بازیابی فراصوتی فسفر از لجن فاضلاب
- تقاضای جهانی برای فسفر در حال افزایش است، در حالی که منابع طبیعی تأمین فسفر رو به کاهش‌اند.
- لجن فاضلاب و خاکستر لجن فاضلاب سرشار از فسفر هستند و بنابراین می‌توان از آن‌ها به‌عنوان منبعی برای بازیابی فسفر استفاده کرد.
- فرآوری شیمیایی تر و رسوب‌دهی به کمک فراصوت، بازیابی فسفات از لجن فاضلاب و همچنین خاکستر حاصل از سوزاندن لجن را بهبود می‌بخشد و بازیابی را به‌طور چشمگیری اقتصادی‌تر می‌کند.
فسفر
فسفر (phosphor، P) منبعی تجدیدناپذیر است که به‌طور گسترده در کشاورزی به‌عنوان کود و همچنین در بسیاری از صنایع به‌عنوان افزودنی ارزشمند استفاده می‌شود؛ از جمله در رنگ‌ها، شوینده‌های لباس، مواد بازدارنده شعله و خوراک دام. لجن فاضلاب، خاکستر حاصل از سوزاندن لجن فاضلاب (ISSA)، کود دامی و پساب‌های صنایع لبنی سرشار از فسفر هستند. با توجه به محدود بودن منابع فسفر و نیز ملاحظات زیست‌محیطی، این مواد منبعی برای بازیابی فسفر به شمار می‌روند.
نرخ بازیابی فسفر از جریان‌های مایع فاضلاب می‌تواند به 40 تا 50% برسد، در حالی که نرخ بازیابی از لجن فاضلاب و خاکستر لجن فاضلاب می‌تواند تا 90% باشد. فسفر را می‌توان به شکل‌های گوناگون رسوب داد که یکی از آن‌ها استروویت است؛ ماده‌ای که به‌عنوان کود آهسته‌رهش باکیفیت ارزشمند است. برای اقتصادی شدن بازیابی فسفر، فرایند بازیابی باید بهبود یابد. فراصوت‌دهی روشی برای تشدید فرایند است که آن را تسریع می‌کند و بازده بازیابی مواد معدنی را افزایش می‌دهد.
بازیابی فراصوتی فسفر
با فراصوت‌دهی می‌توان مواد ارزشمندی مانند استروویت (فسفات آمونیوم منیزیم (MAP))، فسفات کلسیم، هیدروکسی‌آپاتیت (HAP) / هیدروکسی‌آپاتیت کلسیم، اکتاکلسیم فسفات، تری‌کلسیم فسفات و دی‌کلسیم فسفات دی‌هیدرات را از جریان‌های پسماند بازیابی کرد. تیمار فراصوتی، استخراج شیمیایی تر و همچنین رسوب‌دهی و تبلور (تبلور فراصوتی) مواد ارزشمند از لجن فاضلاب و خاکستر حاصل از سوزاندن لجن را بهبود می‌بخشد.
اگرچه میزان فسفر (8-10%)، آهن (10-15%) و آلومینیوم (5-10%) در خاکستر حاصل از سوزاندن مستقل لجن فاضلاب نسبتاً بالاست، این خاکستر حاوی فلزات سنگین سمی مانند سرب، کادمیم، مس و روی نیز هست.
بازیابی فسفر – فرایندی دومرحله‌ای
-
- استخراج اسیدی
نخستین مرحله بازیابی فسفر، استخراج یا آبشویی فسفر از لجن فاضلاب یا خاکستر حاصل از سوزاندن لجن فاضلاب (ISSA) با استفاده از اسیدی مانند اسید سولفوریک یا اسید هیدروکلریک است. اختلاط فراصوتی با افزایش انتقال جرم بین اسید و ISSA، آبشویی شیمیایی تر را تقویت می‌کند تا آبشویی کامل فسفر به‌سرعت انجام شود. برای بهبود روش استخراج می‌توان از یک مرحله پیش‌تیمار با اتیلن‌دی‌آمین‌تترااستیک اسید (EDTA) استفاده کرد.
