Ultrazvuková regenerace fosforu z čistírenských kalů
- Celosvětová poptávka po fosforu roste, zatímco nabídka přírodních zdrojů fosforu se ztenčuje.
- Čistírenské kaly a popel z čistírenských kalů jsou bohaté na fosfor, a proto je lze použít jako zdroj pro regeneraci fosforu.
- Ultrazvukové mokré chemické zpracování a srážení zlepšuje získávání fosfátů z kalů z čistíren odpadních vod i z popela ze spalovaného kalu a činí regeneraci výrazně ekonomičtější.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) je neobnovitelný zdroj, který se hojně využívá v zemědělství jako hnojivo i v mnoha průmyslových odvětvích, kde je fosfor cennou přísadou (např. barvy, prací prostředky, zpomalovače hoření, krmivo pro zvířata). Kaly z čistíren odpadních vod, popel ze spalovaných čistíren odpadních vod (ISSA), hnůj a mléčné odpadní vody jsou bohaté na fosfor, což z nich činí zdroj pro zpětné získávání fosforu, pokud jde o omezený zdroj fosforu i z hlediska životního prostředí.
Míra regenerace fosforu z kapalných odpadních vod může dosáhnout 40 až 50 %, zatímco míra regenerace z čistírenských kalů a popela z čistírenských kalů může dosáhnout až 90 %. Fosfor lze vysrážet v mnoha formách, jednou z nich je struvitový (ceněný jako vysoce kvalitní hnojivo s pomalým uvolňováním). Aby byla regenerace fosforu ekonomická, je třeba zlepšit proces regenerace. Ultrazvuku je metoda zesilující proces, která urychluje proces a zvyšuje výtěžnost získaných minerálů.
Ultrazvuková obnova fosforu
Při sonikaci lze z odpadních toků získat cenné materiály, jako je struvit (fosforečnan hořečnatý amonný (MAP)), fosforečnan vápenatý, hydroxyapatit (HAP) / hydroxyapatit vápenatý, oktakalciumfosfát, fosforečnan vápenatý a dihydrát fosforečnanu vápenatého. Ultrazvukové ošetření zlepšuje mokrou chemickou extrakci, jakož i srážení a krystalizaci (sonokrystalizaci) cenných materiálů z čistírenských kalů a z popela ze spalovaného kalu.
Zatímco obsah fosforu (8-10%), železa (10-15%) a hliníku (5-10%) v popelu monocinulovaných čistírenských kalů je poměrně vysoký, obsahuje také toxické těžké kovy, jako je olovo, kadmium, měď a zinek.
Obnova Phopshorus – Dvoustupňový proces
- extrakce kyselinou
Prvním krokem získávání fosforu je extrakce nebo loužení fosforu z kalů z čistíren odpadních vod nebo popela ze spalovaných čistírenských kalů (ISSA) pomocí kyseliny, jako je kyselina sírová nebo kyselina chlorovodíková. Ultrazvukové míchání podporuje mokré chemické loužení zvýšením přenosu hmoty mezi kyselinou a ISSA, takže je rychle dosaženo úplného vyluhování fosforu. Ke zlepšení postupu extrakce lze použít krok předúpravy za použití kyseliny ethylendiamintetraoctové (EDTA).
- Srážení fosforu
Ultrazvuková krystalizace výrazně zvyšuje srážení fosforečnanů tím, že zvyšuje výsevní body a urychluje adsorpci a agregaci molekul za vzniku krystalu. Ultrazvukového srážení fosforu z odpadních vod a ISSA lze dosáhnout např. pomocí hydroxidu hořečnatého a hydroxidu amonného. Výslednou sraženinou je struvit, sloučenina složená z hořčíku, amoniaku, fosforu a kyslíku.
Sonokrystalizace struvitu
Ultrazvuková dispergace podporuje přenos hmoty mezi fázemi a iniciuje nukleaci a růst krystalů pro fosfáty (např. struvity / MAP).
