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L’industrie des engrais azotés

1 L’industrie des engrais azotés

1 : Présentation :

Les engrais sont des substances, le plus souvent des mélanges d'éléments minéraux, destinées à apporter aux plantes des compléments d'éléments nutritifs de façon à améliorer leur croissance et augmenter le rendement et la qualité des cultures. L'action consistant à apporter un engrais s'appelle la fertilisation. Les engrais font partis des produits fertilisants, avec les amendements.
La fertilisation se pratique en agriculture et lors des activités de jardinage.
Les engrais furent utilisés dès l'Antiquité, où l'on ajoutait au sol, de façon empirique, les phosphates des os (calcinés ou non), l'azote des déjections animales et humaines, le potassium des cendres.

Le mot engrais désigne toutes les substances naturelles ou synthétiques que l'on ajoute au sol pour apporter des éléments nutritifs aux végétaux. Les engrais servent surtout à fournir 3 des 17 éléments essentiels à la croissance des plantes : l'azote (N), le phosphore (P205) et le potassium (K20). D'autres éléments moins souvent requis sont le soufre, le calcium, le magnésium, le fer, le cuivre, le manganèse, le bore et le zinc. Les engrais synthétiques ou commerciaux sont vendus selon leur contenu de N, de P205 et de K20 (exprimé en pourcentage) et contiennent souvent une proportion élevée d'un ou de plusieurs de ces éléments. Par exemple, l'urée, un engrais très utilisé, a une analyse de 46-0-0, ce qui veut dire qu'elle contient 46 p. 100 de N, mais pas de P2O5 ni de K20. Un engrais au phosphate d'ammonium, très utilisé, d'analyse 11-55-0 indique qu'il contient 11 p. 100 de N, 55 p. 100 de P2O5 et pas de K20.

Les engrais organiques naturels (par exemple le fumier d'étable et les boues d'épuration) contiennent beaucoup moins d'éléments nutritifs et sont plus volumineux que les engrais synthétiques. Le fumier, dont la composition varie, contient normalement à peu près 0,5 pour 100 de N, 0,25 pour 100 de P2O5, 0,5 pour 100 de K2O et de petites quantités des autres éléments essentiels. Il est très utilisé dans les fermes d'élevage et sur les terres avoisinant les grandes entreprises d'élevage de bétail. En raison de leur faible contenu en éléments nutritifs et de leur volume considérable, il n'est pas pratique de transporter des engrais organiques naturels sur de longues distances.

Dans les systèmes agricoles des sociétés urbanisées, l'utilisation d'engrais synthétiques commerciaux est inévitable. Il n'est pas surprenant de noter que, là où les engrais sont offerts à un coût que les exploitants agricoles peuvent se permettre, le rendement de la culture est beaucoup plus élevé que dans les pays où les engrais sont peu utilisés. Au Canada, les régions de l'Est ont les taux d'utilisation d'engrais les plus élevés, et les Prairies, les plus faibles.

L'industrie des engrais fait partie des INDUSTRIES CHIMIQUES. Les principaux types d'engrais sont à base de potassium, de nitrate et de phosphate et comprennent aussi une part importante de plusieurs composés de sulfate. Comme chacun des engrais est fabriqué selon des procédés chimiques variés, chacun a aussi sa propre histoire au Canada.

Les engrais azotés provenaient au début de sources naturelles (dépôts de nitrate du Chili). La production à grande échelle de nitrate synthétique est devenue possible après la découverte par les chimistes allemands Fritz Haber et Carl Bosch, en 1908, d'un procédé permettant de produire de l'ammoniac à partir d'azote atmosphérique et d'hydrogène. Le procédé est mis en application pour la production d'engrais après la Première Guerre mondiale. Le composé produit, connu sous le nom d'ammoniac anhydre (sans eau), peut être utilisé tel quel comme engrais ou servir à la production d'autres types d'engrais. Par exemple, le nitrate d'ammonium est produit en combinant de l'ammoniac anhydre et de l'acide nitrique; l'urée, en combinant de l'ammoniac anhydre et le dioxyde de carbone contenu dans l'atmosphère; et le phosphate d'ammonium, en combinant de l'ammoniac anhydre et de l'acide phosphorique. En 1930, la Cominco ltée construit une usine d'ammoniac anhydre à Trail, en Colombie-Britannique. En 1932, elle devient la première productrice au monde d'engrais granulé; en 1963, de nitrate d'ammonium granulé; et, en 1965, d'urée granulée.

