewonnen; Zinnbehälter (8 mm Höhe, 5 mm Durchmesser und 19 mg Gewicht), Quarzwolle, Quarzreaktor, Elektrolytkupfer, alle von Thermo Fisher Scientific Inc, (USA).

Für die Kjeldahl-Methode wurde standardmäßig Ammoniumsulfat von Sigma Aldrich verwendet. Der Sulfanilamid-Standard (16,30 % N) für die Elementaranalyse wurde von Thermo Fisher Scientific bereitgestellt. Herkömmliche körnige Harnstofflösung, flüssige Nano-Harnstoff- und DEF-Lösung, bezogen von Indian Farmers Fertilizer Cooperative Ltd (IFFCO), Indien.

Verschiedene Mengen Harnstoffgranulat wurden entnommen und in entionisiertem (DI) Wasser gelöst, um 0,25, 0,5, 1,0, 2,5, 5,0, 7,5, 10, 15, 25, 32,5 und 40 % Harnstofflösung herzustellen. Dabei wurden unterschiedliche Konzentrationen von flüssigem Nano-Harnstoff in entionisiertem Wasser gelöst, um eine 1 bis 10 %ige Lösung von Nano-Harnstoff herzustellen. Darüber hinaus wurden alle Proben einer Ultraschallbehandlung unterzogen, um sicherzustellen, dass sich die Lösung richtig vermischte. Darüber hinaus wurde auch eine DEF-Lösung erhalten, die 32,5 % Harnstoff und 67,5 % entionisiertes Wasser enthielt. Darüber hinaus wurden während der Analyse mit unterschiedlichen Techniken zwei Replikate für alle Proben (Harnstoff, Nano-Harnstoff und DEF) verwendet.

Eine bekannte Probenmenge (1,0 g) wurde in 50 ml eines Messkolbens gegeben und anschließend wurde die Lösung mit entionisiertem Wasser auf 50 ml aufgefüllt. Dann wurden 5 ml Lösung aus der vorbereiteten Lösung entnommen und in ein Kjeldahl-Aufschlussröhrchen überführt. Danach wurden 2 g Katalysator (1 g Kupfersulfat gemischt mit 10 g Kaliumsulfat) und 20 ml konzentrierte Schwefelsäure in ein Kjeldahl-Röhrchen gegeben und gründlich gemischt. In der Zwischenzeit wurden auch Blindproben vorbereitet und zusammen mit allen Proben auf den Aufschlussblock gelegt und anschließend 2 Stunden lang auf 390 °C erhitzt. Die endgültige Lösung wurde auf Umgebungstemperatur abgekühlt und durch Zugabe von 10 ml entionisiertem Wasser weiter verdünnt. Anschließend wurden alle Kjeldahl-Röhrchen einzeln in die Destillations- und Titrationseinheit gestellt. Danach wurde automatisch eine bekannte Menge Natriumhydroxidlösung (32 %) zugegeben und die Lösung bis zu 6 Minuten lang weiter destilliert. Anschließend wurde das Ammoniak automatisch in der 2 %igen Borsäurelösung gesammelt und gegen die standardisierte Salzsäure (0,1 M) bis zur Endpunkterkennung titriert. Um den Gehalt der Titrierlösung zu überprüfen, wurde Ammoniumsulfat als Standard verwendet.

Zur Durchführung der N%-Analysen mittels CHNS wurden 2 mg konventioneller Harnstoff- und Nanoharnstoffproben mit unterschiedlichen Konzentrationen in einen Zinnbehälter gefüllt und dann über einen Autosampler in den Verbrennungsreaktor eingeführt. In die Kammer gelangte ein kontinuierlicher Heliumgasstrom (140 ml/min). Während des Analysezyklus wurde ein Sauerstofffluss (250 ml/min) für 5 s gemessen. Darüber hinaus wurde die Temperatur des Verbrennungsreaktors während der gesamten Analyse auf 950 °C gehalten. Das Rohr des Quarzverbrennungsreaktors wurde wie folgt von unten nach oben gefüllt; 20 mm Quarzwolle, 140 mm Elektrolytkupfer, 20 mm Quarzwolle, 50 mm Kupferoxid und 10 mm Quarzwolle. Nach der Verbrennung wurden die entwickelten Gase durch einen He-Strom durch einen mit Kupfer gefüllten Reduktionsreaktor transportiert. Anschließend wurden die entwickelten Gase durch die CO2-Wasserfallen geleitet und erreichten dann die GC-Säule und wurden durch TCD nachgewiesen. Der gesamte Analysezyklus wurde innerhalb von 10 Minuten abgeschlossen. Als Standard für die Kalibrierung des Instruments wurde Sulfanilamid verwendet.

