Technologie des ultrasons Hielscher

Récupération de phosphore par ultrasons à partir des boues d'épuration

  • La demande mondiale de phosphore augmente, tandis que l'offre de ressources naturelles en phosphore se raréfie.
  • Les boues d'épuration et les cendres de boues d'épuration sont riches en phosphore et peuvent donc être utilisées comme source pour récupérer le phosphore.
  • Le traitement chimique par voie humide et la précipitation par ultrasons améliorent la récupération du phosphate des boues d'épuration ainsi que des cendres des boues incinérées et rendent la récupération beaucoup plus économique.

phosphore

Les boues d'épuration sont riches en phosphore. L'extraction et la précipitation par ultrasons intensifient le processus de récupération du phosphore.Le phosphore (phosphore, P) est une ressource non renouvelable qui est fortement utilisée en agriculture comme engrais ainsi que dans de nombreuses industries, où le phosphore est un additif précieux (p. ex. peintures, détergents à lessive, retardateurs de flamme, aliments pour animaux). Les boues d'épuration, les cendres de boues d'épuration incinérées (ISSA), le fumier et les effluents laitiers sont riches en phosphore, ce qui en fait une source de récupération du phosphore en ce qui a trait aux ressources limitées en phosphore et aux préoccupations environnementales.
Les taux de récupération du phosphore des eaux usées liquides peuvent atteindre 40 à 50 %, tandis que les taux de récupération des boues d'épuration et des cendres de boues d'épuration peuvent atteindre jusqu'à 90 %. Le phosphore peut être précipité sous de nombreuses formes, l'une d'entre elles étant la struvite (appréciée comme un engrais de haute qualité à libération lente). Afin de rendre la récupération du phosphore économique, le processus de récupération doit être amélioré. L'ultrasonisation est une méthode d'intensification du processus qui accélère le processus et augmente le rendement des minéraux récupérés.

Récupération du phosphore par ultrasons

La sonication intensifie le traitement chimique par voie humide et les précipitations pendant la récupération du phosphore des boues d'épuration.Dans le cadre de la sonication, des matériaux précieux tels que la struvite (phosphate de magnésium et d'ammonium (MAP)), le phosphate de calcium, l'hydroxyapatite (HAP) / hydroxyapatite de calcium, le phosphate octacalcique, le phosphate tricalcique et le phosphate dicalcique dihydraté peuvent être récupérés des flux de déchets. Le traitement par ultrasons améliore l'extraction chimique par voie humide ainsi que la précipitation et la cristallisation (sono-crystallisation) de matériaux précieux provenant des boues d'épuration et des cendres des boues incinérées.
Bien que la teneur en phosphore (8-10 %), en fer (10-15 %) et en aluminium (5-10 %) des cendres des boues d'épuration mono-incinérées soit assez élevée, elle contient également des métaux lourds toxiques comme le plomb, le cadmium, le cuivre et le zinc.

Digesteur anaérobie au biogaz

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Récupération du phopshorus – Un processus en deux étapes

  1. extraction acide
  2. La première étape de la récupération du phosphore est l'extraction ou la lixiviation du phosphore des boues d'épuration ou des cendres de boues d'épuration incinérées (ISSA) au moyen d'un acide comme l'acide sulfurique ou l'acide chlorhydrique. Le mélange par ultrasons favorise la lixiviation chimique par voie humide en augmentant le transfert de masse entre l'acide et l'AISS de sorte qu'une lixiviation complète du phosphore soit obtenue rapidement. Une étape de prétraitement à l'acide éthylènediaminetétraacétatique (EDTA) peut être utilisée pour améliorer la procédure d'extraction.

  3. Précipitation du phosphore
  4. La cristallisation par ultrasons améliore considérablement la précipitation des phosphates en augmentant les points d'ensemencement et en accélérant l'adsorption et l'agrégation des molécules afin de former un cristal. La précipitation ultrasonique du phosphore des eaux usées et de l'AISS peut être obtenue, par exemple, en utilisant de l'hydroxyde de magnésium et de l'hydroxyde d'ammonium. Le précipité qui en résulte est la struvite, un composé constitué de magnésium, d'ammonium, de phosphore et d'oxygène.

