استعادة الفوسفور من حمأة الصرف الصحي بالموجات فوق الصوتية

حقائق جديرة بالمعرفة

كيف يعمل الترسيب بالموجات فوق الصوتية؟

تؤثر المعالجة بالموجات فوق الصوتية في تكوين النوى ونمو البلورات، وهي عملية تُعرف باسم التبلور بالموجات فوق الصوتية.
أولًا، يتيح تطبيق الموجات فوق الصوتية التأثير في معدل تكوين النوى، حيث تتكون بلورات صلبة من محلول سائل. وتُحدث الموجات فوق الصوتية عالية القدرة التجويف، وهو نمو الفقاعات الفراغية وانهيارها إلى الداخل في وسط سائل. ويُدخل انهيار الفقاعات الفراغية إلى الداخل طاقةً إلى النظام ويُقلل الطاقة الحرة الزائدة الحرجة. وبذلك يبدأ تكوّن نقاط البذور البلورية والنوى بمعدل مرتفع وفي أبكر وقت. وعند السطح الفاصل بين فقاعة التجويف والمحلول، يخضع نصف جزيء المذاب للاستذواب بواسطة المذيب، بينما تغطي فقاعة التجويف النصف الآخر من سطح الجزيء، مما يُخفض معدل الاستذواب. ويُمنع انحلال جزيء المذاب مجددًا، بينما يزداد تخثر الجزيئات في المحلول.
ثانيًا، تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية نمو البلورات. ويعزز الخلط بالموجات فوق الصوتية نمو البلورات بزيادة انتقال الكتلة وتجمع الجزيئات.
يمكن التحكم في النتائج المحققة بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية من خلال نمط المعالجة:
المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية:
تنتج المعالجة المستمرة للمحلول بالموجات فوق الصوتية العديد من مواقع تكوين النوى، مما يؤدي إلى تكوّن عدد كبير من البلورات الصغيرة
المعالجة النبضية بالموجات فوق الصوتية:
يتيح تطبيق المعالجة النبضية / الدورية بالموجات فوق الصوتية التحكم الدقيق في حجم البلورات
المعالجة بالموجات فوق الصوتية لبدء تكوين النوى:
عند تطبيق الموجات فوق الصوتية في بداية عملية التبلور فقط، يتكون عدد محدود من النوى، ثم تنمو إلى أحجام أكبر.

يتيح استخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية أثناء التبلور التأثير في معدل نمو البنى البلورية وحجمها وشكلها والتحكم فيها. وتجعل الخيارات المختلفة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عمليات التبلور بالموجات فوق الصوتية قابلة للتحكم الدقيق والتكرار.

التجويف بالموجات فوق الصوتية

عندما تعبر الموجات فوق الصوتية عالية الشدة وسطًا سائلًا، تتعاقب موجات الضغط المرتفع (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل) عبر السائل. وعندما يكون الضغط السالب الناتج عن موجة فوق صوتية تعبر السائل كبيرًا بما يكفي، تتجاوز المسافة بين جزيئات السائل الحد الأدنى للمسافة الجزيئية اللازمة للحفاظ على تماسك السائل، وعندئذ يتفكك السائل وتتكون فقاعات فراغية أو تجاويف. وتُعرف هذه الفقاعات الفراغية أيضًا بأنها فقاعات التجويف .
تتكون فقاعات التجويف المستخدمة في تطبيقات الموجات فوق الصوتية عالية القدرة، مثل الخلط، والتشتيت, والطحن, والاستخلاص وغيرها، عند شدات للموجات فوق الصوتية أعلى من 10 Wcm². وتنمو فقاعات التجويف على مدى عدة دورات صوتية من الضغط المنخفض / الضغط المرتفع، حتى تصل إلى حجم لا تستطيع عنده امتصاص المزيد من الطاقة. وعندما تبلغ فقاعة التجويف حجمها الأقصى، تنهار بعنف إلى الداخل خلال دورة انضغاط. ويُحدث الانهيار العنيف لفقاعة تجويف عابرة ظروفًا قصوى، مثل درجات حرارة وضغوط مرتفعة جدًا، وفروق كبيرة جدًا في الضغط ودرجة الحرارة، ونفاثات سائلة. وهذه القوى هي مصدر التأثيرات الكيميائية والميكانيكية المستخدمة في تطبيقات الموجات فوق الصوتية. ويمكن اعتبار كل فقاعة تنهار مفاعلًا دقيقًا، تتولد فيه لحظيًا درجات حرارة تبلغ عدة آلاف من الدرجات وضغوط أعلى من ألف ضغط جوي [Suslick et al 1986].