Zur Messung der unterschiedlichen Konzentrationen von Harnstoffproben (0,25 bis 40 %) und Nanoharnstoffproben (1 bis 10 %) wurde außerdem ein digitales „Pocket“-Refraktometer verwendet. Zunächst wurde das Gerät mit entionisiertem Wasser kalibriert, wobei auf dem Bildschirm vor der Verwendung ein Nullwert angezeigt wurde. Anschließend wurden einige Tröpfchen unterschiedlicher Konzentrationen einer flüssigen Harnstoff-/Nanoharnstofflösung auf die Prismenoberfläche des Refraktometers gegeben. Daher kann der Harnstoffanteil aller Proben innerhalb von 3 s auf dem Display des Refraktometers angezeigt werden. Daher wurde die N%-Messung durch Multiplikation von 0,46 mit den vom Refraktometer erfassten Ergebnissen in Form von Harnstoff% geschätzt.

Statistische Analysen wurden unter Verwendung des allgemeinen linearen Modells von OriginPro 8.5 (Origin Lab Corporation) durchgeführt. Lineare Regressionsanalysen wurden durchgeführt, um die Korrelation von N % in verschiedenen Proben mithilfe verschiedener Analysetechniken (z. B. TKN, CHNS und Refraktometer) zu bewerten.

Der Einsatz handgehaltener, auf Refraktometern basierender Detektoren hat aufgrund ihrer geringen Größe, geringen Kosten, ihrer Tragbarkeit, der Tatsache, dass keine Fachkraft erforderlich ist, und der Echtzeiterkennung große Aufmerksamkeit erregt. Bei diesem Gerät können einige Tropfen einer flüssigen Harnstoffsuspension auf das Prisma gegeben werden, sodass der Messwert innerhalb von 3 Sekunden auf dem Bildschirm angezeigt wird. Dieses Handgerät arbeitet nach dem Prinzip des Brechungsindex. Wenn eine flüssige Probe auf die Prismenoberfläche gegeben wird, wird das Licht durch die Lösung übertragen, während ein Teil des Lichts reflektiert und von Fotodioden erfasst wird. Dadurch entsteht eine Schattenlinie, deren Lage eng mit dem Brechungsindex der Lösung zusammenhängt. Daher wird der Brechungsindex oder eine andere Maßeinheit des Brechungsindex nach der Bestimmung der Position der Schattenlinien mithilfe des Instruments durch eine interne Software korreliert. Somit kann die endgültige Flüssigkeitskonzentration auf dem Display des Refraktometers abgelesen werden. Dieses Gerät lässt sich leicht kalibrieren, indem einfach ein paar Tropfen flüssiger Standard oder destilliertes Wasser auf die Oberfläche des Prismas aufgetragen werden.

Um festzustellen, ob das Refraktometer als Ersatzmethode für TKN und CHNS zur N%-Schätzung für konventionelle Harnstoff- und Nano-Harnstoffdünger geeignet ist, wurden alle drei Techniken systematisch hinsichtlich der Linearität und auf der Grundlage anderer Leistungen wie Kosten, Probendurchsatz, Umweltverträglichkeit und Automatisierungsmöglichkeiten. Die Berechnung von N % in verschiedenen Konzentrationen von Harnstoff und Nanoharnstoff wurde mit TKN, CHNS und Refraktometer analysiert und anschließend verglichen. Tabelle 1 zeigt die deskriptive Statistik der Daten, die zum Vergleich der N %-Analyse mithilfe verschiedener Methoden verwendet wurden (wobei für jede Probe ein Duplikat entnommen wurde; n = 2).