Sonocristallisation de Struvite

La dispersion ultrasonique favorise le transfert de masse entre les phases et amorce la nucléation et la croissance cristalline des phosphates (p. ex. struvite / MAP).
La précipitation en ligne par ultrasons et la cristallisation de la struvite permettent le traitement de grands volumes de strams à l'échelle industrielle. La question du traitement d'un grand flux de boues d'épuration peut être résolue par un procédé ultrasonique continu, qui accélère la cristallisation de la struvite et améliore la taille des cristaux en produisant des particules de phosphate plus petites et plus uniformes. La distribution granulométrique des particules précipitées est déterminée par le taux de nucléation et le taux de croissance cristalline qui en résulte. Une nucléation accélérée et une croissance inhibée sont les facteurs clés pour la précipitation des particules de phosphate cristallin, c'est-à-dire la struvite, dans une solution aqueuse. L'ultrasonisation est une méthode d'intensification de procédé qui améliore le mélange afin d'obtenir une distribution homogène des ions réactifs.
La précipitation ultrasonique est connue pour donner une distribution granulométrique plus étroite, une taille de cristal plus petite, une morphologie contrôlable et un taux de nucléation plus rapide.

Les cristaux de struvite peuvent être précipités à partir des boues d'épuration. La sonication améliore le processus de récupération.

Cristaux de struvite précipités de l'effluent porcin (source : Kim et al. 2017)

De bons résultats de précipitation peuvent être obtenus par exemple avec PO3-4 : NH+4 : Mg2+ La plage de pH de 8 à 10 conduit à une libération maximale de phosphate P

L'ultrasonication est une technique d'intensification de procédé très efficace pour favoriser la précipitation de matériaux précieux tels que le phosphate de calcium, le phosphate de magnésium et d'ammonium (MAP) et l'hydroxyapatite (HAP), l'hydroxyapatite de calcium, le phosphate octacalcique, le phosphate tricalcique et le phosphate bicalcique dihydrate des eaux usées. Les boues d'épuration, le fumier et les effluents laitiers sont connus sous le nom d'eaux usées riches en nutriments, qui conviennent à la production de matières précieuses par précipitation assistée par ultrasons.

Formation de cristaux de struvite :
mg2+ + NH+4 HPO + HPO2-4 H +2la –MgNH > MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+

Hielscher Ultrasons fabrique des ultrasons de haute performance pour des applications sonochimiques.

Des processeurs à ultrasons de haute puissance, du laboratoire au pilote et à l'échelle industrielle.

Équipement industriel à ultrasons pour la lixiviation et la précipitation

Cellule de mesure UIP4000hdT pour la sonication en ligne à l'échelle industrielleDes systèmes et réacteurs à ultrasons à haute performance sont nécessaires pour traiter les cendres de boues d'épuration incinérées (ISSA) et les boues d'épuration à l'échelle industrielle. Hielscher Ultrasons est spécialisée dans la conception et la fabrication d'équipements ultrasoniques de haute puissance. – du laboratoire et de la paillasse à l'unité industrielle complète. Les ultrasons Hielscher sont robustes et conçus pour fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à pleine charge dans des environnements exigeants. Des accessoires tels que des réacteurs à cellules d'écoulement de géométries différentes, des sonotrodes (sondes ultrasonores) et des klaxons de surpression permettent l'adaptation optimale du système ultrasonore aux exigences du procédé. Pour le traitement de flux de grand volume, Hielscher propose des unités ultrasoniques de 4kW, 10kW et 16kW, qui peuvent être facilement combinées en parallèle à des clusters ultrasoniques.
Les ultrasons sophistiqués de Hielscher sont équipés d'un écran tactile numérique pour une utilisation facile et un contrôle précis des paramètres du processus.
La convivialité et une utilisation simple et sûre sont les caractéristiques principales des ultrasons Hielscher. La commande à distance du navigateur permet le fonctionnement et la commande du système à ultrasons par PC, téléphone intelligent ou tablette.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

lot Volume Débit Appareils recommandés
10 à 2000mL 20 à 400 ml / min UP200Ht, UP400St
0.1 20L 00,2 à 4L / min UIP2000hdT
10 à 100l 2 à 10 L / min UIP4000hdT
n / a. 10 à 100 litres / min UIP16000
n / a. plus grand groupe de UIP16000

