Glassy carriers of sulphur for agricultural applications

Abstract

Rozprawa doktorska podejmuje tematykę wieloskładnikowych szkieł krzemianowo-fosforanowych, reprezentujących układ $SiO_{2}-P_{2}O_{5}-K_{2}O-MgO-CaO$, w kontekście możliwości ich zastosowania jako szkliste nośniki siarki w agrotechnice. Omawiane na stronach pracy materiały stanowią propozycję rozwiązania narastającego problemu degradacji i wyjaławiania środowiska glebowego, wskutek postępującej intensyfikacji zabiegów rolnych, sam dodatek siarki jest natomiast podyktowany niedawno rozpoznanym zagrożeniem zubożenia tego ekosystemu w biodostępną formę siarki, siarkę siarczanową. W świetle tych wyzwań, podjęto próbę zaprojektowania, otrzymania oraz optymalizacji składu chemicznego nawozów szklistych oraz oceny ich potencjału do inkorporacji ugrupowań siarczanowych przy zastosowaniu szerokiej palety technik badawczych. Analiza uzyskanych wyników prowadzona jest dwu-perspektywicznie: z punktu widzenia wpływu dodatku siarczanów na właściwości badanych materiałów a także pod kątem wpływu składu chemicznego szkieł na ich zdolność do inkorporacji siarczanów, w dążeniu do rozwikłania relacji: skład chemiczny - struktura - właściwości szkieł nawozowych. Zaprezentowana w pracy ścieżka badawcza stanowi przewodnik do charakterystyki materiałów pełniących rolę rezerwuaru składników użytecznych dla roślin, prowadząc do wytypowania układów najpełniej wpisujących się w wymagania stawiane nawozom szklistym. Nowością naukową prezentowanej rozprawy jest opis zachowania ugrupowań siarczanowych w strukturze wieloskładnikowych szkieł krzemianowo-fosforanowych.

The doctoral dissertation addresses the design and characterization of multicomponent silicate-phosphate glasses within the $SiO_{2}-P_{2}O_{5}-K_{2}O-MgO-CaO$ system, investigated in the context of their potential use as vitreous earners of sulfur in agriculture. The studied materials are presented as a prospective solution to the progressive degradation and impoverishment of soils, resulting from the intensification of agricultural practices, while the deliberate introduction of sulfur is motivated by the recently recognized depletion of bioavailable sulfate species in these ecosystems. In response to these challenges, the research involved the conception, synthesis, and compositional optimization of glass fertilizers, alongside a comprehensive evaluation of their capability to incorporate sulfate groups using a broad array of analytical techniques. The interpretation of the obtained results is conducted from two complementary perspectives: the effect of sulfate incorporation on the properties of the glasses, and the reciprocal influence of glass composition on their sulfate uptake capacity, with the ultimate aim of elucidating the intricate composition-¬structure-property relationships that govern vitreous fertilizers. The research pathway outlined in this work thus provides a systematic framework for identifying glass systems that may act as reservoirs of essential plant nutrients, while the novelty of the dissertation lies in the description of the structural behavior of sulfate groups in multicomponent silicate-phosphate glasses.