-
- رسوب‌دهی فسفر
تبلور فراصوتی با افزایش نقاط بذرگذاری و تسریع جذب سطحی و تجمع مولکول‌ها برای تشکیل بلور، رسوب‌دهی فسفات‌ها را به‌طور چشمگیری تقویت می‌کند. رسوب‌دهی فراصوتی فسفر از لجن فاضلاب و ISSA را می‌توان، برای مثال، با استفاده از هیدروکسید منیزیم و هیدروکسید آمونیوم انجام داد. رسوب حاصل، استروویت است؛ ترکیبی متشکل از منیزیم، آمونیوم، فسفر و اکسیژن.
تبلور فراصوتی استروویت
پراکنش فراصوتی، انتقال جرم بین فازها را تقویت می‌کند و هسته‌زایی و رشد بلور فسفات‌ها، مانند استروویت / MAP، را آغاز می‌کند.
رسوب‌دهی و تبلور فراصوتی درون‌خطی استروویت، تیمار جریان‌های حجیم را در مقیاس صنعتی امکان‌پذیر می‌کند. مسئله پردازش جریان حجیم لجن فاضلاب را می‌توان با یک فرایند فراصوتی پیوسته حل کرد که تبلور استروویت را تسریع می‌کند و با تولید ذرات فسفات کوچک‌تر و یکنواخت‌تر، اندازه بلورها را بهبود می‌بخشد. توزیع اندازه ذرات رسوب‌کرده را نرخ هسته‌زایی و نرخ رشد بعدی بلورها تعیین می‌کند. هسته‌زایی تسریع‌شده و رشد مهارشده، عوامل کلیدی رسوب‌دهی ذرات بلوری فسفات، یعنی استروویت، در محلول آبی هستند. فراصوت‌دهی روشی برای تشدید فرایند است که اختلاط را بهبود می‌بخشد تا توزیعی همگن از یون‌های واکنش‌پذیر حاصل شود.
رسوب‌دهی فراصوتی به ایجاد توزیع باریک‌تر اندازه ذرات، اندازه بلور کوچک‌تر، ریخت‌شناسی قابل‌کنترل و همچنین نرخ بالای هسته‌زایی شناخته می‌شود.
بلورهای استروویت رسوب‌داده‌شده از پساب پرورش خوک (منبع: Kim et al. 2017)
برای مثال، با ترکیب زیر می‌توان به نتایج مطلوبی در رسوب‌دهی دست یافت: PO3-4 : NH+4 : Mg2+ با نسبت 1 : 3 : 4. محدوده pH از 8 تا 10 به بیشترین آزادسازی فسفر فسفاتی P منجر می‌شود.
فراصوت‌دهی روشی بسیار کارآمد برای تشدید فرایند است که رسوب‌دهی مواد ارزشمندی مانند فسفات کلسیم، فسفات آمونیوم منیزیم (MAP) و هیدروکسی‌آپاتیت (HAP)، هیدروکسی‌آپاتیت کلسیم، اکتاکلسیم فسفات، تری‌کلسیم فسفات و دی‌کلسیم فسفات دی‌هیدرات از فاضلاب را تقویت می‌کند. لجن فاضلاب، کود دامی و پساب‌های صنایع لبنی به‌عنوان فاضلاب‌های غنی از مواد مغذی شناخته می‌شوند که برای تولید مواد ارزشمند از طریق رسوب‌دهی به کمک فراصوت مناسب‌اند.
تشکیل بلور استروویت:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان، از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی.