Ultrazvukové inline srážení a krystalizace struvitu umožňuje zpracování velkoobjemových stramů v průmyslovém měřítku. Problém zpracování velkého proudu čistírenských kalů lze vyřešit kontinuálním ultrazvukovým procesem, který urychluje krystalizaci struvitu a zlepšuje velikost krystalů produkujících menší, rovnoměrnější fosfátové částice. Velikostní distribuce vysrážených částic je určena rychlostí nukleace a následnou růstovou rychlostí krystalů. Zrychlená nukleace a inhibovaný růst jsou klíčovými faktory pro srážení částic cristalinického fosfátu, tj. struvitu, ve vodném roztoku. Ultrazvuku je metoda zesilující proces, která zlepšuje míchání, aby se dosáhlo homogenní distribuce reaktivních iontů.
Je známo, že ultrazvukové srážení poskytuje užší distribuci velikosti částic, menší velikost krystalů, kontrolovatelnou morfologii a také rychlou nukleační rychlost.
Struvitové krystaly vysrážené z prasečích odpadních vod (zdroj: Kim et al. 2017)
Dobrých výsledků srážek lze dosáhnout například s PO3-4 :NH+4 :Mg2+ v poměru 1 : 3 : 4. pH v rozmezí 8 až 10 vede k maximálnímu uvolňování fosfátu P
Ultrazvuku je vysoce účinná technika zintenzivňující proces na podporu srážení cenných materiálů, jako je fosforečnan vápenatý, fosforečnan hořečnatoamonný (MAP) a hydroxyapatit (HAP), hydroxyapatit vápenatý, oktakalciumfosfát, fosforečnan vápenatý a dihydrát fosforečnanu vápenatého z odpadních vod. Kaly z čistíren odpadních vod, hnůj a mléčné odpadní vody jsou známé jako odpadní voda bohatá na živiny, která je vhodná pro výrobu cenných materiálů pomocí ultrazvukem asistovaného srážení.
Tvorba struvitových krystalů:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH řekl:4PO4 ∙ 6H2O + H+
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního po pilotní a průmyslové měřítko.
Průmyslová ultrazvuková zařízení pro loužení a srážení
Vysoce výkonné ultrazvukové systémy a reaktory jsou nutné k úpravě popela ze spálených čistíren odpadních vod (ISSA) a čistírenských kalů v průmyslovém měřítku. Hielscher Ultrasonics se specializuje na návrh a výrobu vysoce výkonných ultrazvukových zařízení – Od laboratorních a stolních až po plně průmyslové jednotky. Hielscher ultrasonicators jsou robustní a postavené pro provoz 24/7 při plném zatížení v náročných prostředích. Příslušenství, jako jsou reaktory s průtočnou buňkou s různou geometrií, sonotrody (ultrazvukové sondy) a přídavné rohy, umožňuje optimální přizpůsobení ultrazvukového systému požadavkům procesu. Aby bylo možné zpracovávat velké objemové proudy, Hielscher nabízí ultrazvukové jednotky o výkonu 4 kW, 10 kW a 16 kW, které lze snadno kombinovat paralelně s ultrazvukovými klastry.
Hielscherovy sofistikované ultrasonicators jsou vybaveny digitálním dotykovým displejem pro snadnou obsluhu a přesné ovládání parametrů procesu.
Uživatelská přívětivost a snadná, bezpečná obsluha jsou klíčovými vlastnostmi Hielscher ultrasonicators. Dálkové ovládání prohlížeče umožňuje obsluhu a ovládání ultrazvukového systému prostřednictvím PC, chytrého telefonu nebo tabletu.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Literatura/Odkazy
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, René; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Vliv ultrazvuku na krystalicko-precipitační procesy: Některé příklady a nový segregační model. Charakterizace částic a částicových systémů, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), str.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extrakce živin z odpadních vod mléka ve formě MAP (fosforečnan hořečnatoamonný) a HAP (hydroxyapatit). Rasayan Journal of Chemistry, sv. 9, č. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Vliv pH, molárních poměrů a předúpravy na výtěžnost fosforu krystalizací struvitů z odpadních vod z anaerobně vyhnívaných prasečích odpadních vod. Výzkum environmentálního inženýrství 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Výroba krystalického hnojiva s pomalým uvolňováním z odpadních vod prostřednictvím krystalizace struvitů. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Fakta, která stojí za to vědět
Jak funguje ultrazvukové srážení?