يعتمد الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية على التجويف الصوتي وقوى القص الهيدروديناميكية الناشئة عنه

الفوسفور

الفوسفور مورد أساسي غير قابل للتجدد، ويتوقع الخبراء بالفعل أن يبلغ العالم «ذروة الفوسفور»، أي الوقت الذي لن تتمكن الإمدادات بعده من تلبية الطلب المتزايد، خلال نحو 20 سنة. وقد صنفت المفوضية الأوروبية الفوسفور بالفعل مادة خام حرجة.
تُستخدم حمأة الصرف الصحي غالبًا سمادًا يُنثر في الحقول. ولكن بما أن حمأة الصرف الصحي لا تحتوي على الفوسفات القيّم فحسب، بل تحتوي أيضًا على معادن ثقيلة ضارة وملوثات عضوية، فإن العديد من البلدان، مثل ألمانيا، تضع قيودًا تشريعية على كمية حمأة الصرف الصحي التي يمكن استخدامها سمادًا. ولدى العديد من البلدان، مثل ألمانيا، لوائح صارمة للأسمدة تحد من التلوث بالمعادن الثقيلة بشدة. وبما أن الفوسفور مورد محدود، فإن اللائحة الألمانية لحمأة الصرف الصحي لعام 2017 تُلزم مشغلي محطات معالجة الصرف الصحي بإعادة تدوير الفوسفات.
يمكن استعادة الفوسفور من مياه الصرف وحمأة الصرف الصحي، وكذلك من رماد حمأة الصرف الصحي المحروقة.

الفوسفات

الفوسفات مادة كيميائية غير عضوية، وهو ملح لحمض الفوسفوريك. ويُستخرج الفوسفات غير العضوي بالتعدين للحصول على الفوسفور للاستخدام في الزراعة والصناعة. وفي الكيمياء العضوية، يُعد الفوسفات، أو الفوسفات العضوي، إسترًا لحمض الفوسفوريك.
لا تخلطوا بين الاسم phosphorous وعنصر الفوسفور phosphorus (الرمز الكيميائي P). فهما شيئان مختلفان. والفوسفور عنصر لافلزي متعدد التكافؤ من مجموعة النيتروجين، ويوجد عادةً في صخور الفوسفات غير العضوية.
للفوسفات العضوي أهمية في الكيمياء الحيوية والكيمياء الجيولوجية الحيوية.
الفوسفات هو اسم الأيون PO₄^3-. أما حمض الفوسفوروز فهو اسم الحمض ثلاثي البروتونات H3PO3. وهو مزيج من 3 أيونات H⁺ وأيون فوسفيت واحد (PO₃^3-).
الفوسفور هو العنصر الكيميائي الذي يحمل الرمز P والعدد الذري 15. وتُستخدم مركبات الفوسفور أيضًا على نطاق واسع في المتفجرات وعوامل الأعصاب وأعواد الثقاب الاحتكاكية والألعاب النارية والمبيدات ومعجون الأسنان والمنظفات.

الستروفيت

الستروفيت، الذي يُسمى أيضًا فوسفات المغنيسيوم والأمونيوم (MAP)، هو معدن فوسفات صيغته الكيميائية NH₄MgPO₄·6H₂O. يتبلور الستروفيت في النظام المعيني القائم على هيئة بلورات هرمية بيضاء إلى مائلة للصفرة أو بيضاء مائلة للبني، أو على هيئة أشكال شبيهة بالصفيحات. والستروفيت معدن لين، تتراوح صلادته على مقياس موهس من 1.5 إلى 2، وله كثافة نوعية منخفضة تبلغ 1.7. ويكاد الستروفيت لا يذوب في الظروف المتعادلة والقلوية، ولكنه يذوب بسهولة في الحمض. وتتكون بلورات الستروفيت عند وجود نسبة مولية إلى مولية إلى مولية (1:1:1) بين المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات في مياه الصرف. وتوجد هذه العناصر الثلاثة – المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات – عادةً في مياه الصرف: يأتي المغنيسيوم أساسًا من التربة ومياه البحر ومياه الشرب، وتنتج الأمونيا من تحلل اليوريا في مياه الصرف، ويصل الفوسفات إلى مياه الصرف من الأغذية والصابون والمنظفات. ومع وجود هذه العناصر الثلاثة، تزداد احتمالية تكوّن الستروفيت عند ارتفاع قيم pH والتوصيلية، وانخفاض درجات الحرارة، وارتفاع تركيزات المغنيسيوم والأمونيا والفوسفات. وتُعد استعادة الفوسفور من تيارات مياه الصرف على هيئة ستروفيت وإعادة تدوير هذه المغذيات سمادًا للزراعة أمرًا واعدًا.
الستروفيت سماد معدني قيّم بطيء الإطلاق يُستخدم في الزراعة، ويتميز بكونه حبيبيًا وسهل الاستخدام وعديم الرائحة.