Kanalizasiya lilindən ultrasəslə fosforun bərpası
- Dünyada fosfora tələbat artır, təbii fosfor ehtiyatlarının təchizatı isə getdikcə azalır.
- Kanalizasiya lili və kanalizasiya lilinin külü fosforla zəngindir və buna görə fosforun bərpası üçün mənbə kimi istifadə edilə bilər.
- Ultrasəslə yaş kimyəvi emal və çökdürmə həm kanalizasiya lilindən, həm də yandırılmış lilin külündən fosfatın bərpasını yaxşılaşdırır və bərpanı əhəmiyyətli dərəcədə daha iqtisadi edir.
Fosfor
Fosfor (phosphor, P) bərpa olunmayan resursdur; kənd təsərrüfatında gübrə kimi, eləcə də fosforun qiymətli əlavə olduğu bir çox sənaye sahəsində (məsələn, boyalar, paltar yuma vasitələri, alovgecikdiricilər, heyvan yemi) geniş istifadə olunur. Kanalizasiya lili, yandırılmış kanalizasiya lilinin külü (ISSA), peyin və süd sənayesinin tullantı suları fosforla zəngindir. Fosfor ehtiyatlarının məhdudluğu və ekoloji narahatlıqlar nəzərə alındıqda, bunlar fosforun bərpası üçün mənbə təşkil edir.
Maye tullantı su axınlarından fosforun bərpa dərəcəsi 40–50%-ə çata bilər, kanalizasiya lilindən və kanalizasiya lilinin külündən bərpa dərəcəsi isə 90%-ə qədər çata bilər. Fosfor bir çox formada çökdürülə bilər; bunlardan biri struvitdir (yüksək keyfiyyətli, qida maddələrini tədricən buraxan gübrə kimi qiymətləndirilir). Fosforun bərpasını iqtisadi cəhətdən sərfəli etmək üçün bərpa prosesi təkmilləşdirilməlidir. Ultrasəslə emal prosesi intensivləşdirən üsuldur; prosesi sürətləndirir və bərpa olunan mineralların çıxımını artırır.
Ultrasəslə fosforun bərpası
Ultrasəslə emal zamanı tullantı axınlarından struvit (maqnezium-ammonium fosfat (MAP)), kalsium fosfat, hidroksiapatit (HAP) / kalsium hidroksiapatit, oktakalsium fosfat, trikalsium fosfat və dikalsium fosfat dihidrat kimi qiymətli materiallar bərpa edilə bilər. Ultrasəs emalı kanalizasiya lilindən və yandırılmış lilin külündən qiymətli materialların yaş kimyəvi ekstraksiyasını, eləcə də çökdürülməsini və kristallaşmasını (sonokristallaşma) yaxşılaşdırır.
Ayrıca yandırılmış kanalizasiya lilinin külündə fosforun (8–10%), dəmirin (10–15%) və alüminiumun (5–10%) miqdarı kifayət qədər yüksək olsa da, onun tərkibində qurğuşun, kadmium, mis və sink kimi zəhərli ağır metallar da vardır.
Fosforun bərpası – iki mərhələli proses
-
- Turşu ilə ekstraksiya
Fosforun bərpasının ilk mərhələsi sulfat turşusu və ya xlorid turşusu kimi turşudan istifadə etməklə kanalizasiya lilindən və ya yandırılmış kanalizasiya lilinin külündən (ISSA) fosforun ekstraksiyası və ya yuyulub çıxarılmasıdır. Ultrasəslə qarışdırma turşu ilə ISSA arasında kütlə ötürülməsini artıraraq yaş kimyəvi yuyulub çıxarılmanı gücləndirir və beləliklə, fosforun tam yuyulub çıxarılmasına tez nail olunur. Ekstraksiya prosedurunu yaxşılaşdırmaq üçün etilendiamintetraasetik turşudan (EDTA) istifadə olunan ilkin emal mərhələsi tətbiq edilə bilər.