L'ammoniac est un composé chimique, de formule NH3. C'est une molécule pyramidale trigonale : l'azote (N) est au centre tandis que l'hydrogène (H) occupe trois des quatre sommets, le quatrième étant occupé par 2 électrons.

Sous forme gazeuse, l'ammoniac est utilisé par l'industrie pour la fabrication d'engrais, d'explosifs et de polymères. L'ammoniac gazeux, qui donne 82 % d'azote, sert aussi d'engrais azoté ; il est injecté directement dans le sol sous forme d'ammoniac liquéfié sous pression. Une fois dissous dans l'eau, le gaz ammoniac forme une base, l'ammoniaque, de formule NH4OH. L'ion ammonium NH4+ comporte alors un atome d'hydrogène aux quatre sommets du tétraèdre. On le trouve aussi dans la cigarette.

La production industrielle de l'ammoniac se fait essentiellement par synthèse directe à partir de dihydrogène et de diazote (procédé mis au point par l'Allemand Fritz Haber, prix Nobel de chimie en 1918). L'azote est fourni par l'air et le dihydrogène par vaporéformage du méthane (gaz naturel).

Air (source de diazote) + dihydrogène + eau → ammoniac + dioxyde de carbone

CH4 + N2 + 2H2O 2NH3 + H2 + CO2

 

Qui peut se décomposer en :

Production de dihydrogène par vaporéformage (voir l'article dihydrogène) :

 

CH4 + H2O  CO + 3H2

CO + H2O CO2 + H2

Synthèse de l'ammoniac

 

N2 + 3H2 2NH3; ΔH0298 = -92,2KJ/mol

Anciennement, l'ammoniac était obtenu par distillation du purin et du fumier.

L'urée ou carbamide (DCI) est un composé organique de formule chimique CON2H4.

Sa synthèse naturelle par les animaux met en jeu 3 acides aminés: arginine, citrulline et ornithine au cours du cycle de l'urée dans le foie.

L'urée naturelle, découverte en 1773 par Hilaire Rouelle, est formée dans le foie lors du cycle de l'urée à partir de l'ammoniaque provenant de la dégradation des acides aminés. Il est éliminé par l'urine. Sa synthèse en 1828 par Friedrich Woehler a provoqué une révolution en démontrant qu'il est possible de synthétiser un composé organique, en dehors d'un organisme vivant. Cette expérience marque le début de la chimie organique et la fin de la théorie de la force vitale. Woehler synthétisa l'urée après avoir maîtrisé la synthèse de l'acide cyanique. En le traitant par l'ammoniaque, on obtient du cyanate d'ammonium qui s'isomérise en urée.

L'urée est utilisée en chimie industrielle pour la synthèse de certains plastiques, les résines urée - formol (urée formaldéhyde). La plus importante utilisation actuelle est la fabrication d'engrais azotés.

L'urée est également de plus en plus utilisée sur les véhicules thermiques en additif à l'échappement (bus, cars...) afin d'augmenter le pouvoir du catalyseur. Les véhicules ainsi équipés passent actuellement haut la main les normes EURO4 (norme 2006) et EURO5 (norme 2009).

L'urée est filtrée par le glomérule rénal et réabsorbée partiellement (environ 40%) par le tubule rénal. L'intensité de sa réabsorption dépend largement du niveau de la concentration urinaire (réabsorption plus forte quand la concentration est plus élevée).

Une insuffisance rénale augmente donc sensiblement sa concentration dans le sang (urémie). Cependant son dosage est moins fiable que celui de la créatinine pour évaluer la fonction rénale car la variation de son taux dépend également d'autres facteurs : il augmente en particulier lors des régimes riches en protéines et dans certaines autres situations.

