Ultrazvučni oporavak fosfora iz kanalizacionog mulja
- Svjetska potražnja za fosforom je u porastu, dok je ponuda prirodnih resursa fosfora sve manja.
- Kanalizacijski mulj i pepeo iz kanalizacionog mulja bogati su fosforom i stoga se mogu koristiti kao izvor za regeneraciju fosfora.
- Ultrazvučna mokro-hemijska obrada i taloženje poboljšavaju oporavak fosfata iz kanalizacionog mulja kao i iz pepela spaljenog mulja i čini oporavak znatno ekonomičnijim.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) je neobnovljivi resurs, koji se u velikoj mjeri koristi u poljoprivredi kao gnojivo, kao i u mnogim industrijama, gdje je fosfor vrijedan aditiv (npr. boje, deterdženti za pranje rublja, usporivači plamena, hrana za životinje). Kanalizacijski mulj, pepeo iz spaljenog kanalizacionog mulja (ISSA), stajnjak i mliječni efluenti su bogati fosforom, što ih čini izvorom za oporavak fosfora u pogledu ograničenih resursa fosfora, kao i ekoloških problema.
Stope povrata fosfora iz tokova tekućih otpadnih voda mogu doseći 40 do 50%, dok stope povrata iz kanalizacijskog mulja i pepela iz kanalizacijskog mulja mogu doseći i do 90%. Fosfor se može istaložiti u mnogim oblicima, a jedan od njih je struvit (cijenjen kao visokokvalitetno gnojivo sa sporim oslobađanjem). Kako bi rekultivacija fosfora bila ekonomična, proces oporabe se mora poboljšati. Ultrazvuk je metoda koja intenzivira proces koji ubrzava proces i povećava prinos oporavljenih minerala.
Ultrazvučni oporavak fosfora
Pod ultrazvukom, vrijedni materijali kao što su struvit (magnezijum amonijum fosfat (MAP)), kalcijum fosfat, hidroksiapatit (HAP) / kalcijum hidroksiapatit, oktakalcijum fosfat, trikalcijum fosfat i dikalcijum fosfat dihidrat se mogu oporaviti u struji. Ultrazvučni tretman poboljšava mokro-hemijsku ekstrakciju, kao i taloženje i kristalizaciju (sonokristalizaciju) vrijednih materijala iz kanalizacijskog mulja i pepela spaljenog mulja.
Iako je sadržaj fosfora (8-10%), željeza (10-15%) i aluminija (5-10%) u pepelu monospaljenog kanalizacijskog mulja prilično visok, on također sadrži toksične teške metale poput olova, kadmijum, bakar i cink.
Phopshorus Recovery – Proces u dva koraka
-
- ekstrakcija kiseline
Prvi korak povrata fosfora je ekstrakcija ili ispiranje fosfora iz kanalizacijskog mulja ili spaljenog pepela kanalizacijskog mulja (ISSA) korištenjem kiseline kao što je sumporna kiselina ili hlorovodonična kiselina. Ultrazvučno miješanje pospješuje mokro kemijsko ispiranje povećanjem prijenosa mase između kiseline i ISSA tako da se brzo postiže potpuno ispiranje fosfora. Korak prethodnog tretmana korištenjem etilendiamintetraacetatne kiseline (EDTA) može se koristiti za poboljšanje postupka ekstrakcije.
-
- Taloženje fosfora
Ultrazvučna kristalizacija značajno povećava precipitaciju fosfata povećanjem tačaka zasijavanja i ubrzavanjem adsorpcije i agregacije molekula kako bi se formirao kristal. Ultrazvučna precipitacija fosfora iz kanalizacionog mulja i ISSA može se postići npr. upotrebom magnezijum hidroksida i amonijum hidroksida. Nastali talog je struvit, jedinjenje koje se sastoji od magnezijuma, amonijuma, fosfora i kiseonika.
Sonokristalizacija Struvita
Ultrazvučno raspršivanje pospješuje prijenos mase između faza i pokreće nukleaciju i rast kristala za fosfate (npr. struvit / MAP).
