Ултразвуково извличане на фосфор от утайки от отпадъчни води
- Световното търсене на фосфор нараства, докато запасите от природни фосфорни ресурси намаляват.
- Утайките от отпадъчни води и пепелта от тях са богати на фосфор и затова могат да се използват като източник за извличане на фосфор.
- Ултразвуковата мокрохимична обработка и утаяване подобряват извличането на фосфат от утайките от отпадъчни води, както и от пепелта от изгорени утайки, и правят извличането значително по-икономично.
Фосфор
Фосфорът (phosphor, P) е невъзобновяем ресурс, който се използва широко в селското стопанство като тор, както и в много промишлени отрасли, където е ценна добавка (например в бои, перилни препарати, забавители на горенето, фуражи). Утайките от отпадъчни води, пепелта от изгорени утайки от отпадъчни води (ISSA), оборският тор и отпадъчните води от млекопреработването са богати на фосфор, което ги прави източник за извличане на фосфор с оглед на ограничените фосфорни ресурси и екологичните съображения.
Степента на извличане на фосфор от течните потоци отпадъчни води може да достигне 40 до 50%, докато степента на извличане от утайките от отпадъчни води и пепелта от тях може да достигне до 90%. Фосфорът може да се утаява в много форми, една от които е струвитът (ценен като висококачествен тор с бавно освобождаване). За да бъде извличането на фосфор икономично, процесът на извличане трябва да се подобри. Ултразвуковата обработка е метод за интензифициране на процеса, който го ускорява и увеличава добива на извлечените минерали.
Ултразвуково извличане на фосфор
Чрез ултразвукова обработка от отпадъчни потоци могат да се извличат ценни материали като струвит (магнезиево-амониев фосфат (MAP)), калциев фосфат, хидроксиапатит (HAP) / калциев хидроксиапатит, октакалциев фосфат, трикалциев фосфат и дикалциев фосфат дихидрат. Ултразвуковата обработка подобрява мокрохимичната екстракция, както и утаяването и кристализацията (сонокристализацията) на ценни материали от утайки от отпадъчни води и от пепелта от изгорени утайки.
Въпреки че съдържанието на фосфор (8–10%), желязо (10–15%) и алуминий (5–10%) в пепелта от самостоятелно изгаряне на утайки от отпадъчни води е доста високо, тя съдържа и токсични тежки метали като олово, кадмий, мед и цинк.
Извличане на фосфор – двустъпков процес
-
- Киселинна екстракция
Първата стъпка при извличането на фосфор е екстракцията или излужването на фосфор от утайки от отпадъчни води или пепел от изгорени утайки от отпадъчни води (ISSA) с помощта на киселина като сярна или солна киселина. Ултразвуковото смесване подпомага мокрохимичното излужване, като увеличава масообмена между киселината и ISSA, така че бързо се постига пълно излужване на фосфора. За подобряване на процедурата по екстракция може да се използва стъпка на предварителна обработка с етилендиаминтетраоцетна киселина (EDTA).
-
- Утаяване на фосфор
Ултразвуковата кристализация значително подобрява утаяването на фосфатите, като увеличава броя на центровете на зародишообразуване и ускорява адсорбцията и агрегацията на молекулите за образуване на кристал. Ултразвуковото утаяване на фосфор от утайки от отпадъчни води и ISSA може да се постигне например с магнезиев хидроксид и амониев хидроксид. Получената утайка е струвит – съединение, съставено от магнезий, амоний, фосфор и кислород.
Сонокристализация на струвит
Ултразвуковото диспергиране подпомага масообмена между фазите и инициира зародишообразуването и растежа на кристалите на фосфатите (например струвит / MAP).
Ултразвуковото утаяване и кристализация на струвит в проточен режим позволяват обработката на потоци с голям обем в промишлен мащаб. Проблемът с обработката на голям поток от утайки от отпадъчни води може да се реши чрез непрекъснат ултразвуков процес, който ускорява кристализацията на струвита и подобрява размера на кристалите, като образува по-малки и по-еднородни фосфатни частици. Разпределението по размер на утаените частици се определя от скоростта на зародишообразуване и последващата скорост на растеж на кристалите. Ускореното зародишообразуване и потиснатият растеж са ключовите фактори за утаяването на кристални фосфатни частици, т.е. струвит, във воден разтвор. Ултразвуковата обработка е метод за интензифициране на процеса, който подобрява смесването, за да се получи хомогенно разпределение на реактивоспособните йони.
Известно е, че ултразвуковото утаяване осигурява по-тясно разпределение на частиците по размер, по-малък размер на кристалите, контролируема морфология, както и висока скорост на зародишообразуване.