Les sulfates de potassium, d'ammonium et de magnésium sont utilisés dans les engrais. Ceux de zinc, manganèse, cuivre et de fer sont utilisés en micro - fertilisation, pour corriger les carences en ces éléments. Le sulfate de cuivre est aussi un fongicide et un bactéricide puissant utilisé en agriculture. Il entre dans la composition de la bouillie bordelaise.

L’ammonitrate est un engrais azoté minéral à base de nitrate d'ammonium.

L’ammonitrate est fabriqué à partir d’une solution de nitrate d’ammonium, additionnée d’un produit neutre (craie, dolomie, kieselguhr...). Il se présente sous forme de granulés solides. Il peut être livré soit conditionné en sacs de 50 ou 500 kg, soit en vrac.

On distingue deux catégories d’ammonitrates :

  • les ammonitrate à haut dosage contenant 33 à 34,5 % d’azote (ammonitrate 33) ;
  • les ammonitrates à moyen dosage contenant 26 à 27,5 % d’azote (ammonitrate 27).

Les dosages inférieurs à 26 % ne sont pratiquement plus utilisés.

Le nitrate d’ammonium pur (qui dose 35 % d’azote) ne pourrait être utilisé comme engrais en raison de son caractère hygroscopique. La présentation en granulés perles de calibre homogène est nécessaire pour la régularité de l’épandage. En outre l’addition d’un faible pourcentage de matière inerte améliore sa stabilité pour le stockage.

Sur le plan agronomique, c’est une formulation intéressante car il combine l’action rapide de l’azote nitrique avec celle plus lente de l’azote ammoniacal. L’ammonitrate haut dosage a tendance à acidifier les sols.

En France, c’est la principale forme d’engrais azoté utilisée.

Une solution azotée est un engrais azoté liquide contenant une ou plusieurs substances en solution de l'eau apportant de l'azote sous diverses formes. Les solutions azotées sont des engrais relativement concentrés, puisqu'elles peuvent doser jusqu'à 40 % d'azote. Elles sont principalement constituées de mélanges d'urée et de nitrate d'ammonium, et parfois de sulfate d'ammonium. L'épandage des solutions azotées se fait au moyen de pulvérisateurs adaptés. Elles s'utilisent surtout au printemps sur les cultures au moment du démarrage de la végétation.

Le nitrate d'ammonium est un composé chimique apolaire de formule NH4NO3, principalement utilisé comme engrais hautement azoté. Dans ce cas, il est plus connu sous le nom d'ammonitrate. C'est une substance cristalline, inodore qui tend à s'agglomérer en grumeaux. La dissolution dans l’eau de substances dont la solubilité varie avec l’augmentation de température est un processus endothermique.

NH4NO3 (s) → NH4 + (aq) + NO3- (aq)

Il se décompose à la chaleur en oxyde nitreux N2O gazeux et eau. On le fabrique par l'action de l'acide nitrique sur l'ammoniac.

2 : Rôle des engrais :

Pour accomplir le processus de leur vie végétative, les plantes ont besoin d'eau, de près de vingt éléments nutritifs qu'elles trouvent sous forme minérale dans le sol, de dioxyde de carbone (CO2) apporté par l'air, et d'énergie solaire nécessaire à la synthèse chlorophyllienne.

Les engrais apportent :

Ces éléments secondaires se trouvent habituellement en quantité suffisante dans le sol, et ils sont ajoutés uniquement en cas de carence.

Les plantes ont besoin de quantités relativement importantes des éléments de base. L'azote, le phosphore et le potassium sont donc les éléments qu'il faut ajouter le plus souvent au sol, et ils constituent la base de la plupart des engrais vendus de nos jours. L'azote est le plus important d'entre eux, et le plus controversé à cause du phénomène de lessivage, lié la forte solubilité dans l'eau des nitrates. Par le procédé Haber - Bosch un pour cent de l'énergie consommée par les humains produit de l'ammoniac qui fournit la moitié de l'azote nécessaire à l'agriculture.