Ultrazvučna inline precipitacija i kristalizacija struvita omogućavaju tretman velikih količina u industrijskim razmjerima. Problem obrade velikog toka kanalizacijskog mulja može se riješiti kontinuiranim ultrazvučnim procesom, koji ubrzava kristalizaciju struvita i poboljšava veličinu kristala stvarajući manje, ujednačenije čestice fosfata. Distribucija veličine precipitiranih čestica je određena brzinom nukleacije i naknadnom brzinom rasta kristala. Ubrzana nukleacija i inhibirani rast ključni su faktori za taloženje čestica kristalnog fosfata, odnosno struvita, u vodenom rastvoru. Ultrasonication je metoda intenziviranja procesa koja poboljšava miješanje kako bi se postigla homogena raspodjela reaktivnih jona.
Poznato je da ultrazvučna precipitacija daje užu distribuciju veličine čestica, manju veličinu kristala, kontroliranu morfologiju i kao i brzu brzinu nukleacije.
Kristali struvita precipitirani iz efluenta svinja (izvor: Kim et al. 2017.)
Dobri rezultati padavina mogu se postići na primjer sa PO3-4 : NH+4 : Mg2+ u omjeru 1 : 3 : 4. pH raspon od 8 do 10 dovodi do maksimalnog oslobađanja fosfata P
Ultrazvučna obrada je visoko efikasna tehnika koja intenzivira procese za promicanje taloženja vrijednih materijala kao što su kalcijum fosfat, magnezijum amonijum fosfat (MAP) i hidroksiapatit (HAP), kalcijum hidroksiapatit, oktakalcijum fosfat, trikalcijum fosfat difat hidrat iz vode. Kanalizacijski mulj, stajnjak i mliječni efluenti poznati su kao otpadne vode bogate nutrijentima, koje su pogodne za proizvodnju vrijednih materijala putem ultrazvučne precipitacije.
Formiranje kristala struvita:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskih do pilotskih i industrijskih razmjera.
Industrijska ultrazvučna oprema za ispiranje i precipitaciju
Ultrazvučni sistemi i reaktori visokih performansi su potrebni za tretiranje pepela od spaljenog kanalizacionog mulja (ISSA) i kanalizacionog mulja na industrijskom nivou. Hielscher Ultrasonics je specijaliziran za dizajn i proizvodnju ultrazvučne opreme velike snage – od laboratorijskih i stonih do potpuno industrijskih jedinica. Hielscher ultrasonikatori su robusni i napravljeni za 24/7 rad pod punim opterećenjem u zahtjevnim okruženjima. Pribor kao što su reaktori s protočnim ćelijama različite geometrije, sonotrode (ultrazvučne sonde) i buster rogovi omogućavaju optimalno prilagođavanje ultrazvučnog sistema zahtjevima procesa. Za obradu velikih tokova, Hielscher nudi ultrazvučne jedinice od 4kW, 10kW i 16kW, koje se lako mogu kombinirati paralelno sa ultrazvučnim klasterima.
Hielscherovi sofisticirani ultrasonikatori imaju digitalni zaslon osjetljiv na dodir za lak rad i preciznu kontrolu parametara procesa.
Lakoća za korištenje i jednostavan, siguran rad su ključne karakteristike Hielscher ultrasonicatora. Daljinska kontrola pretraživača omogućava rad i kontrolu ultrazvučnog sistema putem računara, pametnog telefona ili tableta.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Utjecaj ultrazvuka na procese kristalizacije-precipitacije: Neki primjeri i novi model segregacije. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), str.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Ekstrakcija nutrijenata iz mliječnih otpadnih voda u obliku MAP (magnezijum amonijum fosfata) i HAP (hidroksiapatita). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, br. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, MS:; Park, KY (2017.): Učinci pH, molarnih omjera i prethodnog tretmana na obnavljanje fosfora kroz kristalizaciju struvita iz efluenta anaerobno digestirane svinjske otpadne vode. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Proizvodnja kristalnog gnojiva sporog oslobađanja iz otpadnih voda kroz kristalizaciju struvita. arapski. J. Chem. 7, 139–155.
