Ultralyd phosphor opsving fra kloakslam
- Den globale efterspørgsel efter fosfor er stigende, mens udbuddet af naturlige fosfor ressourcer bliver knappe.
- Spildevandsslam og aske fra kloakslam er rige på fosfor og kan derfor anvendes som kilde til at genvinde fosfor.
- Ultralyd våd-kemisk behandling og nedbør forbedrer genvinding af fosfat fra kloakslam samt fra aske af forbrændet slam og gør opsvinget betydeligt mere økonomisk.
Fosfor
Fosfor (phosphor, P) er en ikke-fornyelig ressource, som er stærkt anvendt i landbruget som gødning og i mange industrier, hvor fosfor er et værdifuldt tilsætningsstof (f. eks. maling, vaskemidler, flammehæmmere, dyrefoder). Slam fra rensningsanlæg, brændt spildevandsslam (ISSA), gødning og mejeriprodukter er rigt på fosfor, hvilket gør dem til en kilde til genvinding af fosfor med hensyn til den begrænsede ressource af fosfor samt af miljøhensyn.
Fosfor restitutionssatserne fra de flydende spildevandsstrømme kan nå op på 40 til 50%, mens genvindingsgraden fra spildevandsslam og aske fra kloakslam kan nå op på 90%. Fosfor kan udfældede i mange former, en af dem er struvit (værdsat som en høj kvalitet, langsom-Release gødning). For at gøre genvinding af fosfor økonomisk, skal opsvinget processen forbedres. Ultralydbehandling er en procesintensivering metode, der accelererer processen og øger udbyttet af genvundne mineraler.
Ultralyd fosfor opsving
Under sonikering kan værdifulde materialer såsom struvit (magnesium ammoniumfosfat (kort)), calciumphosphat, hydroxyapatit (Hap)/calciumhydroxyapatit, octacalcium fosfat, tricalciumphosphat og dicalciumphosphatdihydrat genvindes fra affaldsstrømme. Ultralydbehandlingen forbedrer den våde kemiske ekstraktion samt udfældning og krystallisation (Sono-krystallisering) af værdifulde materialer fra kloakslam og fra aske fra forbrændet slam.
Mens indholdet af fosfor (8-10%), jern (10-15%) og aluminium (5-10%) i aske af mono-forbrændt spildevandsslam er ganske høj, det indeholder også giftige tungmetaller såsom bly, cadmium, kobber, og zink.
Phopshorus Recovery – En proces i to trin
-
- syre ekstraktion
Det første trin i fosforrestituering er ekstraktion eller udvaskning af fosfor fra kloakslam eller brændt spildevandsslam aske (ISSA) ved hjælp af en syre som svovlsyre eller saltsyre. Ultralyd blanding fremmer våd-kemisk udvaskning ved at øge masseoverførslen mellem syren og ISSA, således at en fuldstændig udvaskning af fosfor opnås hurtigt. Der kan anvendes et forbehandlings trin med ethylendiamintetraacetatisk syre (EDTA) til at forbedre ekstraktions proceduren.
-
- Udfældning af fosfor
Ultralydkrystallisation øger udfældningen af phosphater betydeligt ved at øge sånings punkterne og accelerere adsorptions og aggregering af molekyler for at danne en krystal. Ultralyd udfældning af fosfor fra spildevand sluge og ISSA kan opnås f. eks, ved hjælp af magnesiumhydroxid og ammoniumhydroxid. Den resulterende bund fælden er struvite, en forbindelse, der består af magnesium, ammonium, fosfor og ilt.
Sonokrystallisering af Struvite
Ultralyd dispergering fremmer masseoverførslen mellem faser og initierer nukleationen og krystalvæksten for phosphater (f. eks. struvit/Map).
Ultralyd inline nedbør og krystallisation af struvit giver mulighed for behandling af store mængder strams på industriel skala. Spørgsmålet om behandling af en stor spildevandsslam strøm kan løses ved en kontinuerlig ultralyds proces, som accelererer krystalliseringen af struvit og forbedrer krystal størrelsen, der producerer mindre, mere ensartede fosfat partikler. Størrelsesfordelingen af udfældede partikler er fastlagt nukleationstal og den efterfølgende krystalvækst rate. Accelereret nukleation og hæmmet vækst er de vigtigste faktorer for udfældningen af cristallinphosphatpartikler, dvs struvite, i en vandig opløsning. Ultralydbehandling er en procesintensivering metode, der forbedrer blandingen for at opnå en homogen fordeling af reaktive ioner.
Ultralyd nedbør er kendt for at give smallere partikelstørrelse fordeling, mindre krystalstørrelse, kontrollerbar morfologi og samt hurtig nukleation sats.
Struvitekrystaller udfældet fra svinespildevand (kilde: Kim et al. 2017)
God nedbør resultater kan opnås for eksempel med PO3-4 : NH+4 : Mg2 + + i et forhold på 1:3: 4. PH-intervallet fra 8 til 10 fører til maksimal fosfat P frigivelse
Ultralydbehandling er en meget effektiv procesintensivering teknik til at fremme udfældningen af værdifulde materialer såsom calciumphosphat, magnesium ammoniumfosfat (kort) og hydroxyapatit (HAP), calcium hydroxyapatit, octacalcium fosfat, tricalciumphosphat og dicalciumphosphatdihydrat fra spildevand. Kloakslam, gødning og mejeriprodukter er kendt som næringsrigt spildevand, som er egnet til fremstilling af værdifulde materialer via ultralydassisteret nedbør.
