Ултразвуково възстановяване на фосфор от утайки от отпадъчни води
- Световното търсене на фосфор се увеличава, докато предлагането на природни фосфорни ресурси става оскъдно.
- Утайките от отпадъчни води и пепелта от утайки от отпадъчни води са богати на фосфор и следователно могат да се използват като източник за възстановяване на фосфор.
- Ултразвуковата мокро-химична обработка и утаяване подобрява възстановяването на фосфати от утайките от отпадъчни води, както и от пепелта на изгорените утайки и прави възстановяването значително по-икономично.
фосфор
Фосфорът (фосфор, P) е невъзобновяем ресурс, който се използва широко в селското стопанство като тор, както и в много индустрии, където фосфорът е ценна добавка (напр. бои, перилни препарати, забавители на горенето, фуражи за животни). Утайките от отпадъчни води, изгорената пепел от отпадъчни води (ISSA), оборският тор и млечните отпадъчни води са богати на фосфор, което ги прави източник за оползотворяване на фосфора по отношение на ограничения ресурс на фосфор, както и на опасенията за околната среда.
Степента на оползотворяване на фосфор от течните потоци отпадъчни води може да достигне 40 до 50%, докато степента на възстановяване от утайки от отпадъчни води и пепелта от отпадъчни води може да достигне до 90%. Фосфорът може да се утаява в много форми, една от които е струвит (ценен като висококачествен тор с бавно освобождаване). За да стане рекултивацията на фосфора икономична, процесът на възстановяване трябва да бъде подобрен. Ултразвукът е метод за усилване на процеса, който ускорява процеса и увеличава добива на възстановени минерали.
Ултразвуково възстановяване на фосфор
При ултразвук ценни материали като струвит (магнезиев амониев фосфат (MAP)), калциев фосфат, хидроксиапатит (HAP) / калциев хидроксиапатит, октакалциев фосфат, трикалциев фосфат и дикалциев фосфат дихидрат могат да бъдат възстановени от потоците от отпадъци. Ултразвуковата обработка подобрява мокро-химическата екстракция, както и утаяването и кристализацията (сонокристализацията) на ценни материали от утайки от отпадъчни води и от пепелта от изгорена утайка.
Въпреки че съдържанието на фосфор (8-10%), желязо (10-15%) и алуминий (5-10%) в пепелта от моноизгорени отпадъчни утайки е доста високо, тя съдържа и токсични тежки метали като олово, кадмий, мед и цинк.
Възстановяване на Phopshorus – Процес в две стъпки
-
- киселинна екстракция
Първата стъпка от възстановяването на фосфора е извличането или извличането на фосфор от утайки от отпадъчни води или изгорена пепел от утайки от отпадъчни води (ISSA) с помощта на киселина като сярна киселина или солна киселина. Ултразвуковото смесване насърчава мокро-химическото извличане чрез увеличаване на масообмена между киселината и ISSA, така че бързо да се постигне пълно извличане на фосфора. За подобряване на процедурата на екстракция може да се използва етап на предварителна обработка с използване на етилендиаминтетрацетатова киселина (EDTA).
-
- Утаяване на фосфор
Ултразвуковата кристализация значително подобрява утаяването на фосфатите чрез увеличаване на точките на засяване и ускоряване на адсорбцията и агрегацията на молекулите, за да се образува кристал. Ултразвуково утаяване на фосфор от канализационни води и ISSA може да се постигне, например чрез използване на магнезиев хидроксид и амониев хидроксид. Получената утайка е струвит, съединение, съставено от магнезий, амоний, фосфор и кислород.
Сонокристализация на струвит
Ултразвуковото диспергиране насърчава преноса на маса между фазите и инициира нуклеацията и растежа на кристалите за фосфати (напр. струвит / MAP).
Ултразвуковото вградено утаяване и кристализация на струвит позволява третиране на големи обеми страми в промишлен мащаб. Въпросът за обработката на голям поток от утайки от отпадъчни води може да бъде решен чрез непрекъснат ултразвуков процес, който ускорява кристализацията на струвита и подобрява размера на кристала, произвеждайки по-малки, по-еднородни фосфатни частици. Разпределението по размер на утаените частици се определя скоростта на нуклеация и последващата скорост на растеж на кристалите. Ускореното нуклеиране и инхибираният растеж са ключовите фактори за утаяването на кристални фосфатни частици, т.е. струвит, във воден разтвор. Ултразвукът е метод за усилване на процеса, който подобрява смесването, за да се получи хомогенно разпределение на реактивните йони.
Известно е, че ултразвуковото утаяване дава по-тясно разпределение на размера на частиците, по-малък размер на кристалите, контролируема морфология и бърза скорост на нуклеация.