Ultrazvuku ovlivňuje nukleaci a růst krystalů, což je proces známý jako sonokrystalizace.
Za prvé, aplikace ultrazvuku umožňuje ovlivnit rychlost nukleace, kde se z kapalného roztoku tvoří pevné krystaly. Vysoce výkonná ultrasonda vytváří kavitaci, což je růst a imploze vakuových bublin v kapalném médiu. Imploze vakuových bublin zavádí energii do systému a snižuje kritický přebytek volné energie. Výsevní body a nukleace jsou tak iniciovány ve vysoké míře a co nejdříve. Na rozhraní mezi kavitační bublinou a roztokem je polovina molekuly rozpuštěné látky solvatována rozpouštědlem, zatímco druhá polovina povrchu molekuly je pokryta kavitační bublinou, takže rychlost solvatace je snížena. Je zabráněno opětovnému rozpuštění molekuly rozpuštěné látky, zatímco koagulace molekul v roztoku je zvýšena.
Za druhé, sonikace podporuje růst krystalů. Ultrazvukové míchání podporuje růst krystalů tím, že zvyšuje přenos hmoty a agregaci molekul.
Výsledky dosažené sonikací mohou být řízeny režimem sonikace:
Kontinuální sonikace:
Kontinuální ultrazvukové ošetření roztoku vytváří mnoho nukleačních míst, takže se vytváří velké množství malých krystalů
Pulzní sonikace:
Aplikace pulzní / cyklické sonikace umožňuje přesnou kontrolu nad velikostí krystalů
Sonikace k zahájení nukleace:
Pokud je ultrazvuk aplikován pouze na začátku krystalizačního procesu, vytvoří se konečný počet jader, která se pak zvětšují do větší velikosti.
Pomocí ultrazvuku během krystalizace lze ovlivnit a kontrolovat rychlost růstu, velikost a tvar krystalových struktur. Díky různým možnostem sonikace jsou sono-krystalizační procesy přesně kontrolovatelné a opakovatelné.
Ultrazvuková kavitace
Když ultrazvuk s vysokou intenzitou prochází kapalným médiem, kapalinou se střídají vysokotlaké (kompresní) a nízkotlaké (zředění) vlny. Když je podtlak způsobený ultrazvukovou vlnou procházející kapalinou dostatečně velký, vzdálenost mezi molekulami kapaliny překračuje minimální molekulární vzdálenost potřebnou k udržení kapaliny neporušené, a poté se kapalina rozpadne tak, že se vytvoří vakuové bubliny nebo dutiny. Tyto vakuové bubliny jsou také známé jako kavitace bubliny.
Kavitační bubliny používané pro výkonové ultrazvukové aplikace, jako je míchání, Dispergující, drcení, Extrakce atd. se vyskytují při intenzitě ultrazvuku vyšší než 10 Wcm2. Kavitační bubliny rostou v několika akustických nízkotlakých / vysokotlakých cyklech, dokud nedosáhnou rozměru, kdy nemohou absorbovat více energie. Když kavitační bublina dosáhne své maximální velikosti, během kompresního cyklu prudce imploduje. Prudké zhroucení přechodné kavitační bubliny vytváří extrémní podmínky, jako jsou velmi vysoké teploty a tlaky, velmi vysoké tlaky a teplotní rozdíly a trysky kapaliny. Tyto síly jsou zdrojem chemických a mechanických účinků používaných v ultrazvukových aplikacích. Každá hroutící se bublina může být považována za mikroreaktor, ve kterém jsou okamžitě vytvořeny teploty několika tisíc stupňů a tlaky vyšší než tisíc atmosfér [Suslick a kol. 1986].