Кристали на струвит, утаени от отпадъчни води от свиневъдството (източник: Kim et al. 2017)
Добри резултати при утаяване могат да се постигнат например с PO3-4 : NH+4 : Mg2+ при съотношение 1 : 3 : 4. Диапазонът на pH от 8 до 10 води до максимално освобождаване на фосфатен P
Ултразвуковата обработка е високоефективна техника за интензифициране на процеса, която подпомага утаяването на ценни материали като калциев фосфат, магнезиево-амониев фосфат (MAP) и хидроксиапатит (HAP), калциев хидроксиапатит, октакалциев фосфат, трикалциев фосфат и дикалциев фосфат дихидрат от отпадъчни води. Утайките от отпадъчни води, оборският тор и отпадъчните води от млекопреработването са известни като богати на хранителни вещества отпадъчни води, подходящи за получаване на ценни материали чрез утаяване с помощта на ултразвук.
Образуване на кристали на струвит:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Ултразвукови процесори с висока мощност за лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Промишлено ултразвуково оборудване за излужване и утаяване
За обработката на пепел от изгорени утайки от отпадъчни води (ISSA) и утайки от отпадъчни води в промишлен мащаб са необходими високопроизводителни ултразвукови системи и реактори. Hielscher Ultrasonics е специализирана в проектирането и производството на ултразвуково оборудване с висока мощност – от лабораторни и настолни апарати до изцяло промишлени системи. Ултразвуковите апарати на Hielscher са здрави и са конструирани за работа 24/7 при пълно натоварване в тежки условия. Принадлежности като реактори с проточни клетки с различна геометрия, сонотроди (ултразвукови сонди) и усилватели на амплитудата позволяват оптималното адаптиране на ултразвуковата система към изискванията на процеса. За обработка на потоци с голям обем Hielscher предлага ултразвукови апарати с мощност 4kW, 10kW и 16kW, които лесно могат да се свързват паралелно в ултразвукови клъстери.
Усъвършенстваните ултразвукови апарати на Hielscher разполагат с цифров сензорен дисплей за лесна работа и прецизен контрол на параметрите на процеса.
Удобството за потребителя и лесната, безопасна работа са ключови характеристики на ултразвуковите апарати на Hielscher. Дистанционното управление чрез браузър позволява работа с ултразвуковата система и нейното управление чрез компютър, смартфон или таблет.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни апарати |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература/Източници
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Влиянието на ултразвука върху процесите на кристализация и утаяване: някои примери и нов модел на сегрегация. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), с.18–28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Извличане на хранителни вещества от отпадъчни води от млекопреработването под формата на MAP (магнезиево-амониев фосфат) и HAP (хидроксиапатит). Rasayan Journal of Chemistry, том 9, № 2; 2016. 215–221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Влияние на pH, моларните съотношения и предварителната обработка върху извличането на фосфор чрез кристализация на струвит от изходящите води след анаеробно разграждане на отпадъчни води от свиневъдството. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12–18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Получаване на кристален тор с бавно освобождаване от отпадъчни води чрез кристализация на струвит. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Полезни факти
Как действа ултразвуковото утаяване?
Ултразвуковата обработка влияе върху зародишообразуването и растежа на кристалите – процес, известен като сонокристализация.
Първо, прилагането на ултразвук позволява да се влияе върху скоростта на зародишообразуване, при което от течен разтвор се образуват твърди кристали. Ултразвукът с висока мощност създава кавитация, която представлява растеж и имплозия на вакуумни мехурчета в течна среда. Имплозията на вакуумните мехурчета внася енергия в системата и намалява критичната излишна свободна енергия. Така образуването на зародишни центрове и зародишообразуването се инициират с висока скорост и във възможно най-ранния момент. На границата между кавитационното мехурче и разтвора половината от молекулата на разтвореното вещество се солватира от разтворителя, докато другата половина от повърхността на молекулата е покрита от кавитационното мехурче, така че скоростта на солватация намалява. Повторното разтваряне на молекулата на разтвореното вещество се предотвратява, докато коагулацията на молекулите в разтвора се увеличава.
Второ, ултразвуковата обработка подпомага растежа на кристалите. Ултразвуковото смесване подпомага растежа на кристалите, като увеличава масообмена и агрегацията на молекулите.
Резултатите, постигнати чрез ултразвукова обработка, могат да се контролират чрез режима на ултразвукова обработка:
Непрекъсната ултразвукова обработка:
Непрекъснатата ултразвукова обработка на разтвора създава много центрове на зародишообразуване, така че се образува голям брой малки кристали
Импулсна ултразвукова обработка:
Прилагането на импулсна / циклична ултразвукова обработка позволява прецизен контрол върху размера на кристалите
Ултразвукова обработка за иницииране на зародишообразуване:
Когато ултразвукът се прилага само в началото на процеса на кристализация, се образува ограничен брой зародиши, които след това нарастват до по-голям размер.
Чрез ултразвукова обработка по време на кристализацията може да се влияе върху скоростта на растеж, размера и формата на кристалните структури и те да се контролират. Различните възможности за ултразвукова обработка правят процесите на сонокристализация прецизно контролируеми и повторяеми.