Струвитни кристали, утаени от свински отпадъчни води (източник: Kim et al. 2017)
Добри резултати при валежи могат да бъдат постигнати например с PO3-4 : NH+4 : Mg2+ в съотношение 1 : 3 : 4. Диапазонът на рН от 8 до 10 води до максимално освобождаване на фосфат Р
Ултразвукът е високоефективна техника за усилване на процеса за насърчаване на утаяването на ценни материали като калциев фосфат, магнезиев амониев фосфат (MAP) и хидроксиапатит (HAP), калциев хидроксиапатит, октакалциев фосфат, трикалциев фосфат и дикалциев фосфат дихидрат от отпадъчни води. Утайките от отпадъчни води, оборския тор и млечните отпадъчни води са известни като богати на хранителни вещества отпадъчни води, които са подходящи за производство на ценни материали чрез ултразвуково подпомагане на утаяването.
Образуване на струвитни кристали:
Мг2+ + НХ+4 + HPO2-4 + Н2O –> MgNH4ОП4 ∙ 6 часа2O + H+
Високомощни ултразвукови процесори от лабораторен до пилотен и промишлен мащаб.
Промишлено ултразвуково оборудване за извличане и утаяване
Необходими са високоефективни ултразвукови системи и реактори за третиране на изгорена пепел от утайки от отпадъчни води (ISSA) и утайки от отпадъчни води в промишлен мащаб. Hielscher Ultrasonics е специализирана в проектирането и производството на ултразвуково оборудване с висока мощност – от лабораторни и настолни до напълно индустриални единици. Ултразвуковите апарати Hielscher са здрави и създадени за работа 24/7 при пълно натоварване в взискателни среди. Аксесоари като реактори с проточни клетки с различна геометрия, сонотроди (ултразвукови сонди) и бустерни клаксони позволяват оптимално адаптиране на ултразвуковата система към изискванията на процеса. За да обработва потоци с голям обем, Hielscher предлага ултразвукови агрегати с мощност 4kW, 10kW и 16kW, които могат лесно да се комбинират паралелно с 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 и безопасна работа са ключови характеристики на ултразвуковите апарати Hielscher. Дистанционното управление на браузъра позволява работата и управлението на ултразвуковата система чрез компютър, смартфон или таблет.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература/Препратки
- Додс, Джон А.; Espitalier, Fabienne; Луинсард, Оливие; Гросиер, Ромен; Дейвид, Рене; Хасун, Мириам; Байон, Фабиен; Гатумел, Сендрин; Lyczko, Nathalie (2007): Ефектът на ултразвука върху процесите на кристализация-утаяване: Някои примери и нов модел на сегрегация. Характеризиране на системи от частици и частици, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), стр.18-28
- Харбанда, А.; Прасана, К. (2016): Извличане на хранителни вещества от млечни отпадъчни води под формата на MAP (магнезиев амониев фосфат) и HAP (хидроксиапатит). Расаян Вестник по химия том 9, No 2; 2016. 215-221.
- Ким, Д.; Джин Мин, К.; Лий, К.; Ю, М.С.: Парк, К.Й. (2017 г.): Ефекти на рН, моларните съотношения и предварителната обработка върху възстановяването на фосфора чрез струвитна кристализация от отпадъчни води от анаеробно смилаеми отпадъчни води от свине. Изследвания в областта на екологичното инженерство 22(1), 2017. 12-18.
- Рахман, М., Салех, М., Ахсан, А., Хосейн, М., Ра, К. (2014): Производство на кристален тор с бавно освобождаване от отпадъчни води чрез струвитна кристализация. Арабски. J. Chem. 7, 139–155.
Факти, които си струва да знаете
Как работи ултразвуковото валеж?
Ултразвукът влияе върху нуклеацията и растежа на кристалите, процес, известен като сонокристализация.
Първо, прилагането на ултразвук позволява да се повлияе на скоростта на нуклеация, където от течен разтвор се образуват твърди кристали. Ултрасондът с висока мощност създава кавитация, която е растеж и имплозия на вакуумни мехурчета в течна среда. Имплозията на вакуумните мехурчета въвежда енергия в системата и намалява критичната излишна свободна енергия. По този начин точките на засяване и нуклеация се инициират с висока скорост и в най-ранно време. На границата между кавитационния мехур и разтвора, половината от молекулата на разтвореното вещество се солватира от разтворителя, докато другата половина от повърхността на молекулата е покрита от кавитационния мехур, така че скоростта на солватация се намалява. Предотвратява се повторното разтваряне на молекулата на разтвореното вещество, докато коагулацията на молекулите в разтвора се увеличава.
Второ, ултразвукът насърчава растежа на кристалите. Ултразвуковото смесване насърчава растежа на кристалите чрез увеличаване на преноса на маса и агрегацията на молекулите.
Резултатите, постигнати чрез ултразвук, могат да се контролират от режима на ултразвук:
Непрекъсната уника:
Непрекъснатата ултразвукова обработка на разтвора произвежда много места на нуклеация, така че се създават голям брой малки кристали
Импулсна соникация:
Прилагането на импулсна/циклична ултразвук позволява прецизен контрол върху размера на кристала
Соникация за иницииране на нуклеация:
Когато ултразвукът се прилага само в началото на процеса на кристализация, се образуват краен брой ядра, които след това се отглеждат до по-голям размер.
С помощта на ултразвук по време на кристализацията скоростта на растеж, размерът и формата на кристалните структури могат да бъдат повлияни и контролирани. Различните опции за ултразвук правят процесите на сонокристализация прецизно контролируеми и повторяеми.