Činjenice koje vrijedi znati
Kako radi ultrazvučna precipitacija?
Ultrasonication utiče na nukleaciju i rast kristala, proces poznat kao sonokristalizacija.
Prvo, primena ultrazvuka omogućava da se utiče na brzinu nukleacije, gde se iz tečnog rastvora formiraju čvrsti kristali. Ultrasond velike snage stvara kavitaciju, što je rast i implozija vakuumskih mjehurića u tečnom mediju. Implozija vakuumskih mehurića uvodi energiju u sistem i smanjuje kritični višak slobodne energije. Na taj način, tačke zasijavanja i nukleacija se pokreću velikom brzinom iu najranijem vremenu. Na granici između kavitacijskog mjehurića i otopine, polovina molekula otopljene tvari je solvatirana otapalom, dok je druga polovina površine molekule prekrivena kavitacijskim mjehurićem, tako da se brzina solvatacije smanjuje. Sprečava se ponovno otapanje molekula otopljene tvari, a povećava se koagulacija molekula u otopini.
Drugo, sonikacija potiče rast kristala. Ultrazvučno miješanje pospješuje rast kristala povećanjem prijenosa mase i agregacije molekula.
Rezultati postignuti ultrazvukom mogu se kontrolisati modom sonikacije:
Kontinuirana sonikacija:
Kontinuirani ultrazvučni tretman otopine proizvodi mnoga mjesta nukleacije, tako da se stvara veliki broj malih kristala
pulsna sonikacija:
Primjena pulsne/ciklične sonikacije omogućava preciznu kontrolu nad veličinom kristala
Sonikacija za pokretanje nukleacije:
Kada se ultrazvuk primeni samo na početku procesa kristalizacije, formira se konačan broj jezgara, koje potom rastu do veće veličine.
Koristeći ultrazvučnu obradu tokom kristalizacije, na brzinu rasta, veličinu i oblik kristalnih struktura može se uticati i kontrolisati. Različite opcije sonikacije čine procese sonokristalizacije precizno kontroliranim i ponovljivim.
ultrazvučna kavitacija
Kada ultrazvuk visokog intenziteta prođe kroz tekući medij, valovi visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje) se izmjenjuju kroz tekućinu. Kada je negativni tlak uzrokovan ultrazvučnim valom koji prelazi tekućinu dovoljno velik, udaljenost između molekula tekućine prelazi minimalnu molekularnu udaljenost potrebnu da tekućina ostane netaknuta, a zatim se tekućina raspada tako da se stvaraju vakuumski mjehurići ili praznine . Ti vakuumski mehurići su takođe poznati kao kavitacija mjehurići.
Kavitacijski mjehurići koji se koriste za ultrazvučne primjene kao što su miješanje, Raspršivanje, Glodanje, Ekstrakcija itd. nastaju pod intenzitetom ultrazvuka većim od 10 Wcm2. Kavitacijski mjehurići rastu tokom nekoliko akustičnih ciklusa niskog/visokog pritiska sve dok ne dostignu dimenziju u kojoj ne mogu apsorbirati više energije. Kada kavitacijski mjehur dostigne svoju maksimalnu veličinu, on snažno implodira tokom ciklusa kompresije. Nasilni kolaps prolaznog kavitacionog mjehura stvara ekstremne uvjete kao što su vrlo visoke temperature i pritisci, vrlo visoki tlakovi i temperaturne razlike i mlazovi tekućine. Te sile su izvor hemijskih i mehaničkih efekata koji se koriste u ultrazvučnim aplikacijama. Svaki mjehur koji se urušava može se smatrati mikroreaktorom u kojem se trenutno stvaraju temperature od nekoliko hiljada stepeni i pritisci veći od hiljadu atmosfera [Suslick et al 1986].