La chaux calcique est une source de calcium et la chaux dolomitique fournit du calcium et du magnésium. Le soufre est généralement présent en quantité suffisante dans le sol.

3 : Types d'engrais :

Les engrais peuvent être de trois types: organiques, minéraux et organo - minéraux.

3-1 : Engrais organiques :

Les engrais organiques sont généralement d'origine animale ou végétale. Ils peuvent aussi être synthétisés (urée par exemple).

Les premiers sont typiquement des déchets industriels tels que déchets d'abattoirs (sang desséché, corne torréfiée, déchets de poissons, boues d'épuration des eaux). Ils sont intéressants par leur apport d'azote à décomposition relativement lente, et par leur action favorisant la multiplication rapide de la microflore du sol, mais n'enrichissent guère le sol en humus stable.

Les seconds peuvent être des déchets végétaux (résidus verts), compostés ou pas. Mais ce peuvent être aussi des plantes cultivées spécialement comme engrais vert ou préparées dans ce but (purin d'ortie, algues). Ce sont aussi des sous-produits de l'élevage, tels que fumiers (composition de la plupart des fumiers : litière végétale et déjections - qui ne sont pas des matières animales mais des végétaux plus ou moins digérés), lisier, fientes, etc.

Le principe de l'engrais vert reprend la pratique ancestrale qui consiste à enfouir les mauvaises herbes. Elle s'appuie sur une culture intercalaire, qui est enfouie sur place. Quand il s'agit de légumineuses telles que la luzerne ou le trèfle, on obtient en plus un enrichissement du sol en azote assimilable car leur système racinaire associe des bactéries, du genre Rhizobium, capables de fixer l'azote atmosphérique. Pour rendre cette technique plus efficace, on ensemence préalablement les graines avec la bactérie associée.

3-2 : Engrais minéraux :

Les engrais minéraux sont des substances d'origine minérale, produits soit par l'industrie chimique, soit par l'exploitation de gisement naturels (phosphate, potasse).

L'industrie chimique intervient surtout dans la production des engrais azotés, qui passe par la synthèse de l'ammoniac à partir de l'azote de l'air, moyennant un apport important d'énergie fournie par le gaz naturel (qui fournit également l'hydrogène). de l'ammoniac sont dérivés l'urée et le nitrate. Elle intervient également pour la fabrication des engrais complexes, qui sont constitués par des sels résultant de la réaction d'une base avec un acide. Les engrais composés peuvent être de simples mélanges, parfois réalisés par les distributeurs (coopératives ou négociants). On appelle ces mélanges du Bulk Blending.

On distingue les engrais simples (ne contenant qu'un seul élément nutritif) et les engrais composés (qui peuvent en contenir deux ou trois). L'appellation des engrais minéraux est normalisée, par référence à leurs trois principaux composants : NPK. Les engrais simples peuvent être azotés, phosphatés ou potassiques. Les engrais binaires sont notés NP ou PK ou NK, les ternaires NPK. Ces lettres sont généralement suivies de chiffres, représentant les proportions respectives des éléments. Les engrais chimiques produits industriellement contiennent une quantité minimale garantie d'éléments nutritifs, et elle est indiquée sur le sac.

Par exemple, la formule 5-10-5 indique la proportion d'azote (N), de phosphore (P) et de potassium (K) présente dans l'engrais, soit 5 % de N, 10 % de P2O5 et 5 % de K2O.

  • L'apport azoté est exprimé en azote N et est apporté soit sous forme de nitrate NO3, d'ammoniaque NH4 ou d'urée. Les contraintes de stockage de la forme nitrate incitent les distributeurs d'engrais à se tourner vers des formes ammoniacales uréïques.
  • Le phosphore est exprimé sous la forme P2O5 mais apporté sous forme de phosphates de calcium ou d'ammonium.
  • Le potassium est exprimé sous la forme K2O mais apporté par du chlorure, du nitrate et du sulfate de potassium.

3-3 : Engrais organo - minéraux :

Les engrais organo - minéraux résultent du mélange d'engrais minéraux et d'engrais organiques.