تجهیزات فراصوتی صنعتی برای آبشویی و رسوب‌دهی
برای تیمار خاکستر حاصل از سوزاندن لجن فاضلاب (ISSA) و لجن فاضلاب در مقیاس صنعتی، به سامانه‌ها و راکتورهای فراصوتی پربازده نیاز است. Hielscher Ultrasonics در طراحی و ساخت تجهیزات فراصوتی پرتوان تخصص دارد – از دستگاه‌های آزمایشگاهی و رومیزی تا واحدهای کاملاً صنعتی. سونیکاتورهای Hielscher مقاوم هستند و برای کارکرد 24/7 با بار کامل در محیط‌های دشوار ساخته شده‌اند. تجهیزات جانبی مانند راکتورهای سلول جریان با هندسه‌های گوناگون، سونوتْرودها (پروب‌های فراصوتی) و هورن‌های تقویت‌کننده، انطباق بهینه سامانه فراصوتی با الزامات فرایند را امکان‌پذیر می‌کنند. برای پردازش جریان‌های حجیم، Hielscher واحدهای فراصوتی 4kW، 10kW و 16kW ارائه می‌دهد که می‌توان آن‌ها را به‌آسانی به‌صورت موازی در مجموعه‌های فراصوتی ترکیب کرد.
سونیکاتورهای پیشرفته Hielscher برای کاربری آسان و کنترل دقیق پارامترهای فرایند، به نمایشگر لمسی دیجیتال مجهز هستند.
کاربرپسندی و کاربری آسان و ایمن از ویژگی‌های اصلی سونیکاتورهای Hielscher است. کنترل از راه دور از طریق مرورگر، راهبری و کنترل سامانه فراصوتی را با رایانه شخصی، تلفن هوشمند یا تبلت امکان‌پذیر می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع و مراجع
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): The effect of ultrasound on crystallisation-precipitation processes: Some examples and a new segregation model. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extraction of Nutrients from Dairy Wastewater in the Form of MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) and HAP (Hydroxyapatite). 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): Effects of pH, molar ratios and pre-treatment on phosphorus recovery through struvite crystallization from effluent of anaerobically digested swine wastewater. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Production of slow release crystal fertilizer from wastewaters through struvite crystallization. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
دانستنی‌های مفید
رسوب‌دهی فراصوتی چگونه عمل می‌کند؟
فراصوت‌دهی بر هسته‌زایی و رشد بلور تأثیر می‌گذارد؛ فرایندی موسوم به تبلور فراصوتی.
نخست، استفاده از فراصوت امکان تأثیرگذاری بر نرخ هسته‌زایی را فراهم می‌کند؛ فرایندی که طی آن بلورهای جامد از یک محلول مایع تشکیل می‌شوند. فراصوت پرتوان کاویتاسیون ایجاد می‌کند که عبارت است از رشد و فروپاشی حباب‌های خلأ در یک محیط مایع. فروپاشی حباب‌های خلأ، انرژی را وارد سامانه می‌کند و انرژی آزاد اضافی بحرانی را کاهش می‌دهد. به این ترتیب، ایجاد نقاط بذرگذاری و هسته‌زایی با نرخ بالا و در زودترین زمان آغاز می‌شود. در سطح مشترک حباب کاویتاسیون و محلول، نیمی از یک مولکول حل‌شونده به‌وسیله حلال حلال‌پوشی می‌شود، در حالی که نیم دیگر سطح مولکول را حباب کاویتاسیون می‌پوشاند؛ در نتیجه نرخ حلال‌پوشی کاهش می‌یابد. از انحلال مجدد مولکول حل‌شونده جلوگیری می‌شود، در حالی که انعقاد مولکول‌ها در محلول افزایش می‌یابد.
دوم، فراصوت‌دهی رشد بلور را تقویت می‌کند. اختلاط فراصوتی با افزایش انتقال جرم و تجمع مولکول‌ها، رشد بلورها را تقویت می‌کند.