Struvite krystaldannelse:
mg2 + + + NH+4 + HPO2-4 + H2den –> MgNH (MgNH)4Po4 ∙ 6H2O + H+
High-Power ultralyds-processorer fra Lab til pilot og industriel skala.
Industriel ultralyds udstyr til udvaskning og nedbør
Højtydende ultralydssystemer og reaktorer er nødvendige for at behandle forbrændt spildevandsslam aske (ISSA) og spildevandsslam i industriel målestok. Hielscher Ultrasonics er specialiseret i design og fremstilling af High-Power ultralyds udstyr – fra Lab og Bench-top til fuldt industrielle enheder. Hielscher Ultralydapparater er robuste og bygget til 24/7-operationen under fuld belastning i krævende miljøer. Tilbehør såsom flowcellereaktorer med forskellige geometrier, sonotroder (ultralyds sonder) og booster horn giver mulighed for optimal tilpasning af ultralydssystemet til proceskravene. For at behandle store volumenstrømme tilbyder Hielscher 4kW, 10kW og 16kW ultralydsenheder, som nemt kan kombineres parallelt med ultralyds klynger.
Hielscher's sofistikerede Ultralydapparater har en digital berøringsskærm for nem betjening og præcis styring af procesparametrene.
Brugervenlighed og en nem, sikker drift er nøglefunktioner i Hielscher ultrasonicators. Den eksterne browser kontrol tillader drift og kontrol af ultralydsystemet via PC, smart telefon eller tablet.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:
| Batch Volumen | Strømningshastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 til 100 l | 2 til 10 l / min | UIP4000hdT |
| na | 10 til 100 l / min | UIP16000 |
| na | større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg Os!
Litteratur / Referencer
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, René; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): effekten af ultralyd på krystallisation-udfældningsprocesser: nogle eksempler og en ny adskillelses model. Karakterisering af partikel-og Partikelsystemer, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s. 18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): ekstraktion af næringsstoffer fra mejeri spildevand i form af kort (magnesium ammonium fosfat) og HAP (hydroxyapatit). Rasayan Journal of Chemistry vol. 9, nr. 2; 2016.215-221.
- Kim, D.; Jin min, K.; Lee, K.; Yu, M. S:; Park, K.Y. (2017): Virkninger af ph, molære ratioer og forbehandling ved phosphorgenvinding gennem struvit krystallisering fra spildevand af anaerobisk fordøjet svine spildevand. Forskning i miljøteknik 22 (1), 2017. 12-18.
- Rahman, m., Salleh, m., Ahsan, A., Hossain, m., RA, C. (2014): produktion af langsom frigivelse krystal gødning fra affald vand gennem struvit krystallisering. Arabiske. J. Chem. 7, 139 – 155.
Fakta Værd at vide
Hvordan virker ultralyd nedbør arbejde?
Ultralydbehandling påvirker kimdannelse og krystalvækst, en proces kendt som sonokrystallisering.
For det første giver anvendelsen af ultralyd mulighed for at påvirke nukleations hastigheden, hvor der dannes solide krystaller fra en flydende opløsning. High-Power ultrasond skaber kavitation, som er vækst og implosion af vakuum bobler i et flydende medium. Implosionen af vakuumboblerne introducerer energi i systemet og reducerer den kritiske overskydende frie energi. Derved indledes sånings punkter og nukleation med høj hastighed og på det tidligste tidspunkt. Ved grænsefladen mellem kavitations boble og opløsningen er halvdelen af et opløst molekyle solvent af opløsningsmidlet, mens den anden halvdel af molekylet overfladen er dækket af kavitationsboblen, således at solvens raten nedsættes. Genopløsningen af det opløst stof molekyle forhindres, mens koagulation af molekyler i opløsningen øges.
For det andet, sonikering fremmer krystalvækst. Ultralyd blanding fremmer væksten af krystaller ved at dræbe masseoverførsel og aggregering af molekyler.
Resultaterne opnået ved sonikering kan styres af sonikering tilstand:
Kontinuerlig Sonikering:
Kontinuerlig ultralydsbehandling af opløsningen producerer mange nukleations steder, så der skabes et stort antal små krystaller
Pulserende sonikering:
Anvendelsen af pulserende/cyklet sonikering giver mulighed for præcis kontrol over krystalstørrelse
Sonikering for at initiere nukleation:
Når ultralyd anvendes kun i begyndelsen af Krystalliseringsprocessen, dannes et endeligt antal kerner, som derefter dyrkes til en større størrelse.
Ved hjælp af ultralydbehandling under krystallisering kan væksthastigheden, størrelsen og formen af krystal strukturerne påvirkes og styres. De forskellige muligheder for sonikering gøre SONO-krystallisering processer præcist styrbar og gentagelig.