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Littérature / Références

  • Dodds, John A. ; Espitalier, Fabienne ; Louisnard, Olivier ; Grossier, Romain ; David, René ; Hassoun, Myriam ; Baillon, Fabien ; Gatumel, Cendrine ; Lyczko, Nathalie (2007) : L'effet des ultrasons sur les processus de cristallisation-précipitation : Quelques exemples et un nouveau modèle de ségrégation. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
  • Kharbanda, A. ; Prasanna, K. (2016) : Extraction d'éléments nutritifs des eaux usées laitières sous forme de MAP (phosphate de magnésium et d'ammonium) et de 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) : Effets du pH, des rapports molaires et du prétraitement sur la récupération du phosphore par cristallisation de struvite à partir des effluents d'eaux usées porcines digérées en anaérobiose. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
  • Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014) : Production d'engrais cristallin à libération lente à partir des eaux usées par cristallisation de struvite. Arabe. J. Chem. 7, 139–155.


Qu'il faut savoir

Comment fonctionne la précipitation ultrasonique ?

Les ultrasons ont un impact sur la nucléation et la croissance cristalline, un processus connu sous le nom de sonocristallisation.
Tout d'abord, l'application des ultrasons permet d'influencer le taux de nucléation, où des cristaux solides se forment à partir d'une solution liquide. Les ultrasons de haute puissance créent la cavitation, c'est-à-dire la croissance et l'implosion des bulles de vide dans un milieu liquide. L'implosion des bulles de vide introduit de l'énergie dans le système et réduit l'excès critique d'énergie libre. Ainsi, les points d'ensemencement et la nucléation sont initiés à un rythme élevé et le plus tôt possible. A l'interface entre la bulle de cavitation et la solution, la moitié d'une molécule de soluté est solvatée par le solvant, tandis que l'autre moitié de la surface de la molécule est couverte par la bulle de cavitation, de sorte que le taux de solvatation est diminué. La redissolution de la molécule du soluté est empêchée, tandis que la coagulation des molécules dans la solution est augmentée.
Deuxièmement, la sonication favorise la croissance des cristaux. Le mélange par ultrasons favorise la croissance des cristaux en augmentant le transfert de masse et l'agrégation des molécules.
Les résultats obtenus par sonication peuvent être contrôlés par le mode sonication :
Sonication continue:
Le traitement ultrasonique continu de la solution produit de nombreux sites de nucléation, de sorte qu'un grand nombre de petits cristaux sont créés.
Sonication pulsée :
L'application de la sonication pulsée / cyclique permet un contrôle précis de la taille des cristaux.
Sonication pour initier la nucléation :
Lorsque les ultrasons ne sont appliqués qu'au début du processus de cristallisation, un nombre fini de noyaux se forment, qui sont ensuite cultivés à une taille plus grande.

L'utilisation des ultrasons pendant la cristallisation permet d'influencer et de contrôler la vitesse de croissance, la taille et la forme des structures cristallines. Les différentes options de sonication rendent les processus de cristallisation sono contrôlables et reproductibles avec précision.

cavitation à ultrasons

Lorsque des ultrasons de haute intensité traversent un liquide moyen, des ondes de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction) alternent dans le liquide. Lorsque la pression négative causée par une onde ultrasonore traversant un liquide est suffisamment importante, la distance entre les molécules du liquide dépasse la distance moléculaire minimale requise pour maintenir le liquide intact, puis le liquide se décompose de sorte que des bulles ou des vides sous vide se forment. Ces bulles de vide sont aussi connues sous le nom de cavitation des bulles.
Bulles de cavitation utilisées pour les applications ultrasoniques de puissance telles que le mélange, Dispersion, fraisage, Extraction etc. se produisent sous des intensités d'ultrasons supérieures à 10 Wcm2. Les bulles de cavitation se développent sur plusieurs cycles acoustiques basse pression / haute pression jusqu'à ce qu'elles atteignent une dimension où elles ne peuvent plus absorber d'énergie. Lorsqu'une bulle de cavitation a atteint sa taille maximale, elle implose violemment pendant un cycle de compression. L'effondrement violent d'une bulle de cavitation transitoire crée des conditions extrêmes telles que des températures et des pressions très élevées, des différences de pression et de température très élevées et des jets liquides. Ces forces sont à l'origine des effets chimiques et mécaniques utilisés dans les applications ultrasonores. Chaque bulle qui s'effondre peut être considérée comme un microréacteur dans lequel des températures de plusieurs milliers de degrés et des pressions supérieures à mille atmosphères sont créées instantanément[Suslick et al 1986].