نتایج حاصل از فراصوت‌دهی را می‌توان با انتخاب حالت فراصوت‌دهی کنترل کرد:
فراصوت‌دهی پیوسته:
تیمار فراصوتی پیوسته محلول، محل‌های هسته‌زایی فراوانی ایجاد می‌کند و در نتیجه تعداد زیادی بلور کوچک تشکیل می‌شود
فراصوت‌دهی پالسی:
استفاده از فراصوت‌دهی پالسی / چرخه‌ای، کنترل دقیق اندازه بلور را امکان‌پذیر می‌کند
فراصوت‌دهی برای آغاز هسته‌زایی:
هنگامی که فراصوت فقط در ابتدای فرایند تبلور اعمال شود، تعداد محدودی هسته تشکیل می‌شود که سپس رشد می‌کنند و به اندازه بزرگ‌تری می‌رسند.
با استفاده از فراصوت‌دهی در طول تبلور می‌توان بر نرخ رشد، اندازه و شکل ساختارهای بلوری تأثیر گذاشت و آن‌ها را کنترل کرد. گزینه‌های گوناگون فراصوت‌دهی، فرایندهای تبلور فراصوتی را به‌طور دقیق قابل‌کنترل و تکرارپذیر می‌کنند.
کاویتاسیون فراصوتی
هنگامی که فراصوت با شدت بالا از یک محیط مایع عبور می‌کند، امواج پرفشار (تراکم) و کم‌فشار (انبساط) به‌تناوب در مایع منتشر می‌شوند. اگر فشار منفی ناشی از عبور موج فراصوت از مایع به‌اندازه کافی بزرگ باشد، فاصله بین مولکول‌های مایع از حداقل فاصله مولکولی لازم برای حفظ یکپارچگی مایع فراتر می‌رود و سپس پیوستگی مایع گسیخته می‌شود، به‌طوری که حباب‌های خلأ یا حفره‌ها به وجود می‌آیند. این حباب‌های خلأ همچنین با نام حباب‌های کاویتاسیون شناخته می‌شوند.
حباب‌های کاویتاسیون مورد استفاده در کاربردهای فراصوت پرتوان مانند اختلاط، پراکنش, آسیاب‌کاری, استخراج و غیره، در شدت‌های فراصوت بالاتر از 10 Wcm2 ایجاد می‌شوند. حباب‌های کاویتاسیون طی چندین چرخه صوتی کم‌فشار / پرفشار رشد می‌کنند تا به ابعادی برسند که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. هنگامی که یک حباب کاویتاسیون به بیشترین اندازه خود می‌رسد، در طی یک چرخه تراکم به‌شدت فرو می‌پاشد. فروپاشی شدید یک حباب کاویتاسیون گذرا، شرایط حدی مانند دماها و فشارهای بسیار بالا، اختلاف‌های بسیار زیاد فشار و دما و جت‌های مایع ایجاد می‌کند. این نیروها منشأ اثرات شیمیایی و مکانیکی مورد استفاده در کاربردهای فراصوتی هستند. هر حباب در حال فروپاشی را می‌توان یک میکروراکتور در نظر گرفت که در آن، دماهای چندین هزار درجه و فشارهای بالاتر از هزار اتمسفر به‌صورت آنی ایجاد می‌شوند [Suslick et al 1986].
استخراج فراصوتی بر کاویتاسیون صوتی و نیروهای برشی هیدرودینامیکی آن استوار است
فسفر
فسفر منبعی ضروری و احیاناپذیر است و کارشناسان از هم‌اکنون پیش‌بینی می‌کنند که جهان تقریباً طی 20 سال به «اوج فسفر» برسد؛ یعنی زمانی که از آن به بعد عرضه دیگر نتواند پاسخ‌گوی تقاضای افزایش‌یافته باشد. کمیسیون اروپا پیش‌تر فسفر را در رده مواد خام حیاتی طبقه‌بندی کرده است.
