Tecnología de ultrasonido de Hielscher

Recuperación ultrasónica de fósforo de lodos de depuradora

  • La demanda mundial de fósforo está aumentando, mientras que la oferta de recursos naturales de fósforo es cada vez más escasa.
  • Los lodos de depuradora y las cenizas de lodos de depuradora son ricos en fósforo y, por lo tanto, pueden utilizarse como fuente para recuperar el fósforo.
  • El tratamiento químico húmedo por ultrasonidos y la precipitación mejoran la recuperación del fosfato de los lodos de depuradora, así como de las cenizas de los lodos incinerados, y hacen que la recuperación sea significativamente más económica.

Fósforo

Los lodos de depuradora son ricos en fósforo. La extracción por ultrasonidos y la precipitación intensifican el proceso de recuperación del fósforo.El fósforo (fósforo, P) es un recurso no renovable, que se utiliza mucho en la agricultura como fertilizante, así como en muchas industrias, donde el fósforo es un aditivo valioso (por ejemplo, pinturas, detergentes para ropa, retardadores de llama, alimentos para animales). Los lodos de depuradora, las cenizas de lodos de depuradora incineradas (AISS), el estiércol y los efluentes lácteos son ricos en fósforo, lo que los convierte en una fuente de recuperación de fósforo en lo que respecta a los recursos finitos de fósforo, así como a las preocupaciones medioambientales.
Las tasas de recuperación de fósforo de las corrientes de aguas residuales líquidas pueden alcanzar del 40 al 50%, mientras que las tasas de recuperación de lodos de depuradora y cenizas de lodos de depuradora pueden alcanzar hasta el 90%. El fósforo puede ser precipitado en muchas formas, una de las cuales es el estruvita (valorado como un fertilizante de alta calidad y liberación lenta). Para que la recuperación de fósforo sea económica, es necesario mejorar el proceso de recuperación. La ultrasonicación es un método de intensificación del proceso que acelera el proceso y aumenta el rendimiento de los minerales recuperados.

Recuperación de fósforo ultrasónico

La sonicación intensifica el procesamiento químico húmedo y la precipitación durante la recuperación de fósforo de los lodos de depuración.Bajo sonicación, materiales valiosos como estruvita (fosfato de magnesio y amonio (MAP)), fosfato de calcio, hidroxiapatita (HAP) / hidroxiapatita de calcio, fosfato de octacalcio, fosfato tricálcico y fosfato dicálcico dihidratado pueden ser recuperados de las corrientes de desechos. El tratamiento ultrasónico mejora la extracción química húmeda, así como la precipitación y cristalización (sono-cristalización) de materiales valiosos de los lodos de depuradora y de las cenizas de los lodos incinerados.
Mientras que el contenido de fósforo (8-10%), hierro (10-15%) y aluminio (5-10%) en las cenizas de los lodos de depuradora mono-incinerados es bastante alto, también contiene metales pesados tóxicos como plomo, cadmio, cobre y zinc.

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Recuperación de Phopshorus – Un proceso de dos pasos

  1. extracción de ácido
  2. El primer paso de la recuperación del fósforo es la extracción o lixiviación del fósforo de los lodos de depuradora o de las cenizas de lodos de depuradora incineradas (AISS) utilizando un ácido como el ácido sulfúrico o el ácido clorhídrico. La mezcla ultrasónica promueve la lixiviación química húmeda al aumentar la transferencia de masa entre el ácido y la AISS, de modo que se consigue rápidamente una lixiviación completa del fósforo. Puede utilizarse una fase de pretratamiento con ácido etilendiaminotetraacético (EDTA) para mejorar el procedimiento de extracción.

  3. Precipitación de fósforo
  4. La cristalización por ultrasonidos aumenta significativamente la precipitación de fosfatos al aumentar los puntos de siembra y acelerar la adsorción y agregación de moléculas para formar un cristal. La precipitación ultrasónica de fósforo procedente de la depuradora de aguas residuales y de la AISS puede lograrse, por ejemplo, utilizando hidróxido de magnesio e hidróxido de amonio. El precipitado resultante es estruvita, un compuesto compuesto compuesto de magnesio, amonio, fósforo y oxígeno.