Ultrazvuková extrakce je založena na akustické kavitaci a jejích hydrodynamických smykových silách
fosfor
Fosfor je nepostradatelný, neregenerovatelný zdroj a odborníci již předpovídají, že svět zasáhne “Fosforový vrchol”, tj. doba, od které již nabídka nemůže pokrýt zvýšenou poptávku, přibližně za 20 let. Evropská komise již označila fosfor za kritickou surovinu.
Čistírenský kal se často používá jako hnojivo rozmetané na polích. Vzhledem k tomu, že kaly z čistíren odpadních vod obsahují nejen cenné fosfáty, ale také škodlivé těžké kovy a organické znečišťující látky, mnoho zemí, jako je Německo, legislativně omezuje, kolik čistírenských kalů lze použít jako hnojivo. Mnoho zemí, jako je Německo, má přísné předpisy pro hnojiva, které přísně omezují kontaminaci těžkými kovy. Vzhledem k tomu, že fosfor je omezený zdroj, německé nařízení o kalech z čistíren odpadních vod z roku 2017 vyžaduje, aby provozovatelé čistíren odpadních vod fosfáty recyklovali.
Fosfor lze získat z odpadních vod, kalů z čistíren odpadních vod a také z popela ze spalovaných kalů z čistíren odpadních vod.
fosforečnan
Fosfát, anorganická chemická látka, je sůl kyseliny fosforečné. Anorganické fosfáty se těží za účelem získání fosforu pro použití v zemědělství a průmyslu. V organické chemii je fosfát nebo organofosfát ester kyseliny fosforečné.
Nezaměňujte název fosfor s prvkem fosfor (chemická značka P). Jsou to dvě různé věci. Fosfor, vícemocný nekov ze skupiny dusíku, se běžně vyskytuje v anorganických fosfátových horninách.
Organické fosforečnany jsou důležité v biochemii a biogeochemii.
Fosfát je název iontu PO43-. Kyselina fosforitá je na druhé straně název kyseliny trojité, H3PO3. Jedná se o kombinaci 3 H+ iontů a jednoho fosfitu (PO33-) iont.
Fosfor je chemický prvek, který má symbol P a atomové číslo 15. Sloučeniny fosforu jsou také široce používány ve výbušninách, nervově paralytických látkách, třecích zápalkách, ohňostrojích, pesticidech, zubních pastách a detergentech.
Struvitové
Struvit, označovaný také jako fosforečnan hořečnatoamonný (MAP), je fosfátový minerál s chemickým vzorcem NH4MgPO4·6H2O. Struvity krystalizují v ortorombickém systému jako bílé až nažloutlé nebo hnědobílé pyramidální krystaly nebo v deskovitých formách. Jako měkký minerál má struvit Mohsovu tvrdost 1,5 až 2 a nízkou měrnou hmotnost 1,7. Za neutrálních a zásaditých podmínek je struvit těžko rozpustný, ale lze jej snadno rozpustit v kyselině. Struvitové krystaly se tvoří, když je v odpadních vodách poměr mol k mole k mole (1:1) hořčíku, amoniaku a fosfátu. Všechny tři prvky – hořčík, amoniak a fosfát – jsou běžně přítomny v odpadních vodách: hořčík pocházející hlavně z půdy, mořské a pitné vody, amoniak se rozkládá z močoviny v odpadních vodách a fosfáty pocházející z potravin, mýdel a detergentů do odpadních vod. S přítomnými těmito třemi prvky je pravděpodobnější, že se struvity budou tvořit při vyšších hodnotách pH, vyšší vodivosti, nižších teplotách a vyšších koncentracích hořčíku, amoniaku a fosfátu. Získávání fosforu z odpadních vod ve formě struvitu a recyklace těchto živin jako hnojiva pro zemědělství je slibná.
Struvite je cenné minerální hnojivo s pomalým uvolňováním používané v zemědělství, které má výhody v tom, že je granulované, snadno použitelné a bez zápachu.