Darüber hinaus wurde ihr Vergleich anhand der Korrelationen der mit einer anderen Technik erzielten Ergebnisse bewertet. Abbildung 1a–d zeigt die lineare Anpassung zwischen dem geschätzten Stickstoff (%) und verschiedenen Harnstoffkonzentrationen im Bereich von 0,25 bis 10 % für TKN, CHNS, Refraktometer und den theoretischen Wert des erwarteten N %.

Lineare Anpassung zwischen Stickstoff (%) und unterschiedlicher Harnstoffkonzentration von 0,25 bis 10 % für (a) TKN, (b) CHNS, (c) Refraktometer und (d) theoretischer N %. (Sowohl CHNS als auch Refraktometer haben gezeigt, dass der R2-Wert nahe am theoretischen Wert für die Harnstoffanalyse liegt.)

Interessanterweise war das Refraktometer in der Lage, die Untergrenze von Harnstoff bei 0,25 % (0,11 % N) zu erkennen und zeigte 0,092 % N an. Darüber hinaus wurde beobachtet, dass der von TKN erfasste N % die gerade Linie mit dem niedrigsten R2 (0,98879) aufwies. Wert im Vergleich zu anderen Techniken. Dagegen haben sowohl CHNS als auch Refraktometer die unterschiedlichen Harnstoffkonzentrationen erkannt, da ihr R2-Wert nahe am theoretischen Wert von N % liegt. Darüber hinaus wurde die Schätzung von N % in Nanoharnstoff unter Verwendung aller Techniken durchgeführt, um die Geräteleistung im Hinblick auf die Linearität zu bewerten. Eine lineare Anpassung zwischen dem gemessenen N (%) und verschiedenen Konzentrationen von Nanoharnstoff im Bereich von 1 bis 10 % für TKN, CHNS und Refraktometer ist in Abb. 2a – d zu sehen.

Lineare Anpassung zwischen Stickstoff (%) und unterschiedlicher Konzentration von Nanoharnstoff (1–10 %) für (a) TKN, (b) CHNS, (c) Refraktometer und (d) theoretischer N %. (Das Refraktometer zeigte, dass der R2-Wert nahe am theoretischen Wert für die Analyse von Nano-Harnstoff liegt).

Diese Ergebnisse zeigten, dass das refraktometerbasierte Gerät R2 = 0,99935 mit einem Achsenabschnitt von −0,04667 ± 0,02455 und einer Steigung von 0,46667 ± 0,00396 zeigte. Daraus lässt sich schließen, dass die lineare Anpassung für die Schätzung von N % in Nanoharnstoff mittels Refraktometer im Vergleich zu anderen Methoden näher am theoretischen Wert von N % liegt. Darüber hinaus wurden angesichts der Bedeutung der DEF-Lösung in Dieselmotoren für die Vermeidung von Luftverschmutzung höhere Harnstoffkonzentrationen von bis zu 40 % für die Analyse verwendet. In Abb. 3a–d ist eine lineare Anpassung zwischen Stickstoff (%) und unterschiedlichen Harnstoffkonzentrationen im Bereich von 0,25 bis 40 % für TKN, CHNS, Refraktometer und dem theoretischen N % dargestellt. Bei diesen Konzentrationen erzielte das refraktometerbasierte Gerät im Vergleich zu anderen Techniken hervorragende Ergebnisse in Bezug auf R2 (0,99918), was darauf hindeutet, dass das Refraktometer auch für die Analyse von DEF-Lösungen verwendet werden kann.

Lineare Anpassung zwischen Stickstoff (%) und verschiedenen Harnstoffkonzentrationen im Bereich von 0,25 bis 40 % (einschließlich DEF bei 32,5 % Harnstoff) für (a) TKN, (b) CHNS (c) Refraktometer und (d) theoretischer N % (Refraktometer). zeigte, dass der R2-Wert nahe am theoretischen Wert für die Harnstoffanalyse liegt).