لجن فاضلاب اغلب به‌عنوان کود در مزارع پخش می‌شود. با این حال، از آنجا که لجن فاضلاب علاوه بر فسفات ارزشمند، حاوی فلزات سنگین زیان‌آور و آلاینده‌های آلی نیز هست، بسیاری از کشورها مانند آلمان با وضع قانون، میزان مصرف لجن فاضلاب به‌عنوان کود را محدود می‌کنند. بسیاری از کشورها مانند آلمان مقررات سخت‌گیرانه‌ای درباره کودها دارند که آلودگی به فلزات سنگین را به‌شدت محدود می‌کند. از آنجا که فسفر منبعی محدود است، مقررات لجن فاضلاب آلمان از سال 2017، بهره‌برداران تصفیه‌خانه‌های فاضلاب را ملزم به بازیافت فسفات‌ها می‌کند.
فسفر را می‌توان از فاضلاب، لجن فاضلاب و همچنین خاکستر حاصل از سوزاندن لجن فاضلاب بازیابی کرد.
فسفات
فسفات، که یک ماده شیمیایی معدنی است، نمک اسید فسفریک محسوب می‌شود. فسفات‌های معدنی برای به دست آوردن فسفر مورد استفاده در کشاورزی و صنعت، از معادن استخراج می‌شوند. در شیمی آلی، فسفات یا ارگانوفسفات، استر اسید فسفریک است.
نام phosphorous را با عنصر فسفر، phosphorus (با نماد شیمیایی P)، اشتباه نگیرید. این دو متفاوت‌اند. فسفر، نافلزی چندظرفیتی از گروه نیتروژن، معمولاً در سنگ‌های فسفاتی معدنی یافت می‌شود.
فسفات‌های آلی در زیست‌شیمی و زیست‌زمین‌شیمی اهمیت دارند.
فسفات نام یون PO43- است. در مقابل، اسید فسفرو نام اسید سه‌پروتونی H3PO3 است. این اسید ترکیبی است از 3 یون H+ و یک یون فسفیت (PO33-).
فسفر عنصر شیمیایی با نماد P و عدد اتمی 15 است. ترکیبات فسفر همچنین به‌طور گسترده در مواد منفجره، عوامل اعصاب، کبریت‌های اصطکاکی، مواد آتش‌بازی، آفت‌کش‌ها، خمیردندان و شوینده‌ها استفاده می‌شوند.
استروویت
استروویت، که فسفات آمونیوم منیزیم (MAP) نیز نامیده می‌شود، یک کانی فسفاتی با فرمول شیمیایی NH4MgPO4·6H2O است. استروویت در دستگاه بلوری اورتورومبیک به شکل بلورهای هرمی سفید تا زردفام یا سفید مایل به قهوه‌ای، یا به شکل‌های صفحه‌مانند متبلور می‌شود. استروویت کانی نرمی است که سختی موس آن 1٫5 تا 2 و چگالی نسبی پایین آن 1٫7 است. استروویت در شرایط خنثی و قلیایی به‌سختی حل می‌شود، اما به‌آسانی در اسید حل می‌شود. بلورهای استروویت زمانی تشکیل می‌شوند که منیزیم، آمونیاک و فسفات در فاضلاب با نسبت مولی (1:1:1) حضور داشته باشند. هر سه عنصر – منیزیم، آمونیاک و فسفات – معمولاً در فاضلاب وجود دارند: منیزیم عمدتاً از خاک، آب دریا و آب آشامیدنی وارد می‌شود، آمونیاک از تجزیه اوره موجود در فاضلاب حاصل می‌شود و فسفات از مواد غذایی، صابون‌ها و شوینده‌ها به فاضلاب راه می‌یابد. در حضور این سه عنصر، تشکیل استروویت در مقادیر بالاتر pH، رسانایی بیشتر، دماهای پایین‌تر و غلظت‌های بالاتر منیزیم، آمونیاک و فسفات محتمل‌تر است. بازیابی فسفر از جریان‌های فاضلاب به شکل استروویت و بازیافت این مواد مغذی به‌عنوان کود کشاورزی، نویدبخش است.
استروویت یک کود معدنی آهسته‌رهش ارزشمند مورد استفاده در کشاورزی است که از مزایای دانه‌ای بودن، سهولت مصرف و بی‌بو بودن برخوردار است.