Ultraheli fosfori taastamine reoveesetetest
- Ülemaailmne nõudlus fosfori järele kasvab, samal ajal kui looduslike fosforivarude pakkumine muutub napiks.
- Reoveesetted ja reoveesetete tuhk on fosforirikkad ja seetõttu saab neid kasutada allikana fosfori taaskasutamiseks.
- Ultraheli märg-keemiline töötlemine ja sadestamine parandab fosfaadi taaskasutamist reoveesetetest ja põletatud muda tuhast ning muudab taaskasutamise oluliselt ökonoomsemaks.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) on taastumatu ressurss, mida kasutatakse palju põllumajanduses väetisena ja paljudes tööstusharudes, kus fosfor on väärtuslik lisand (nt värvid, pesupesemisvahendid, leegiaeglustid, loomasööt). Reoveesetted, põletatud reoveesetete tuhk (ISSA), sõnnik ja piimatooted on rikkad fosfori poolest, mistõttu on need fosfori piiratud ressursi ja keskkonnaprobleemide seisukohast fosfori taaskasutamise allikaks.
Fosfori taaskasutamise määrad vedelatest reoveevoogudest võivad ulatuda 40–50% -ni, samas kui reoveesetete ja reoveesetete tuha taaskasutamise määrad võivad ulatuda kuni 90% -ni. Fosforit võib sadestada mitmel kujul, millest üks on struviit (hinnatud kvaliteetse, aeglaselt vabaneva väetisena). Selleks, et fosfori taasväärtustamine oleks ökonoomne, tuleb taastumisprotsessi parandada. Ultraheli on protsessi intensiivistav meetod, mis kiirendab protsessi ja suurendab taaskasutatud mineraalide saagist.
Ultraheli fosfori taastamine
Ultrahelitöötluse ajal võib jäätmevoogudest taaskasutada väärtuslikke materjale, nagu struviit (magneesiumammooniumfosfaat (MAP)), kaltsiumfosfaat, hüdroksüapatiit (HAP) / kaltsiumhüdroksüapatiit, oktakaltsiumfosfaat, trikaltsiumfosfaat ja dikaltsiumfosfaatdihüdraat. Ultraheli töötlemine parandab väärtuslike materjalide märg-keemilist ekstraheerimist, samuti sadestumist ja kristalliseerumist (sono-kristalliseerumist) reoveesetetest ja põletatud muda tuhast.
Kuigi fosfori (8-10%), raua (10-15%) ja alumiiniumi (5-10%) sisaldus monopõletatud reoveesetete tuhas on üsna kõrge, sisaldab see ka mürgiseid raskemetalle nagu plii, kaadmium, vask ja tsink.
Phopshoruse taastumine – Kaheastmeline protsess
-
- happe ekstraheerimine
Fosfori taaskasutamise esimene samm on fosfori ekstraheerimine või leostumine reoveesetetest või põletatud reoveesetete tuhast (ISSA), kasutades hapet, näiteks väävelhapet või vesinikkloriidhapet. Ultraheli segamine soodustab märg-keemilist leostumist, suurendades massiülekannet happe ja ISSA vahel, nii et fosfori täielik leostumine saavutatakse kiiresti. Ekstraheerimisprotseduuri parandamiseks võib kasutada etüleendiamiintetraatsetaathapet (EDTA) kasutavat eeltöötlemisetappi.
-
- Fosfori sadestumine
Ultraheli kristalliseerumine suurendab oluliselt fosfaatide sadestumist, suurendades külvipunkte ja kiirendades molekulide adsorptsiooni ja agregatsiooni kristallide moodustamiseks. Fosfori ultraheli sadestumist reovee uputusest ja ISSA-st on võimalik saavutada näiteks magneesiumhüdroksiidi ja ammooniumhüdroksiidi abil. Saadud sade on struviit, ühend, mis koosneb magneesiumist, ammooniumist, fosforist ja hapnikust.
Struviidi sonokristalliseerimine
Ultraheli hajutamine soodustab massiülekannet faaside vahel ja algatab fosfaatide tuumastumise ja kristallide kasvu (nt struviit / MAP).