Ultrazvučna ekstrakcija se zasniva na akustičnoj kavitaciji i njenim hidrodinamičkim silama smicanja
fosfor
Fosfor je esencijalni resurs koji se ne može obnoviti i stručnjaci već predviđaju da će svijet pogoditi “phosphor peak”, odnosno vrijeme od kojeg ponuda više ne može zadovoljiti povećanu potražnju, u cca. 20 godina. Evropska komisija je već klasifikovala fosfor kao kritičnu sirovinu.
Kanalizacijski mulj se često koristi kao gnojivo na poljima. Međutim, budući da kanalizacijski mulj ne sadrži samo vrijedne fosfate već i štetne teške metale i organske zagađivače, mnoge zemlje, poput Njemačke, zakonom ograničavaju koliko se otpadnog mulja može koristiti kao gnojivo. Mnoge zemlje poput Njemačke imaju stroge propise o gnojivima, koji striktno ograničavaju kontaminaciju teškim metalima. Budući da je fosfor ograničen resurs, njemačka Uredba o kanalizacijskom mulju iz 2017. zahtijeva od operatera kanalizacionih postrojenja da recikliraju fosfate.
Fosfor se može dobiti iz otpadnih voda, kanalizacionog mulja, kao i iz pepela spaljenog kanalizacionog mulja.
fosfat
Fosfat, neorganska hemikalija, je so fosforne kiseline. Neorganski fosfati se kopaju za dobijanje fosfora za upotrebu u poljoprivredi i industriji. U organskoj hemiji, fosfat, ili organofosfat, je estar fosforne kiseline.
Nemojte brkati naziv fosfor sa elementom fosfor (hemijski simbol P). To su dvije različite stvari. Viševalentni nemetal azotne grupe, fosfor se obično nalazi u neorganskim fosfatnim stijenama.
Organski fosfati su važni u biohemiji i biogeohemiji.
Fosfat je naziv jona PO43-. Fosforna kiselina je, s druge strane, naziv triprotinske kiseline H3PO3. Ovo je kombinacija 3 H+ joni i jedan fosfit (PO33-) ion.
Fosfor je hemijski element koji ima simbol P i atomski broj 15. Jedinjenja fosfora se takođe široko koriste u eksplozivima, nervnim agensima, šibicama, vatrometima, pesticidima, pasti za zube i deterdžentima.
struvite
Struvit, poznat i kao magnezijum amonijum fosfat (MAP), je fosfatni mineral sa hemijskom formulom NH4MgPO4·6H2O. Struvit kristalizira u ortorombičkom sistemu kao bijeli do žućkasti ili smeđe-bijeli piramidalni kristali ili u obliku trombocita. Budući da je meki mineral, struvit ima Mohsovu tvrdoću od 1,5 do 2 i nisku specifičnu težinu od 1,7. U neutralnim i alkalnim uslovima struvit je teško rastvorljiv, ali se lako može rastvoriti u kiselini. Struvitni kristali nastaju kada je u otpadnoj vodi odnos mol prema molu (1:1:1) magnezijuma, amonijaka i fosfata. Sva tri elementa – magnezijum, amonijak i fosfat – su normalno prisutni u otpadnim vodama: magnezij koji dolazi uglavnom iz tla, morske vode i vode za piće, amonijak se razgrađuje iz ureje u otpadnim vodama, a fosfat koji dolazi iz hrane, sapuna i deterdženata u otpadne vode. Sa ova tri elementa prisutna je veća vjerovatnoća da će se struvit formirati pri višim pH vrijednostima, višoj provodljivosti, nižim temperaturama i višim koncentracijama magnezijuma, amonijaka i fosfata. Obećavajuće je obnavljanje fosfora iz otpadnih voda kao struvita i recikliranje tih hranljivih materija kao đubriva za poljoprivredu.
Struvite je vrijedno mineralno đubrivo sa sporim oslobađanjem koje se koristi u poljoprivredi, koje ima prednosti u tome što je granulirano, jednostavno za upotrebu i bez mirisa.