Tabelle 2 zeigt die verschiedenen Techniken zur Messung von Harnstoff- und Nanoharnstoffproben mit einer Konzentration von bis zu 10 % und ihre jeweiligen Werte wie R2, Achsenabschnitt und Steigung, die durch lineare Anpassung extrahiert wurden.

Zur weiteren Auswertung wurden die gemessenen N % verschiedener Konzentrationen von Harnstoff und Nanoharnstoff (1, 5 und 10 %) mit allen Methoden extrahiert und wie in Abb. 4a, b dargestellt verglichen.

N%-Erkennung unter Verwendung verschiedener Techniken und deren Vergleich mit dem theoretischen Wert verschiedener Konzentrationen von (a) Harnstoff und (b) Nano-Harnstoff (c) Schätzung von N% in DEF-Lösung mit 32,5 % Harnstoff unter Verwendung verschiedener Methoden (Refraktometer, CHNS und TKN) und mit dem theoretischen Wert von N% verglichen. (Refraktometerbasierte Geräte zeigten im Falle einer DEF-Lösung eine geringere Abweichung von ~ 1,53 % vom theoretischen Wert im Vergleich zu anderen Techniken.)

Es wurde beobachtet, dass die N%-Schätzung durch TKN nicht mit dem theoretischen Wert von N% übereinstimmt. Der Grund dafür ist, dass diese Technik nur Stickstoff aus Ammonium sowie organische Bestandteile wie Aminosäuren, Nukleinsäuren und Proteine ​​in der Probe erkennt. Allerdings ist die Messung anderer in Nitrit und Nitrat vorhandener Stickstoffformen mit der TKN-Technik8 nicht möglich. Darüber hinaus liegen refraktometerbasierte Ergebnisse im Vergleich zu anderen Techniken, wie in Abb. 4 dargestellt, näher am theoretischen Wert von N %. Abbildung 4c zeigt die Analyse von N % in DEF-Lösung unter Verwendung verschiedener Methoden wie CHNS, TKN , und Refraktometer und verglichen dann ihre Ergebnisse mit dem theoretischen Wert von N%. In dieser Analyse zeigten TKN, CHNS und refraktometerbasierte Geräte einen N-Gehalt von 15,27, 14,01 bzw. 14,72 % im DEF. Es wurde beobachtet, dass der N-Prozentsatz bei TKN um etwa + 6,29 %, bei CHNS um – 2,14 % und beim Refraktometer um – 1,53 % vom theoretischen N-Prozentwert in DEF abwich. Daher zeigte das auf dem Refraktometer basierende Gerät im Fall von DEF einen Wert an, der näher am theoretischen N% lag.

Messzeit und Automatisierung: Bei der Analyse einer großen Anzahl von Proben im Labor sind diese Eigenschaften von großer Bedeutung. Beispielsweise kann TKN nur 8 Proben (einschließlich zwei Replikate jeder Probe und zwei Leerproben) mit einem Aufschlussblock für 8 Röhrchen und einer Destillations-Titrationseinheit innerhalb von 4 Stunden analysieren. Bei CHNS können im gleichen Zeitraum etwa 13–17 Analysen durchgeführt werden. Im Gegensatz dazu kann ein Refraktometer etwa 170–180 Proben (einschließlich Probenahme, Prüfung und Waschen der Prismenoberfläche) in 4 Stunden analysieren. Somit ermöglicht dieses Gerät den schnellen Nachweis von N% für Harnstoffproben.

Was die Automatisierungsmöglichkeiten betrifft, verfügt TKN über einige manuelle Schritte (z. B. Einsetzen von Reagenzien in das Aufschlussrohr, Verdünnung von Chemikalien nach dem Aufschluss und Positionierung des Aufschlussrohrs im Destillationssystem). Darüber hinaus gibt es bei der Probenanalyse durch CHNS einige Fortschritte hinsichtlich der Probeneingabe über Autosampler. Andererseits kann man die Ergebnisse leicht überwachen, indem man auf einem Refraktometer den Knopf drückt, nachdem man ein paar Tropfen flüssiger Proben aufgegeben hat.