Sonocristalización de Struvite

La dispersión ultrasónica promueve la transferencia de masa entre fases e inicia la nucleación y el crecimiento de cristales para los fosfatos (por ejemplo, estruvita / MAP).
La precipitación ultrasónica en línea y la cristalización de estruvita permite el tratamiento de grandes volúmenes de flejes a escala industrial. El problema del procesamiento de una gran corriente de lodos de depuradora puede resolverse mediante un proceso ultrasónico continuo, que acelera la cristalización de estruvita y mejora el tamaño del cristal produciendo partículas de fosfato más pequeñas y uniformes. La distribución de tamaño de las partículas precipitadas se determina mediante la tasa de nucleación y la tasa de crecimiento cristalino subsiguiente. La nucleación acelerada y el crecimiento inhibido son los factores clave para la precipitación de partículas de fosfato cristalino, es decir, estruvita, en una solución acuosa. La ultrasonicación es un método de intensificación de procesos que mejora la mezcla para obtener una distribución homogénea de los iones reactivos.
Se sabe que la precipitación ultrasónica proporciona una distribución de tamaño de partícula más estrecha, un tamaño de cristal más pequeño, una morfología controlable y una tasa de nucleación más rápida.

Los cristales de estruvita pueden precipitarse de los lodos de depuradora. La sonicación mejora el proceso de recuperación.

Cristales de estruvita precipitados del efluente porcino (fuente: Kim et al. 2017)

Se pueden obtener buenos resultados de precipitación, por ejemplo, con PO3-4 : NH+4 : Mg2+ en una proporción de 1 : 3 : 4. El rango de pH de 8 a 10 conduce a la liberación máxima de fosfato P

La ultrasonicación es una técnica de intensificación de procesos altamente eficiente para promover la precipitación de materiales valiosos como el fosfato de calcio, el fosfato de magnesio y amonio (MAP) y la hidroxiapatita (HAP), la hidroxiapatita de calcio, el fosfato de octacalcio, el fosfato tricálcico y el fosfato dicálcico dihidratado de las aguas residuales. Los lodos de depuradora, el estiércol y los efluentes lácteos se conocen como aguas residuales ricas en nutrientes, que son adecuadas para la producción de materiales valiosos mediante la precipitación asistida por ultrasonidos.

Formación de cristales de estruvita:
mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –MgNH > MgNH4correos4 ∙ 6H2O + H+

Hielscher Ultrasonics fabrica ultrasonidos de alto rendimiento para aplicaciones ecoquímicas.

Procesadores ultrasónicos de alta potencia desde laboratorio hasta escala piloto e industrial.

Equipos industriales de ultrasonidos para lixiviación y precipitación

Célula de flujo UIP4000hdT para sonicación en línea a escala industrialSe necesitan sistemas ultrasónicos y reactores de alto rendimiento para tratar las cenizas de lodos de depuradora incineradas (AISS) y los lodos de depuradora a escala industrial. Hielscher Ultrasonics está especializada en el diseño y fabricación de equipos de ultrasonidos de alta potencia. – desde laboratorio y sobremesa hasta unidades totalmente industriales. Los ultrasonidos de Hielscher son robustos y están construidos para funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, a plena carga en entornos exigentes. Accesorios como reactores de celdas de flujo con diversas geometrías, sonotrodos (sondas ultrasónicas) y bocinas de refuerzo permiten una adaptación óptima del sistema de ultrasonidos a las necesidades del proceso. Para procesar flujos de gran volumen, Hielscher ofrece unidades de ultrasonidos de 4kW, 10kW y 16kW, que pueden combinarse fácilmente en paralelo con grupos de ultrasonidos.
Los sofisticados ultrasonidos de Hielscher disponen de una pantalla táctil digital para un manejo sencillo y un control preciso de los parámetros del proceso.
La facilidad de uso y un manejo sencillo y seguro son las principales características de los equipos de ultrasonidos de Hielscher. El control remoto del navegador permite el funcionamiento y el control del sistema de ultrasonidos a través de un PC, teléfono inteligente o tableta.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Literatura/Referencias

  • Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): El efecto del ultrasonido en los procesos de cristalización-precipitación: Algunos ejemplos y un nuevo modelo de segregación. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
  • Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extracción de Nutrientes de las Aguas Residuales Lácteas en forma de MAP (Fosfato de Magnesio y Amonio) y HAP (Hidroxiapatita). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
  • Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Efectos del pH, las proporciones molares y el pretratamiento en la recuperación de fósforo a través de la cristalización de estruvita del efluente de las aguas residuales porcinas digeridas anaeróbicamente.. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
  • Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Producción de abono cristalino de liberación lenta a partir de aguas residuales mediante cristalización de estruvita. Árabe. J. Chem. 7, 139–155.


Información interesante

¿Cómo funciona la precipitación ultrasónica?

La ultrasonicación impacta la nucleación y el crecimiento de cristales, un proceso conocido como sonocristalización.
En primer lugar, la aplicación de ultrasonidos permite influir en la tasa de nucleación, donde se forman cristales sólidos a partir de una solución líquida. El ultrasonido de alta potencia crea cavitación, que es el crecimiento e implosión de burbujas de vacío en un medio líquido. La implosión de las burbujas de vacío introduce energía en el sistema y reduce el exceso de energía libre. De esta manera, los puntos de siembra y la nucleación se inician a un alto ritmo y en el menor tiempo posible. En la interfase entre la burbuja de cavitación y la solución, la mitad de una molécula de soluto es disuelta por el disolvente, mientras que la otra mitad de la superficie de la molécula es cubierta por la burbuja de cavitación, de modo que la tasa de disolución disminuye. Se evita la re-disolución de la molécula del soluto, mientras que aumenta la coagulación de las moléculas de la solución.
En segundo lugar, la sonicación promueve el crecimiento del cristal. La mezcla ultrasónica promueve el crecimiento de los cristales al aumentar la transferencia de masa y la agregación de moléculas.
Los resultados alcanzados por la sonicación pueden ser controlados por el modo de sonicación:
La sonicación continua:
El tratamiento ultrasónico continuo de la solución produce muchos puntos de nucleación, de modo que se crea un gran número de pequeños cristales.
Sonicación pulsada:
La aplicación de la sonicación pulsada / cíclica permite el control preciso del tamaño del cristal.
Sonicación para iniciar la nucleación:
Cuando el ultrasonido se aplica sólo durante el comienzo del proceso de cristalización, se forma un número finito de núcleos, que luego crecen a un tamaño mayor.

Usando ultrasonido durante la cristalización, la tasa de crecimiento, tamaño y forma de las estructuras cristalinas pueden ser influenciadas y controladas. Las diversas opciones de sonicación hacen que los procesos de sono-cristalización sean controlables y repetibles con precisión.

Cavitación ultrasónica

Cuando el ultrasonido de alta intensidad atraviesa un medio líquido, las ondas de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción) se alternan a través del líquido. Cuando la presión negativa causada por una onda ultrasónica que atraviesa un líquido es lo suficientemente grande, la distancia entre las moléculas del líquido excede la distancia molecular mínima requerida para mantener el líquido intacto, y luego el líquido se descompone de manera que se crean burbujas o vacíos de vacío. Esas burbujas de vacío también se conocen como cavitación burbujas.
Burbujas de cavitación utilizadas para aplicaciones de ultrasonidos de potencia, como la mezcla, Dispersión, Pulverizar, extracción etc. se producen bajo intensidades de ultrasonido superiores a 10 Wcm2. Las burbujas de cavitación crecen a lo largo de varios ciclos acústicos de baja y alta presión hasta que alcanzan una dimensión en la que no pueden absorber más energía. Cuando una burbuja de cavitación ha alcanzado su tamaño máximo, implosiona violentamente durante un ciclo de compresión. Los violentos colapsos de una burbuja de cavitación transitoria crean condiciones extremas tales como temperaturas y presiones muy altas, diferenciales de presión y temperatura muy altos y chorros de líquido. Estas fuerzas son la fuente de los efectos químicos y mecánicos utilizados en las aplicaciones ultrasónicas. Cada burbuja que colapsa puede considerarse como un microreactor en el que se crean instantáneamente temperaturas de varios miles de grados y presiones superiores a mil atmósferas[Suslick et al 1986].