4 : Composition des engrais :

4-1 : Quelques exemples d'engrais simples :

  • l'urée (46% d'azote), le sulfate d'ammoniaque (SA, 21% d'azote), l'ammonitrate (AN, 33.5% d'azote) et le nitrate de chaux (CAN/NAC, jusqu'à 27% d'azote) ne contiennent que de l'azote (N);
  • le superphosphate simple (SP, 18% de phosphore) ou le superphosphate triple (TSP, 46% de phosphore) ne contiennent que du phosphore (P2O5)
  • le chlorure de potassium (60% de potassium) ne contient que de la potasse (K2O). Le sulfate de potassium (SOP, 50% de K2O) contient également 18% de soufre.

Parmi les autres engrais courants qui, outre les éléments nutritifs principaux, contiennent du soufre (S) on peut citer les engrais simples : sulfate d'ammoniaque ou SA qui a 24% de soufre et le SSP qui en a 12%.

4-2 : Quelques exemples d'engrais composés :

  • le phosphate diammonique contient à la fois N et P. Les formules les plus courantes sont le 18-46-0 et le 20-20-0.
  • le nitrate de potassium contient à la fois N et K.

5 : Application des engrais :

Généralement, les engrais sont incorporés au sol, mais ils peuvent aussi être apportés par l'eau d'irrigation. Cette dernière technique est employée aussi bien pour les cultures en sol (traditionnelles), que hors sol (sur substrat plus ou moins inerte, tel que terreaux, tourbes, laine de roche, perlite, vermiculite, etc). Une autre technique particulière, la culture hydroponique, permet de nourrir les plantes avec ou sans substrat. Les racines se développent grâce à une solution nutritive -eau plus engrais- qui circule à leur contact. La composition et la concentration de la solution nutritive doivent être constamment réajustées.

Dans certains cas, une partie de la fertilisation peut être réalisée par voie foliaire, en pulvérisation. En effet, les feuilles sont capables d'absorber des engrais, s'ils sont solubles et si la surface de la feuille reste humide assez longtemps. Cette absorption reste toutefois limitée en quantité. Ce sont donc plutôt les oligo-éléments qui peuvent être apportés ainsi, compte tenu des faibles quantités nécessaires aux plantes.

Sur des sols acides, on peut procéder au chaulage pour augmenter le pH. Cette mesure augmente l'efficacité des engrais en favorisant l'assimilation par les plantes des éléments nutritifs présents dans le sol.

Les engrais doivent être utilisés avec précaution. Il est généralement suggéré :

  • d'éviter les excès, car au-delà de certains seuils les apports supplémentaires non seulement n'ont plus aucun intérêt économique, mais en plus risquent d'être toxiques pour les plantes (en particulier les oligo-éléments), et de nuire à l'environnement ;
  • de maîtriser leurs effets sur l'acidité du sol ;
  • de tenir compte des interactions possibles entre les éléments chimiques ;
  • de tenir compte des limites imposées par les autres facteurs de production.

6 : Dose d'engrais :

La dose d'engrais est la quantité d'engrais à apporter pour une certaine surface ou un certain nombre de plantes. Idéalement, la quantité apportée devrait

  • être suffisante pour couvrir les besoins de la plante (de façon à garantir le rendement, la qualité, le taux de croissance, voire la beauté, souhaités),
  • sans toutefois les excéder (de façon à limiter le coût de la fertilisation, ainsi que l'impact environnemental. Une dose trop élevée peut aussi endommager une culture).

L'utilisateur de fertilisants se basera souvent sur la notion de dose recommandée.

La dose recommandée est la dose d'application suggérée par les instituts de recherche agricoles, publics ou privés, certaines associations ou ONG, ou par les entreprises de commercialisation. Elle va être donnée soit en terme de nombre de sacs à utiliser (avec indication des proportions NPK contenues dans un sac), soit directement en termes de quantité de chaque élément à apporter à l'hectare, ou en quantité à apporter par plante ou par trou de plantation.