Ultraheli inline sadestamine ja struviidi kristalliseerumine võimaldab töödelda suure mahuga trammid tööstuslikus mastaabis. Suure reoveesette voolu töötlemise probleemi saab lahendada pideva ultraheli protsessiga, mis kiirendab struviidi kristalliseerumist ja parandab kristallide suurust, tekitades väiksemaid, ühtlasemaid fosfaatosakesi. Sadestunud osakeste suurusjaotus määratakse tuuma ja sellele järgneva kristallide kasvukiirusega. Kiirenenud tuumastumine ja kasvu pidurdamine on võtmetegurid cristalline fosfaatosakeste, s.o struviidi, sadestumisel vesilahuses. Ultraheli on protsessi intensiivistav meetod, mis parandab segamist, et saada reaktiivsete ioonide homogeenne jaotus.
Ultraheli sademed annavad teadaolevalt kitsama osakeste suuruse jaotuse, väiksema kristalli suuruse, kontrollitava morfoloogia ja kiire tuumastumise kiiruse.
Sigade heitveest sadestunud struviidi kristallid (allikas: Kim et al. 2017)
Häid sademete tulemusi on võimalik saavutada näiteks PO-ga3-4 :NH+4 :Mg2+ vahekorras 1 : 3 : 4. PH vahemik 8 kuni 10 viib fosfaat P maksimaalse vabanemiseni
Ultraheli on väga tõhus protsessi intensiivistav tehnika, et soodustada väärtuslike materjalide, nagu kaltsiumfosfaat, magneesiumammooniumfosfaat (MAP) ja hüdroksüapatiit (HAP), kaltsiumhüdroksüapatiit, oktakaltsiumfosfaat, trikaltsiumfosfaat ja dikaltsiumfosfaatdihüdraat reoveest, sadestumist. Reoveesetted, sõnnik ja piimajäätmed on tuntud kui toitainerikas reovesi, mis sobib väärtuslike materjalide tootmiseks ultraheli abil sadestamise teel.
Struviidi kristallide moodustumine:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Suure võimsusega ultraheli protsessorid laborist piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Tööstuslikud ultraheli seadmed leostumiseks ja sadestamiseks
Suure jõudlusega ultraheli süsteemid ja reaktorid on vajalikud põletatud reoveesetete tuha (ISSA) ja reoveesetete töötlemiseks tööstuslikus mastaabis. Hielscher Ultrasonics on spetsialiseerunud suure võimsusega ultraheli seadmete projekteerimisele ja tootmisele – alates laborist ja pink-topist kuni täielikult tööstuslike üksusteni. Hielscheri ultrasonikaatorid on tugevad ja ehitatud 24/7 operatsiooni jaoks täiskoormusel nõudlikes keskkondades. Sellised tarvikud nagu erinevate geomeetriatega voolurakureaktorid, sonotroodid (ultraheli sondid) ja võimendussarved võimaldavad ultraheli süsteemi optimaalset kohandamist protsessi nõuetega. Suure mahuga voogude töötlemiseks pakub Hielscher 4kW, 10kW ja 16kW ultraheli ühikuid, mida saab hõlpsasti kombineerida paralleelselt ultraheli klastritega.
Hielscheri keerukatel ultrasonikaatoritel on digitaalne puutetundlik ekraan, mis võimaldab protsessi parameetrite hõlpsat kasutamist ja täpset juhtimist.
Kasutajasõbralikkus ja lihtne, ohutu kasutamine on Hielscheri ultrasonikaatorite põhijooned. Brauseri kaugjuhtimispult võimaldab ultraheli süsteemi toimimist ja juhtimist arvuti, nutitelefoni või tahvelarvuti kaudu.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Kirjandus / viited
- Dodds, Johannes A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; Taavet, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Ultraheli mõju kristalliseerumis-sadestumise protsessidele: mõned näited ja uus segregatsioonimudel. Osakeste ja osakeste süsteemide iseloomustus, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), lk.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): toitainete ekstraheerimine piimareoveest MAP (magneesiumammooniumfosfaat) ja HAP (hüdroksüapatiit) kujul. Rasayani keemiaajakiri, kd 9, nr 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): pH, molaarsuhete ja eeltöötluse mõju fosfori regenereerimisele struviidi kristalliseerumise kaudu sigade anaeroobselt lagundatud reovee heitveest. Keskkonnatehnika uuringud 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Aeglaselt vabaneva kristallväetise tootmine reoveest struviidi kristalliseerumise kaudu. Araabia. J. Chem. 7, 139–155.