-
- Fosforun çökdürülməsi
Ultrasəslə kristallaşma kristalın əmələ gəlməsi üçün kristallaşma başlanğıc nöqtələrinin sayını artıraraq və molekulların adsorbsiyasını və aqreqasiyasını sürətləndirərək fosfatların çökdürülməsini əhəmiyyətli dərəcədə gücləndirir. Kanalizasiya lilindən və ISSA-dan fosforun ultrasəslə çökdürülməsinə, məsələn, maqnezium hidroksid və ammonium hidroksiddən istifadə etməklə nail olmaq olar. Alınan çöküntü maqnezium, ammonium, fosfor və oksigendən ibarət birləşmə olan struvitdir.
Struvitin sonokristallaşması
Ultrasəslə dispersləşdirmə fazalar arasında kütlə ötürülməsini gücləndirir və fosfatlar (məsələn, struvit / MAP) üçün kristal nüvələrinin yaranmasını və kristalların böyüməsini başladır.
Struvitin axın xəttində ultrasəslə çökdürülməsi və kristallaşdırılması sənaye miqyasında böyük həcmli axınların emalına imkan verir. Böyük kanalizasiya lili axınının emalı məsələsi struvitin kristallaşmasını sürətləndirən və daha kiçik, daha bərabər ölçülü fosfat hissəcikləri yaradaraq kristal ölçüsünü yaxşılaşdıran fasiləsiz ultrasəs prosesi ilə həll edilə bilər. Çökdürülmüş hissəciklərin ölçü paylanması kristal nüvələrinin yaranma sürəti və sonrakı kristal böyümə sürəti ilə müəyyən edilir. Sürətləndirilmiş nüvə yaranması və ləngidilmiş böyümə sulu məhlulda kristallik fosfat hissəciklərinin, yəni struvitin çökdürülməsi üçün əsas amillərdir. Ultrasəslə emal reaktiv ionların bircins paylanmasını əldə etmək üçün qarışdırmanı yaxşılaşdıran, prosesi intensivləşdirən üsuldur.
Ultrasəslə çökdürmənin daha dar hissəcik ölçüsü paylanması, daha kiçik kristal ölçüsü, idarə olunan morfologiya, eləcə də yüksək nüvə yaranma sürəti təmin etdiyi məlumdur.
Donuzçuluq tullantı sularından çökdürülmüş struvit kristalları (mənbə: Kim və b. 2017)
Məsələn, yaxşı çökdürmə nəticələri PO3-4 : NH+4 : Mg2+ üçün 1 : 3 : 4 nisbətində əldə edilə bilər. 8–10 pH intervalı fosfat P-nin maksimum sərbəstləşməsinə səbəb olur
Ultrasəslə emal tullantı sularından kalsium fosfat, maqnezium-ammonium fosfat (MAP) və hidroksiapatit (HAP), kalsium hidroksiapatit, oktakalsium fosfat, trikalsium fosfat və dikalsium fosfat dihidrat kimi qiymətli materialların çökdürülməsini gücləndirən, prosesi intensivləşdirən yüksək səmərəli texnikadır. Kanalizasiya lili, peyin və süd sənayesinin tullantı suları ultrasəsin köməyi ilə çökdürmə vasitəsilə qiymətli materialların istehsalı üçün yararlı, qida maddələri ilə zəngin tullantı sular kimi tanınır.
Struvit kristalının əmələ gəlməsi:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Laboratoriyadan pilot və sənaye miqyasına qədər yüksək güclü ultrasəs prosessorları.