Umwelt- und Sicherheitsaspekt: ​​Die Verwendung gefährlicher Säuren (Schwefelsäure, Natriumhydroxid) und katalysatorbasierter Schwermetalle ist bei der Verwendung des TKN ein großes Problem. Darüber hinaus kommt es in geringem Umfang zur Verwendung von Schwermetallen bei der Probenanalyse durch CHNS. Im Gegenteil, das Refraktometer erfordert bei der Probenanalyse keine gefährlichen Chemikalien und toxischen Elemente. Überraschenderweise wird DI-Wasser nur zum Waschen der Prismenoberfläche nach der Messung verwendet.

Kosten: Beide Instrumente (TKN und CHNS) sind teuer. Der Preis für die Probenanalyse umfasst den Fixpreis (Gerätekosten), den variablen Preis (Glaswaren, Standardchemikalien, andere Chemikalien, Strom, Wasserverbrauch und Wartungskosten) sowie die Arbeitskosten eines Technikers. Andererseits ist ein Handrefraktometer im Vergleich zu beiden Instrumenten recht günstig. Die Gerätebedienung ist einfach und es fallen keine weiteren Kosten an. Aus all diesen Gründen könnte die Harnstoffdetektion auf Handrefraktometerbasis eine mögliche Technik im Bereich der Düngemittelindustrie sein.

Abschließend wurden ein Handrefraktometer und andere Analysegeräte (TKN und CHNS) verwendet, um den N-Anteil in Harnstoff und Nanoharnstoffdünger zu ermitteln, und es wurde eine Vergleichsstudie durchgeführt. Die lineare Korrelation wurde für alle Proben ausgewertet, nachdem die Ergebnisse mithilfe aller drei Techniken extrahiert wurden. Unter allen untersuchten Techniken zeigte das auf einem Handrefraktometer basierende Gerät eine gute Linearität (R2 = 0,99935) und lag im Fall von Nanoharnstoff nahezu nahe am theoretischen Wert. Darüber hinaus zeigte das Handrefraktometer im Vergleich zu anderen Techniken eine genauere Reaktion auf die DEF-Lösung. Darüber hinaus wurden auch andere Leistungsparameter im Hinblick auf Kosten, Erkennungszeit, Umweltsicherheitsaspekte und Portabilität verglichen. Solche hervorragenden Funktionen wie schnelle Erkennung (3 s), geringer Stromverbrauch und der Verzicht auf den Einsatz zusätzlicher Chemikalien in handgehaltenen Refraktometer-basierten Geräten können die TKN- und CHNS-Instrumente für die Routineanalyse von Harnstoff und Nanoharnstoff in der Düngemittelindustrie und der DEF-Produktion ersetzen Einheit.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationsdateien) enthalten.

Eine Korrektur zu diesem Artikel wurde veröffentlicht: https://doi.org/10.1038/s41598-022-16797-w

Kumar, Y., Tiwari, KN, Singh, T. & Raliya, R. Nanodünger und ihre Rolle in der nachhaltigen Landwirtschaft. Ann. Pflanzenbodenres. 23(3), 238–255 (2021).

Artikel Google Scholar

Zulfiqar, F., Navarro, M., Ashraf, M., Akram, NA & Munné-Bosch, S. Verwendung von Nanodüngern für eine nachhaltige Landwirtschaft: Vorteile und Einschränkungen. Pflanzenwissenschaft. 289, 110270 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Lecompte, M., Obiols, J., Cherel, J. & Raux, S. Die Vorteile der Additivierung von Diesel Exhaust Fluid (DEF) bei der Bildung von Harnstoffablagerungen in einem motornahen Diesel-SCR in der Filterabgasleitung. SAE Int. J. Fuels Lubr. 10(3), 864–876 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Terzis, A. et al. Spritzverhalten von Tröpfchen von Dieselabgasflüssigkeit (AdBlue), die auf Harnstoff-Wasser-Lösungsfilme auftreffen. Exp. Therm. Flüssigkeitswissenschaft. 102, 152–162 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Burt, TP, Heathwaite, AL & Trudgill, ST Nitrat: Prozesse (Patterns and Management, Wiley, 1993).