ултразвукова кавитация
Когато ултразвукът с висока интензивност пресича течна среда, вълните с високо налягане (компресия) и ниско налягане (разреждане) се редуват през течността. Когато отрицателното налягане, причинено от ултразвукова вълна, преминаваща през течност, е достатъчно голямо, разстоянието между молекулите на течността надвишава минималното молекулно разстояние, необходимо за поддържане на течността непокътната, и след това течността се разпада, така че се създават вакуумни мехурчета или кухини. Тези вакуумни мехурчета са известни още като Кавитация Мехурчета.
Кавитационни мехурчета, използвани за мощни ултразвукови приложения като смесване, Разпръскване, Смилане, Екстракция и т.н. възникват при ултразвуков интензитет по-висок от 10 Wcm2. Кавитационните мехурчета растат в продължение на няколко акустични цикъла на ниско / високо налягане, докато достигнат измерение, в което не могат да абсорбират повече енергия. Когато кавитационният мехур достигне максималния си размер, той се взривява силно по време на цикъл на компресия. Силните колапси на преходен кавитационен мехур създават екстремни условия като много високи температури и налягания, много високи разлики в налягането и температурата и течни струи. Тези сили са източникът на химични и механични ефекти, използвани в ултразвукови приложения. Всеки колапсиращ се мехур може да се разглежда като микрореактор, в който температури от няколко хиляди градуса и налягане над хиляда атмосфери се създават мигновено [Suslick et al 1986].
Ултразвуковата екстракция се основава на акустична кавитация и нейните хидродинамични сили на срязване
фосфор
Фосфорът е основен, нерегенериращ ресурс и експертите вече прогнозират, че светът ще удари “Фосфорен пик”, т.е. времето, от което предлагането вече не може да отговори на нарасналото търсене, след около 20 години. Европейската комисия вече класифицира фосфора като критична суровина.
Утайките от отпадъчни води често се използват като тор, разпръснат по полетата. Въпреки това, тъй като утайките от отпадъчни води съдържат не само ценни фосфати, но и вредни тежки метали и органични замърсители, много страни като Германия ограничават със законодателство колко утайки от отпадъчни води могат да се използват като тор. Много страни като Германия имат строги разпоредби за торове, които ограничават строго замърсяването с тежки метали. Тъй като фосфорът е ограничен ресурс, германският регламент за утайки от отпадъчни води от 2017 г. изисква операторите на канализационни инсталации да рециклират фосфати.
Фосфорът може да бъде възстановен от отпадъчни води, утайки от отпадъчни води, както и от пепелта от изгорени утайки от отпадъчни води.
фосфат
Фосфатът, неорганичен химикал, е сол на фосфорната киселина. Неорганичните фосфати се добиват за получаване на фосфор за използване в селското стопанство и промишлеността. В органичната химия фосфатът или органофосфатът е естер на фосфорната киселина.
Не бъркайте името фосфор с елемента фосфор (химичен символ P). Те са две различни неща. Многовалентен неметал от азотната група, фосфорът обикновено се среща в неорганичните фосфатни скали.
Органичните фосфати са важни в биохимията и биогеохимията.
Фосфатът е името на йонния PO43-. Фосфорната киселина, от друга страна, е името на трипротоновата киселина H3PO3. Това е комбинация от 3 часа+ йони и един фосфит (PO33-) йон.
Фосфорът е химичният елемент, който има символа P и атомен номер 15. Фосфорните съединения също се използват широко в експлозиви, нервнопаралитични агенти, триещи се кибрити, фойерверки, пестициди, паста за зъби и почистващи препарати.
струвит
Струвитът, наричан още магнезиев амониев фосфат (MAP), е фосфатен минерал с химическа формула NH4MgPO4·6Ч2O. Struvite кристализира в орторомбичната система като бели до жълтеникави или кафеникаво-бели пирамидални кристали или в платлетоподобни форми. Като мек минерал, струвитът има твърдост по Моос от 1,5 до 2 и ниско специфично тегло от 1,7. При неутрални и алкални условия струвитът е трудно разтворим, но може лесно да се разтвори в киселина. Струвитните кристали се образуват, когато има съотношение мол към мол (1:1:1) магнезий, амоняк и фосфат в отпадъчните води. И трите елемента – магнезий, амоняк и фосфат – обикновено присъстват в отпадъчните води: магнезият идва главно от почвата, морската вода и питейната вода, амонякът се разгражда от карбамидите в отпадъчните води, а фосфатът, идващ от храни, сапуни и перилни препарати в отпадъчните води. С тези три елемента е по-вероятно струвитът да се образува при по-високи стойности на pH, по-висока проводимост, по-ниски температури и по-високи концентрации на магнезий, амоняк и фосфат. Възстановяването на фосфор от отпадъчните потоци като струвит и рециклирането на тези хранителни вещества като тор за селското стопанство е обещаващо.
Струвитът е ценен минерален тор с бавно освобождаване, използван в селското стопанство, който има предимствата да бъде гранулиран, лесен за използване и без миризми.