Yuyulub çıxarılma və çökdürmə üçün sənaye ultrasəs avadanlığı
Yandırılmış kanalizasiya lilinin külünü (ISSA) və kanalizasiya lilini sənaye miqyasında emal etmək üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs sistemləri və reaktorlar tələb olunur. Hielscher Ultrasonics yüksək güclü ultrasəs avadanlığının layihələndirilməsi və istehsalı üzrə ixtisaslaşıb – laboratoriya və masaüstü qurğulardan tam sənaye qurğularına qədər. Hielscher ultrasəs cihazları möhkəmdir və tələbkar mühitlərdə tam yük altında 24/7 işləmək üçün hazırlanıb. Müxtəlif həndəsi formalı axın hüceyrəsi reaktorları, sonotrodlar (ultrasəs zondları) və amplitudanı artıran buynuzlar kimi aksesuarlar ultrasəs sisteminin proses tələblərinə optimal uyğunlaşdırılmasına imkan verir. Böyük həcmli axınları emal etmək üçün Hielscher 4kW, 10kW və 16kW ultrasəs qurğuları təklif edir; bunlar paralel qoşularaq asanlıqla ultrasəs klasterlərinə birləşdirilə bilər.
Hielscher şirkətinin qabaqcıl ultrasəs cihazları asan idarəetmə və proses parametrlərinə dəqiq nəzarət üçün rəqəmsal sensor ekranla təchiz olunub.
İstifadə rahatlığı, asan və təhlükəsiz istismar Hielscher ultrasəs cihazlarının əsas xüsusiyyətləridir. Brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə ultrasəs sistemini PC, smartfon və ya planşet vasitəsilə işlətməyə və idarə etməyə imkan verir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir:
| Partiyanın həcmi | Axın sürəti | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksək | bu cihazlardan ibarət klaster: UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
Ədəbiyyat/İstinadlar
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Ultrasəsin kristallaşma-çökdürmə proseslərinə təsiri: bəzi nümunələr və yeni seqreqasiya modeli. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), səh.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Süd sənayesinin tullantı sularından qida maddələrinin MAP (maqnezium-ammonium fosfat) və HAP (hidroksiapatit) formasında ekstraksiyası. Rasayan Journal of Chemistry Cild 9, № 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Anaerob həzmə məruz qalmış donuzçuluq tullantı sularının çıxış axınından struvitin kristallaşdırılması yolu ilə fosforun bərpasına pH-ın, molyar nisbətlərin və ilkin emalın təsiri. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Struvitin kristallaşdırılması yolu ilə tullantı sularından qida maddələrini tədricən buraxan kristal gübrənin istehsalı. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Bilməyə dəyər faktlar
Ultrasəslə çökdürmə necə işləyir?
Ultrasəslə emal kristal nüvələrinin yaranmasına və kristalların böyüməsinə təsir göstərir; bu proses sonokristallaşma adlanır.
Birincisi, ultrasəsin tətbiqi maye məhluldan bərk kristalların əmələ gəldiyi nüvə yaranma sürətinə təsir etməyə imkan verir. Yüksək güclü ultrasəs maye mühitdə vakuum qabarcıqlarının böyüməsi və içəriyə doğru çökməsi olan kavitasiyanı yaradır. Vakuum qabarcıqlarının içəriyə doğru çökməsi sistemə enerji ötürür və kritik izafi sərbəst enerjini azaldır. Beləliklə, kristallaşma başlanğıc nöqtələri və nüvələrin yaranması yüksək sürətlə və mümkün olan ən erkən anda baş verir. Kavitasiya qabarcığı ilə məhlul arasındakı sərhəddə həll olmuş maddə molekulunun yarısı həlledici tərəfindən solvatlaşdırılır, molekul səthinin digər yarısı isə kavitasiya qabarcığı ilə örtülür və buna görə solvatlaşma sürəti azalır. Həll olmuş maddə molekulunun yenidən həll olmasının qarşısı alınır, məhluldakı molekulların koaqulyasiyası isə artır.
İkincisi, ultrasəslə emal kristalların böyüməsini gücləndirir. Ultrasəslə qarışdırma kütlə ötürülməsini və molekulların aqreqasiyasını artıraraq kristalların böyüməsini gücləndirir.