Google Scholar

Saez-Plaza, P., Navas, MJ, Wybraniec, S., Michałowski, T. & Asuero, AG Ein Überblick über die Kjeldahl-Methode zur Stickstoffbestimmung. Teil II. Probenvorbereitung, Arbeitsmaßstab, instrumentelle Endbearbeitung und Qualitätskontrolle. Krit. Pfr. Fr. Anal. Chem. 43(4), 224–72 (2013).

Artikel Google Scholar

Etheridge, RD, Pesti, GM & Foster, EH Ein Vergleich der Stickstoffwerte, die unter Verwendung der Kjeldahl-Stickstoff- und Dumas-Verbrennungsmethoden (Leco CNS 2000) an typischen Proben eines Tierernährungsanalyselabors erhalten wurden. Anim. Feed Sci. Technol. 73(1), 21–28 (1998).

Artikel CAS Google Scholar

Muñoz-Huerta, RF et al. Ein Überblick über Methoden zur Erfassung des Stickstoffstatus in Pflanzen: Vorteile, Nachteile und jüngste Fortschritte. Sensoren 13(8), 10823–10843 (2013).

Artikel ADS Google Scholar

Marcó, A., Rubio, R., Compañó, R. & Casals, I. Vergleich der Kjeldahl-Methode und einer Verbrennungsmethode zur Bestimmung des Gesamtstickstoffs in Tierfutter. Talanta 57(5), 1019–1026 (2002).

Artikel Google Scholar

Daun, JK & DeClercq, DR Vergleich von Verbrennungs- und Kjeldahl-Methoden zur Bestimmung von Stickstoff in Ölsaaten. Marmelade. Ölchem. Soc. 71(10), 1069–1072 (1994).

Artikel CAS Google Scholar

Saint-Denis, T. & Goupy, J. Optimierung eines Stickstoffanalysators basierend auf der Dumas-Methode. Anal. Chim. Acta 515(1), 191–198 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Thompson, M., Owen, L., Wilkinson, K., Wood, R. & Damant, A. Ein Vergleich der Kjeldahl- und Dumas-Methoden zur Bestimmung von Protein in Lebensmitteln unter Verwendung von Daten aus einem Eignungsprüfungsprogramm. Analytiker. 127(12), 1666–1668 (2002).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wyness, SP, Hunsaker, JJH, Snow, TM & Genzen, JR Bewertung und analytische Validierung eines tragbaren digitalen Refraktometers zur Messung des spezifischen Gewichts von Urin. Üben. Labor. Medikamente. 5, 65–74 (2016).

Artikel Google Scholar

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IFFCO – Nano Biotechnology Research Center, Gandhinagar, 382423, Gujarat, Indien

Vijendra Singh Bhati und Ramesh Raliya

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VSB führte die Experimente durch und verfasste das Manuskript. RR hat wertvolle Vorschläge gemacht und das Manuskript gründlich überprüft.

Korrespondenz mit Ramesh Raliya.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Die ursprüngliche Online-Version dieses Artikels wurde überarbeitet: Die ursprüngliche Version dieses Artikels enthielt einen Fehler in der Autorenzugehörigkeit, die fälschlicherweise als „Nano Biotechnology Research Centre, Indian Farmers Fertilizer Cooperative Limited, Gandhinagar, 382423, Indien“ angegeben wurde. Die korrekte Zugehörigkeit ist hier aufgeführt. IFFCO – Nano Biotechnology Research Center, Gandhinagar, Gujarat 382423, Indien.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Bhati, VS, Raliya, R. Vergleichende Schätzung von Stickstoff in Harnstoff und seinen Derivatprodukten mit TKN, CHNS und Handrefraktometer. Sci Rep 12, 11704 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-15736-z

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Eingegangen: 11. April 2022

Angenommen: 28. Juni 2022

Veröffentlicht: 09. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-15736-z

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