Faktid, mida tasub teada
Kuidas ultraheli sademed töötavad?
Ultraheli mõjutab tuuma ja kristallide kasvu, protsessi, mida tuntakse kui sonokristalliseerimine.
Esiteks võimaldab ultraheli kasutamine mõjutada tuumastumise kiirust, kus vedelast lahusest moodustuvad tahked kristallid. Suure võimsusega ultraheli loob kavitatsiooni, mis on vaakummullide kasv ja implosioon vedelas keskkonnas. Vaakummullide implosioon toob süsteemi energiat ja vähendab kriitilist liigset vaba energiat. Seega alustatakse külvipunkte ja tuumamist suure kiirusega ja kõige varem. Kavitatsioonimulli ja lahuse vahelises liideses solvatakse lahustiga pool lahustunud molekulist, samas kui teine pool molekuli pinnast on kaetud kavitatsioonimulliga, nii et solvatsioonikiirus väheneb. Välditakse lahustunud molekuli uuesti lahustumist, samal ajal kui molekulide koagulatsioon lahuses suureneb.
Teiseks soodustab ultrahelitöötlus kristallide kasvu. Ultraheli segamine soodustab kristallide kasvu, õhutades molekulide massiülekannet ja agregatsiooni.
Ultrahelitöötlusega saavutatud tulemusi saab kontrollida ultrahelitöötluse režiimiga:
Pidev ultrahelitöötlus:
Lahuse pidev ultraheliravi tekitab palju tuumasid, nii et luuakse suur hulk väikesi kristalle
Impulss-ultrahelitöötlus:
Impulss-/ tsüklilise ultrahelitöötluse rakendamine võimaldab täpselt kontrollida kristallide suurust
Sonikatsioon tuuma alustamiseks:
Kui ultraheli rakendatakse ainult kristalliseerumisprotsessi alguses, moodustub piiratud arv tuumasid, mis seejärel kasvatatakse suuremaks.
Kasutades ultraheli kristalliseerumise ajal, saab kristallstruktuuride kasvukiirust, suurust ja kuju mõjutada ja kontrollida. Ultrahelitöötluse erinevad võimalused muudavad sonokristallisatsiooniprotsessid täpselt kontrollitavaks ja korratavaks.
ultraheli kavitatsioon
Kui suure intensiivsusega ultraheli läbib vedelat keskkonda, vahelduvad vedeliku kaudu kõrgsurve (kokkusurumine) ja madala rõhuga (haruldane) lained. Kui vedelikku läbiva ultraheli laine põhjustatud negatiivne rõhk on piisavalt suur, ületab vedeliku molekulide vaheline kaugus minimaalse molekulaarse kauguse, mis on vajalik vedeliku puutumata hoidmiseks, ja seejärel laguneb vedelik nii, et tekivad vaakummullid või tühimikud. Neid vaakummulle tuntakse ka kui Kavitatsioon Mullid.
Kavitatsioonimullid, mida kasutatakse võimsuse ultraheli rakendustes, näiteks segamises, Hajutamine, Freesimine, Kaevandamine jne esinevad ultraheli intensiivsuse korral, mis on suurem kui 10 Wcm2. Kavitatsioonimullid kasvavad mitme akustilise madalrõhu / kõrgsurve tsükli jooksul, kuni nad jõuavad dimensiooni, kus nad ei suuda rohkem energiat absorbeerida. Kui kavitatsioonimull on saavutanud oma maksimaalse suuruse, implodeerub see tihendustsükli ajal ägedalt. Mööduva kavitatsioonimulli vägivaldsed kokkukukkumised tekitavad äärmuslikke tingimusi, nagu väga kõrged temperatuurid ja rõhud, väga kõrged rõhu- ja temperatuurierinevused ning vedelikujoad. Need jõud on ultraheli rakendustes kasutatavate keemiliste ja mehaaniliste mõjude allikas. Iga kokkuvarisevat mulli võib pidada mikroreaktoriks, milles hetkega tekivad mitme tuhande kraadi temperatuurid ja tuhandest atmosfäärist kõrgemad rõhud [Suslick et al 1986].