La cavitation ultrasonore / acoustique crée des forces très intenses qui ouvrent les parois cellulaires connues sous le nom de lyse (Cliquez pour agrandir !)

L'extraction par ultrasons est basée sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques.

phosphore

Le phosphore est une ressource essentielle et non régénérable et les experts prédisent déjà que le monde entier sera touché “pic luminophore”C'est-à-dire le moment à partir duquel l'offre ne pourra plus répondre à l'augmentation de la demande, dans environ 20 ans. La Commission européenne a déjà classé le phosphore parmi les matières premières critiques.
Les boues d'épuration sont souvent utilisées comme engrais épandus dans les champs. Cependant, comme les boues d'épuration contiennent non seulement des phosphates précieux, mais aussi des métaux lourds et des polluants organiques nocifs, de nombreux pays, comme l'Allemagne, limitent par voie législative la quantité de boues d'épuration pouvant être utilisée comme engrais. De nombreux pays comme l'Allemagne ont des réglementations strictes en matière d'engrais, qui limitent strictement la contamination par les métaux lourds. Comme le phosphore est une ressource limitée, le règlement allemand sur les boues d'épuration à partir de 2017 oblige les exploitants de stations d'épuration à recycler les phosphates.
Le phosphore peut être récupéré des eaux usées, des boues d'épuration ainsi que des cendres des boues d'épuration incinérées.

phosphate

Un phosphate, un produit chimique inorganique, est un sel d'acide phosphorique. Les phosphates inorganiques sont extraits pour obtenir du phosphore destiné à l'agriculture et à l'industrie. En chimie organique, un phosphate, ou organophosphate, est un ester de l'acide phosphorique.
Ne confondez pas le nom phosphore avec l'élément phosphore (symbole chimique P). Ce sont deux choses différentes. Non-métal polyvalent du groupe de l'azote, le phosphore se trouve couramment dans les roches phosphatées inorganiques.
Les phosphates organiques sont importants en biochimie et en biogéochimie.
Le phosphate est le nom de l'ion PO43-. L'acide phosphoreux, par contre, est le nom de l'acide triprotique H3PO3. Il s'agit d'une combinaison de 3 H+ et un phosphite (PO33-).
Le phosphore est l'élément chimique qui porte le symbole P et le numéro atomique 15. Les composés phosphorés sont également largement utilisés dans les explosifs, les agents neurotoxiques, les allumettes à friction, les feux d'artifice, les pesticides, les dentifrices et les détergents.

struvite

La struvite, également appelée phosphate de magnésium et d'ammonium (MAP), est un phosphate minéral de formule chimique NH4MgPO4· 6H2O. La struvite se cristallise dans le système orthorhombique sous forme de cristaux pyramidaux blancs à jaunâtres ou blanc brunâtre ou sous forme de plaques. Étant un minéral mou, la struvite a une dureté Mohs de 1,5 à 2 et une faible densité de 1,7. Dans des conditions neutres et alcalines, la struvite est difficilement soluble, mais peut être facilement dissoute dans l'acide. Les cristaux de struvite se forment lorsqu'il y a un rapport molaire à molaire (1:1:1) de magnésium, d'ammoniac et de phosphate dans les eaux usées. Les trois éléments – magnésium, ammoniac et phosphate – sont normalement présents dans les eaux usées : le magnésium provenant principalement du sol, de l'eau de mer et de l'eau potable, l'ammoniac est décomposé de l'urée dans les eaux usées et le phosphate provenant des aliments, des savons et des détergents dans les eaux usées. En présence de ces trois éléments, la struvite est plus susceptible de se former à des valeurs de pH plus élevées, une conductivité plus élevée, des températures plus basses et des concentrations plus élevées de magnésium, d'ammoniac et de phosphate. La récupération du phosphore des eaux usées sous forme de struvite et le recyclage de ces nutriments comme engrais pour l'agriculture sont prometteurs.
La struvite est un précieux engrais minéral à libération lente utilisé en agriculture, qui présente l'avantage d'être granuleux, facile à utiliser et inodore.