Ultrasəslə emal nəticəsində əldə edilən nəticələr ultrasəs emalının rejimi ilə idarə oluna bilər:
Fasiləsiz ultrasəs emalı:
Məhlulun fasiləsiz ultrasəs emalı çoxlu nüvə yaranma sahələri əmələ gətirir və beləliklə, çox sayda kiçik kristal yaranır
İmpulslu ultrasəs emalı:
İmpulslu / dövri ultrasəs emalının tətbiqi kristal ölçüsünə dəqiq nəzarət etməyə imkan verir
Nüvə yaranmasını başlatmaq üçün ultrasəs emalı:
Ultrasəs yalnız kristallaşma prosesinin başlanğıcında tətbiq edildikdə, məhdud sayda nüvə əmələ gəlir və bunlar daha sonra böyüyərək daha böyük ölçüyə çatır.
Kristallaşma zamanı ultrasəslə emaldan istifadə etməklə kristal strukturlarının böyümə sürətinə, ölçüsünə və formasına təsir göstərmək və onları idarə etmək mümkündür. Ultrasəs emalının müxtəlif variantları sonokristallaşma proseslərini dəqiq idarə olunan və təkrarlana bilən edir.
Ultrasəs kavitasiyası
Yüksək intensivlikli ultrasəs maye mühitdən keçdikdə, yüksək təzyiqli (sıxılma) və aşağı təzyiqli (seyrəkləşmə) dalğalar mayedə növbələşir. Mayedən keçən ultrasəs dalğasının yaratdığı mənfi təzyiq kifayət qədər böyük olduqda, maye molekulları arasındakı məsafə mayenin bütövlüyünü saxlamaq üçün tələb olunan minimum molekulyar məsafəni aşır və mayenin bütövlüyü pozularaq vakuum qabarcıqları və ya boşluqlar yaranır. Bu vakuum qabarcıqları kavitasiya qabarcıqları kimi də tanınır.
Qarışdırma, dispersləşdirmə, üyütmə, ekstraksiya və s. kimi güclü ultrasəs tətbiqlərində istifadə olunan kavitasiya qabarcıqları ultrasəs intensivliyi 10 Wcm2 səviyyəsindən yüksək olduqda yaranır. Kavitasiya qabarcıqları artıq daha çox enerji uda bilməyəcəkləri ölçüyə çatana qədər bir neçə akustik aşağı təzyiq / yüksək təzyiq dövrü ərzində böyüyür. Kavitasiya qabarcığı maksimum ölçüsünə çatdıqda, sıxılma dövrü zamanı şiddətlə içəriyə doğru çökür. Keçici kavitasiya qabarcığının şiddətli çökməsi çox yüksək temperatur və təzyiqlər, çox yüksək təzyiq və temperatur fərqləri və maye şırnaqları kimi ekstremal şərait yaradır. Bu qüvvələr ultrasəs tətbiqlərində istifadə olunan kimyəvi və mexaniki təsirlərin mənbəyidir. Çökən hər bir qabarcıq daxilində bir neçə min dərəcə temperaturun və min atmosferdən yüksək təzyiqin ani olaraq yarandığı mikroreaktor kimi qəbul edilə bilər [Suslick et al 1986].
Ultrasəslə ekstraksiya akustik kavitasiyaya və onun hidrodinamik kəsilmə qüvvələrinə əsaslanır
Fosfor
Fosfor zəruri, yenilənməyən resursdur və ekspertlər artıq dünyanın təxminən 20 il sonra “fosfor zirvəsi”nə, yəni təchizatın artan tələbatı artıq ödəyə bilməyəcəyi vaxta çatacağını proqnozlaşdırırlar. Avropa Komissiyası artıq fosforu kritik xammal kimi təsnif edib.