La cavitación ultrasónica/acústica crea fuerzas muy intensas que abren las paredes celulares conocidas como lisis (Haga clic para ampliar!)

La extracción ultrasónica se basa en la cavitación acústica y sus fuerzas de cizallamiento hidrodinámicas.

Fósforo

El fósforo es un recurso esencial y no regenerable, y los expertos ya predicen que el mundo se verá afectado “pico de fósforo”es decir, el tiempo a partir del cual la oferta ya no puede satisfacer el aumento de la demanda, en aproximadamente 20 años. La Comisión Europea ya ha clasificado el fósforo como materia prima crítica.
Los lodos de depuradora se utilizan a menudo como fertilizantes en los campos. Sin embargo, dado que los lodos de depuradora no sólo contienen fosfatos valiosos, sino también metales pesados nocivos y contaminantes orgánicos, muchos países, como Alemania, limitan por ley la cantidad de lodos de depuradora que pueden utilizarse como fertilizantes. Muchos países, como Alemania, tienen regulaciones estrictas sobre fertilizantes, que limitan estrictamente la contaminación con metales pesados. Dado que el fósforo es un recurso finito, el Reglamento alemán sobre lodos de depuradora de 2017 exige a los operadores de plantas depuradoras que reciclen los fosfatos.
El fósforo puede recuperarse de las aguas residuales, de los lodos de depuradora, así como de las cenizas de los lodos de depuradora incinerados.

fosfato

Un fosfato, un químico inorgánico, es una sal de ácido fosfórico. Los fosfatos inorgánicos se extraen para obtener fósforo para su uso en la agricultura y la industria. En química orgánica, un fosfato, u organofosfato, es un éster de ácido fosfórico.
No confundir el nombre fósforo con el elemento fósforo (símbolo químico P). Son dos cosas diferentes. El fósforo, un no metal polivalente del grupo del nitrógeno, se encuentra comúnmente en las rocas de fosfato inorgánico.
Los fosfatos orgánicos son importantes en bioquímica y biogeoquímica.
Fosfato es el nombre del ion PO43-. El ácido fosforoso, por otro lado, es el nombre del ácido triprótico H3PO3. Se trata de una combinación de 3 H+ y un fosfito (PO33-) ion.
El fósforo es el elemento químico que tiene el símbolo P y el número atómico 15. Los compuestos de fósforo también se utilizan ampliamente en explosivos, agentes nerviosos, fósforos de fricción, fuegos artificiales, pesticidas, pasta de dientes y detergentes.

estruvita

La estruvita, también conocida como fosfato amónico de magnesio (MAP), es un mineral fosfatado con la fórmula química NH4MgPO4· 6H2O. La estruvita cristaliza en el sistema ortorrómbico como cristales piramidales de color blanco a amarillento o blanco parduzco o en formas similares a las de las plaquetas. Al ser un mineral blando, el estruvita tiene una dureza Mohs de 1,5 a 2 y una baja gravedad específica de 1,7. En condiciones neutras y alcalinas, el estruvita es difícilmente soluble, pero puede disolverse fácilmente en ácido. Los cristales de estruvita se forman cuando hay una relación de mol a mol (1:1:1:1) de magnesio, amoníaco y fosfato en las aguas residuales. Los tres elementos – magnesio, amoniaco y fosfato – normalmente están presentes en las aguas residuales: el magnesio procedente principalmente del suelo, el agua de mar y el agua potable, el amoníaco se descompone de la urea de las aguas residuales y el fosfato procedente de los alimentos, los jabones y los detergentes se introduce en las aguas residuales. Con estos tres elementos presentes, es más probable que se forme estruvita a valores de pH más altos, conductividad más alta, temperaturas más bajas y concentraciones más altas de magnesio, amoníaco y fosfato. La recuperación de fósforo de las aguas residuales como estruvita y el reciclaje de esos nutrientes como fertilizantes para la agricultura son prometedores.
Struvite es un valioso fertilizante mineral de liberación lenta utilizado en la agricultura, que tiene las ventajas de ser granular, fácil de usar y libre de olores.