Ultraheli ekstraheerimine põhineb akustilisel kavitatsioonil ja selle hüdrodünaamilistel nihkejõududel
fosfor
Fosfor on oluline, mittetaastuv ressurss ja eksperdid ennustavad juba, et maailm tabab “fosfori piik”, st aeg, millest alates pakkumine ei suuda enam rahuldada suurenenud nõudlust ligikaudu 20 aasta pärast. Euroopa Komisjon on juba liigitanud fosfori kriitilise tähtsusega tooraineks.
Reoveesetet kasutatakse sageli põldudel leviva väetisena. Kuna aga reoveesetted ei sisalda mitte ainult väärtuslikku fosfaati, vaid ka kahjulikke raskemetalle ja orgaanilisi saasteaineid, piiravad paljud riigid, näiteks Saksamaa, õigusaktidega, kui palju reoveesetteid võib väetisena kasutada. Paljudes riikides, näiteks Saksamaal, on ranged väetiseeeskirjad, mis piiravad rangelt raskmetallidega saastumist. Kuna fosfor on piiratud ressurss, nõuab Saksamaa 2017. aasta reoveesetete määrus reoveepuhastite käitajatelt fosfaatide ringlussevõttu.
Fosforit saab taaskasutada nii reoveest, reoveesetetest kui ka põletatud reoveesetete tuhast.
fosfaat
Anorgaaniline kemikaal fosfaat on fosforhappe sool. Anorgaanilisi fosfaate kaevandatakse fosfori saamiseks põllumajanduses ja tööstuses kasutamiseks. Orgaanilises keemias on fosfaat või orgaaniline fosfaat fosforhappe ester.
Ärge ajage fosfori nimetust segamini elemendiga fosfor (keemiline sümbol P). Need on kaks erinevat asja. Lämmastikurühma mitmevalentne mittemetall, fosfor, leidub tavaliselt anorgaanilistes fosfaatkivimites.
Orgaanilised fosfaadid on biokeemias ja biogeokeemias olulised.
Fosfaat on iooni PO nimi43-. Fosforhape seevastu on triprotiinhappe H3PO3 nimetus. See on 3 H kombinatsioon+ ioonid ja üks fosfit (PO33-) ioon.
Fosfor on keemiline element, millel on sümbol P ja järjenumber 15. Fosforiühendeid kasutatakse laialdaselt ka lõhkeainetes, närvimürkides, hõõrdemängudes, ilutulestikes, pestitsiidides, hambapastas ja detergentides.
struviit
Struviit, mida nimetatakse ka magneesiumammooniumfosfaadiks (MAP), on fosfaatmineraal keemilise valemiga NH4MgPO4·6H2O. Struviit kristalliseerub ortorombilises süsteemis valgete kuni kollakate või pruunikasvalgete püramiidkristallidena või platletitaolistes vormides. Pehme mineraalina on struviidi Mohsi kõvadus 1, 5 kuni 2 ja madal erikaal 1, 7. Neutraalsetes ja leeliselistes tingimustes on struviit vaevalt lahustuv, kuid seda saab happes kergesti lahustada. Struviidi kristallid moodustuvad siis, kui reovees on magneesiumi, ammoniaagi ja fosfaadi mooli ja mooli suhe (1:1:1). Kõik kolm elementi – magneesium, ammoniaak ja fosfaat – esinevad tavaliselt reovees: magneesium, mis pärineb peamiselt pinnasest, mereveest ja joogiveest, ammoniaak lagundatakse reovees olevast karbamiidist ning toidust, seepidest ja pesuvahenditest reovette tulev fosfaat. Kui need kolm elementi on olemas, moodustub struviit tõenäolisemalt kõrgematel pH väärtustel, suuremal juhtivusel, madalamatel temperatuuridel ja magneesiumi, ammoniaagi ja fosfaadi kõrgematel kontsentratsioonidel. Fosfori taaskasutamine reoveevooludest struviidina ja nende toitainete ringlussevõtt põllumajanduses väetisena on paljulubav.
Struviit on väärtuslik aeglaselt vabanev mineraalväetis, mida kasutatakse põllumajanduses ja mille eeliseks on teralisus, lihtne kasutamine ja lõhnavaba.