Ултразвукова кавитация
Когато ултразвук с висок интензитет преминава през течна среда, в течността се редуват вълни с високо налягане (свиване) и ниско налягане (разреждане). Когато отрицателното налягане, предизвикано от ултразвукова вълна, преминаваща през течността, е достатъчно голямо, разстоянието между молекулите на течността надвишава минималното междумолекулно разстояние, необходимо за запазване на целостта на течността, и тогава тя се разкъсва, като се образуват вакуумни мехурчета или кухини. Тези вакуумни мехурчета са известни също като кавитационни мехурчета.
Кавитационните мехурчета, използвани в приложения на мощния ултразвук като смесване, диспергиране, смилане, екстракция и др., възникват при интензитети на ултразвука над 10 Wcm2. Кавитационните мехурчета нарастват в продължение на няколко акустични цикъла на ниско / високо налягане, докато достигнат размер, при който не могат да поглъщат повече енергия. Когато кавитационното мехурче достигне максималния си размер, то имплодира бурно по време на цикъл на свиване. Бурното колапсиране на преходно кавитационно мехурче създава екстремни условия като много високи температури и налягания, много големи разлики в налягането и температурата и течни струи. Тези сили са източникът на химичните и механичните ефекти, използвани в ултразвуковите приложения. Всяко колапсиращо мехурче може да се разглежда като микрореактор, в който мигновено се създават температури от няколко хиляди градуса и налягания над хиляда атмосфери [Suslick et al 1986].
Ултразвуковата екстракция се основава на акустичната кавитация и нейните хидродинамични сили на срязване
Фосфор
Фосфорът е жизненоважен, невъзобновяем ресурс и експертите вече прогнозират, че светът ще достигне „фосфорен пик“, т.е. момента, от който предлагането вече няма да може да задоволява нарасналото търсене, след приблизително 20 години. Европейската комисия вече е класифицирала фосфора като критична суровина.
Утайките от отпадъчни води често се използват като тор, разпръскван по нивите. Но тъй като утайките от отпадъчни води съдържат не само ценен фосфат, а и вредни тежки метали и органични замърсители, много държави, като Германия, ограничават със закон количеството утайки, което може да се използва като тор. Много държави, като Германия, имат строги нормативни изисквания за торовете, които строго ограничават замърсяването с тежки метали. Тъй като фосфорът е ограничен ресурс, германската наредба за утайките от отпадъчни води от 2017 г. изисква операторите на пречиствателни станции да рециклират фосфатите.
Фосфорът може да се извлича от отпадъчни води, утайки от отпадъчни води, както и от пепелта от изгорени утайки от отпадъчни води.
Фосфат
Фосфатът, неорганично химично съединение, е сол на фосфорната киселина. Неорганичните фосфати се добиват за получаване на фосфор за употреба в селското стопанство и промишлеността. В органичната химия фосфатът, или органофосфатът, е естер на фосфорната киселина.
Не бъркайте наименованието „phosphorous“ с елемента фосфор („phosphorus“, химичен символ P). Това са две различни неща. Като многовалентен неметал от азотната група, фосфорът обикновено се среща в неорганични фосфатни скали.
Органичните фосфати са важни в биохимията и биогеохимията.
Фосфат е наименованието на йона PO43-. Фосфориста киселина, от друга страна, е наименованието на трипротонната киселина H3PO3. Това е комбинация от 3 H+ йона и един фосфитен (PO33-) йон.
Фосфорът е химичният елемент със символ P и атомен номер 15. Фосфорните съединения се използват широко и във взривни вещества, нервнопаралитични агенти, кибрит, запалващ се чрез триене, фойерверки, пестициди, паста за зъби и миещи препарати.
Струвит
Струвитът, наричан още магнезиево-амониев фосфат (MAP), е фосфатен минерал с химична формула NH4MgPO4·6H2O. Струвитът кристализира в орторомбичната система под формата на бели до жълтеникави или кафеникаво-бели пирамидални кристали или пластинковидни форми. Като мек минерал, струвитът има твърдост по Моос от 1,5 до 2 и ниска относителна плътност от 1,7. При неутрални и алкални условия струвитът е трудноразтворим, но може лесно да се разтвори в киселина. Кристали на струвит се образуват, когато в отпадъчните води има моларно съотношение (1:1:1) на магнезий, амоняк и фосфат. И трите елемента – магнезий, амоняк и фосфат – обикновено присъстват в отпадъчните води: магнезият идва главно от почвата, морската вода и питейната вода, амонякът се образува при разграждането на уреята в отпадъчните води, а фосфатът постъпва в отпадъчните води от храни, сапуни и миещи препарати. При наличието на тези три елемента е по-вероятно струвитът да се образува при по-високи стойности на pH, по-висока електропроводимост, по-ниски температури и по-високи концентрации на магнезий, амоняк и фосфат. Извличането на фосфор от потоци отпадъчни води под формата на струвит и рециклирането на тези хранителни вещества като тор за селското стопанство са перспективни.
Струвитът е ценен минерален тор с бавно освобождаване, използван в селското стопанство, чиито предимства са гранулираната форма, лесната употреба и липсата на мирис.