Ultrasonic kavitation
Når høj intensitet ultralyd krydse et flydende medium, højtryks (kompression) og lavtryks (rarefaction) bølger veksler gennem væsken. Når det negative tryk forårsaget for en ultralyds bølge krydser en væske er stor nok, afstanden mellem molekylerne af væsken overstiger den mindste molekylære afstand, der kræves for at holde væsken intakt, og derefter væsken bryder ned, så vakuum der oprettes bobler eller hulrum. Disse vakuum bobler er også kendt som kavitation Bobler.
Kavitation bobler anvendes til Power ultralyds applikationer såsom blanding, sprede, fræsning, Udvinding etc. forekommer under ultralyds intensiteter højere end 10 wcm2. Kavitationsboblerne vokser over flere akustiske lavtryks/højtryks cyklusser, indtil de når en dimension, hvor de ikke kan absorbere mere energi. Når en kavitation boble har nået sin maksimale størrelse, det imploderer voldsomt under en kompressionscyklus. De voldelige kollapser af en forbigående kavitation boble skaber ekstreme forhold såsom meget høje temperaturer og tryk, meget højt tryk og temperaturforskelle og flydende stråler. Disse kræfter er kilden til kemiske og mekaniske effekter, der anvendes i ultralyds applikationer. Hver kollapsende boble kan betragtes som en microreactor, hvor temperaturer på flere tusinde grader og tryk højere end 1000 atmosfærer dannes øjeblikkeligt [Suslick et al 1986].
Ultralydsekstraktion er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter
Fosfor
Fosfor er en vigtig, ikke-regenererbar ressource og eksperter allerede forudsige, at verden vil ramme “fosfor Peak”, dvs. det tidspunkt, hvorfra udbuddet ikke længere kan opfylde den øgede efterspørgsel, i ca. 20 år. Europa-Kommissionen har allerede klassificeret fosfor som et kritisk råmateriale.
Kloakslam bruges ofte som gødning spredt på markerne. Da spildevandsslam imidlertid ikke kun indeholder værdifuldt fosfat, men også skadelige tungmetaller og organiske forurenende stoffer, begrænser mange lande som Tyskland ved lovgivning, hvor meget spildevandsslam der kan anvendes som gødning. Mange lande som Tyskland har strenge gødnings regler, som begrænser forureningen med tungmetaller strengt. Da fosfor er en begrænset ressource, kræver den tyske spildevandsslam forordning fra 2017 rensningsanlæg for at genanvende fosfater.
Fosfor kan udvindes fra spildevand, kloakslam, samt fra aske af forbrændt spildevandsslam.
Fosfat
En fosfat, et uorganisk kemikalie, er et salt af fosforsyre. Uorganiske phosphater udvindes for at opnå fosfor til brug i landbruget og industrien. I organisk kemi, en fosfat, eller organophosphat, er en ester af fosforsyre.
Må ikke forveksle navnet fosfor med elementet fosfor (kemisk symbol P). De er to forskellige ting. Et multivalente metal af nitrogen gruppen, fosfor er almindeligt forekommende i uorganiske fosfat klipper.
Organiske phosphater er vigtige i biokemi og biogeokemi.
Fosfat er navnet på den ion PO43-. Fosforsyre, på den anden side, er navnet på den triprotiske syre H3PO3. Dette er en kombination af 3 H+ og et phosphit (PO33-ion.
Fosfor er det kemiske element, der har symbolet P og atomnummer 15. Fosforforbindelser anvendes også i vid udstrækning i sprængstoffer, nerve agenter, friktions kampe, fyrværkeri, pesticider, tandpasta og rengøringsmidler.
Struvit
Struvite, også kaldet magnesiumammoniumphosphat (kort), er et fosfat mineral med den kemiske formel NH4MgPO4· 6H2O. Struvite krystalliserer i orthorhombic systemet som hvid til gullig eller brunlig-hvid pyramideformede krystaller eller i platlet-lignende former. At være en blød mineral, struvite har en Mohs hårdhed på 1,5 til 2 og en lav vægtfylde på 1,7. Under neutrale og alkaliske forhold struvite er næppe opløselige, men kan let opløses i syre. Struvite krystaller form, når der er en muldvarp at muldvarp til muldvarp forholdet (1:1:1) af magnesium, ammoniak og fosfat i spildevand. Alle tre elementer – magnesium, ammoniak og fosfat – er normalt til stede i spildevand: magnesium kommer hovedsageligt fra jorden, havvand og drikkevand, ammoniak er brudt ned fra urinstof i spildevandet, og fosfat kommer fra fødevarer, sæber og rengøringsmidler i spildevand. Med disse tre elementer til stede, struvit er mere tilbøjelige til at danne ved højere pH-værdier, højere ledningsevne, lavere temperaturer, og højere koncentrationer af magnesium, ammoniak og fosfat. Genvinding af fosfor fra spildevand strømme som struvit og genanvendelse af disse næringsstoffer som gødning til landbruget er lovende.
Struvite er en værdifuld langsom frigivelse mineralgødning, der anvendes i landbruget, som har fordelene ved at være granuleret, let at bruge, og lugt-fri.