Kanalizasiya lili tez-tez sahələrə səpilən gübrə kimi istifadə olunur. Lakin kanalizasiya lilinin tərkibində qiymətli fosfatla yanaşı zərərli ağır metallar və üzvi çirkləndiricilər də olduğundan, Almaniya kimi bir çox ölkə gübrə kimi istifadə oluna bilən kanalizasiya lilinin miqdarını qanunvericiliklə məhdudlaşdırır. Almaniya kimi bir çox ölkədə ağır metallarla çirklənməni ciddi şəkildə məhdudlaşdıran sərt gübrə qaydaları mövcuddur. Fosfor məhdud resurs olduğundan, Almaniyanın 2017-ci il Kanalizasiya Lili Qaydaları kanalizasiya təmizləyici qurğularının operatorlarından fosfatların təkrar emalını tələb edir.
Fosfor tullantı sularından, kanalizasiya lilindən, eləcə də yandırılmış kanalizasiya lilinin külündən bərpa edilə bilər.
Fosfat
Qeyri-üzvi kimyəvi maddə olan fosfat fosfat turşusunun duzudur. Kənd təsərrüfatında və sənayedə istifadə üçün fosfor əldə etmək məqsədilə qeyri-üzvi fosfatlar hasil olunur. Üzvi kimyada fosfat və ya orqanofosfat fosfat turşusunun mürəkkəb efiridir.
“Phosphorous” adını fosfor elementi (phosphorus, kimyəvi simvolu P) ilə qarışdırmayın. Bunlar iki fərqli şeydir. Azot qrupuna aid çoxvalentli qeyri-metal olan fosfora adətən qeyri-üzvi fosfat süxurlarında rast gəlinir.
Üzvi fosfatlar biokimya və biogeokimya üçün əhəmiyyətlidir.
Fosfat bu ionun adıdır: PO43-. Fosfit turşusu isə triprotik turşu olan H3PO3-ün adıdır. Bu, 3 H+ ionu ilə bir fosfit (PO33-) ionunun birləşməsidir.
Fosfor simvolu P və atom nömrəsi 15 olan kimyəvi elementdir. Fosfor birləşmələri həmçinin partlayıcı maddələrdə, sinir-paralitik maddələrdə, sürtünmə ilə alışan kibritlərdə, atəşfəşanlıq vasitələrində, pestisidlərdə, diş məcununda və yuyucu vasitələrdə geniş istifadə olunur.
Struvit
Maqnezium-ammonium fosfat (MAP) kimi də tanınan struvit kimyəvi formulu NH4MgPO4·6H2O olan fosfat mineralıdır. Struvit ortorombik sistemdə ağdan sarımtıla və ya qəhvəyi-ağa qədər rəngdə piramidal kristallar və ya lövhəcikvari formalar şəklində kristallaşır. Yumşaq mineral olan struvitin Mohs şkalası üzrə sərtliyi 1,5–2, nisbi sıxlığı isə aşağı olub 1,7-dir. Neytral və qələvi şəraitdə struvit çətin həll olur, lakin turşuda asanlıqla həll edilə bilər. Tullantı sularında maqnezium, ammonyak və fosfatın molyar nisbəti (1:1:1) olduqda struvit kristalları əmələ gəlir. Hər üç element – maqnezium, ammonyak və fosfat – adətən tullantı sularında mövcuddur: maqnezium əsasən torpaqdan, dəniz suyundan və içməli sudan gəlir, ammonyak tullantı sularındakı karbamidin parçalanmasından əmələ gəlir, fosfat isə qida, sabun və yuyucu vasitələrdən tullantı sularına daxil olur. Bu üç element mövcud olduqda, daha yüksək pH qiymətlərində, daha yüksək elektrik keçiriciliyində, daha aşağı temperaturlarda və maqnezium, ammonyak və fosfatın daha yüksək konsentrasiyalarında struvitin əmələ gəlmə ehtimalı daha yüksəkdir. Tullantı su axınlarından fosforun struvit şəklində bərpası və həmin qida maddələrinin kənd təsərrüfatı üçün gübrə kimi təkrar emalı perspektivlidir.
Struvit kənd təsərrüfatında istifadə olunan, qida maddələrini tədricən buraxan qiymətli mineral gübrədir; dənəvər olması, istifadəsinin asanlığı və qoxusuzluğu onun üstünlükləridir.