Les doses recommandées varient en fonction de la culture, de la variété utilisée, du type de sol, du climat etc…

Quel est le moyen le plus simple de calculer la quantité des éléments nutritifs contenus dans un sac d'engrais?

Le moyen le plus simple est de diviser les nombres imprimés sur le sac de 50 kg par 2 et ceux marqués sur le sac de 25 kg par 4. Ainsi dans un sac de 50 kg dont la formule est 15-5-20, nous aurons les quantités suivantes d'éléments nutritifs:

15/2 : 7.5 kg N (quantité d'azote)

5/2 : 2.5 kg P2O5 (quantité de phosphate)

20/2 : 10 kg K2O (quantité de potassium)

Au total 20 kg d'élément pour un sac de 50 kg d'engrais.

Quelques exemples:

a) La recommandation est : application de 60 kg N par hectare sous forme d'urée, qui contient 45% de N. Combien de sacs prévoir?

46 divisé par 2 est égal à 23 : la division par 2 correspond au poids du sac : 50 kg. Chaque sac contient donc 23 kg d'azote.

60 divisé par 23 est égal à 2.6. Ainsi, à peu près deux sacs et deux tiers d'un sac du produit sont nécessaires pour couvrir un hectare

2.6 sacs*50 kg : un total de 130 kg d'urée, doit être appliqué par hectare.

b) Quelle quantité d'urée utiliser pour un champ de 500 m² ?

Si la superficie du champ est de 500 m² la quantité requise d'urée est un vingtième de celle pour un hectare soit 6½ kg (pour rappel, un hectare fait 100m X 100m (soit 10 000 m²).

c) Quand la recommandation est d'utiliser un engrais 60-30-30, que se passe t-il si vous utilisez un engrais 15-15-15 ?

Si vous utilisez uniquement cet engrais, vous appliquerez

  • soit deux fois trop de phosphore et de potassium (perte économique et risque pour l'environnement)
  • soit seulement la moitié d'azote nécessaire (d'où carence)

Dans ce cas

  • soit achetez un engrais 60-30-30 pour fertiliser votre culture
  • soit n'appliquez que la moitié sous forme d'engrais 15-15-15, et achetez un autre engrais ne contenant que de l'azote simple.

7 : Effets sur l'environnement et la santé :

L'utilisation des engrais entraîne deux types de conséquences qui peuvent comporter des risques sanitaires (atteinte à la santé de l'homme) ou des risques environnementaux (dégâts sur les écosystèmes).

Le risque sanitaire le plus connu est celui relatif à la consommation d'eau riche en nitrate (fertilisation en azote) par le nourrisson.

Le risque environnemental le plus cité est celui de la pollution de l'eau potable ou de l'eutrophisation des eaux, lorsque les engrais, organiques ou minéraux, sont répandus en trop grande quantité par rapport aux besoins des plantes et à la capacité de rétention des sols (fonction notamment de sa texture), et que les éléments solubles sont entraînés vers la nappe phréatique par infiltration, ou vers les cours d'eau par ruissellement .

Plus généralement, les conséquences de l'utilisation des engrais, qui peuvent comporter des risques et qui sont soumises à la critique, sont les suivantes :

  • effets sur la qualité des sols, leur fertilité, leur structure, l'humus et l'activité biologique ;
  • effets sur l'érosion ;
  • effets liés au cycle de l'azote et à la toxicité des nitrates ;
  • effets liés au cycle du phosphore ;
  • effets liés aux autres éléments nutritifs (potassium, soufre, magnésium, calcium, oligo-éléments) ;
  • effets liés à la présence de métaux lourds (cadmium, arsenic, fluor) ou d'éléments radioactifs (significativement présent dans les phosphates, et dans les lisiers de porc pour les métaux lourds) ;
  • effets sur les parasites des cultures ;
  • eutrophisation des eaux douces et marines ;
  • effets sur la qualité des produits ;
  • pollution émise par l'industrie des engrais ;
  • utilisation d'énergie non renouvelable ;
  • épuisement des ressources minérales ;
  • effets indirects sur l'environnement, du fait de la mécanisation de l'agriculture.