השבת זרחן מבוצת שפכים באמצעות אולטרסאונד

עובדות שכדאי לדעת

כיצד פועלת השקעה אולטרסונית?

סוניקציה משפיעה על התגרענות ועל צמיחת גבישים, בתהליך המכונה התגבשות אולטרסונית.
ראשית, הפעלת אולטרסאונד מאפשרת להשפיע על קצב ההתגרענות, שבה נוצרים גבישים מוצקים מתוך תמיסה נוזלית. אולטרסאונד בהספק גבוה יוצר קוויטציה, שהיא גדילה וקריסה פנימה של בועות ריק בתווך נוזלי. קריסת בועות הריק מכניסה אנרגיה למערכת ומפחיתה את האנרגיה החופשית העודפת הקריטית. כך נוצרים אתרי התגרענות ומתחילה התגרענות בקצב גבוה ובמועד המוקדם ביותר. בממשק שבין בועת הקוויטציה לתמיסה, מחצית ממולקולת המומס עוברת סולבציה על ידי הממס, ואילו המחצית האחרת של פני המולקולה מכוסה בבועת הקוויטציה, כך שקצב הסולבציה פוחת. ההמסה מחדש של מולקולת המומס נמנעת, ואילו ההתקבצות של מולקולות בתמיסה גוברת.
שנית, סוניקציה מקדמת את צמיחת הגבישים. ערבוב אולטרסוני מקדם את צמיחת הגבישים באמצעות הגברת מעבר המסה וההתקבצות של מולקולות.
ניתן לשלוט בתוצאות המושגות באמצעות סוניקציה על ידי בחירת אופן הסוניקציה:
סוניקציה רציפה:
טיפול אולטרסוני רציף בתמיסה יוצר אתרי התגרענות רבים, כך שנוצר מספר רב של גבישים קטנים
סוניקציה בפולסים:
הפעלת סוניקציה בפולסים / במחזורים מאפשרת שליטה מדויקת בגודל הגבישים
סוניקציה להתחלת התגרענות:
כאשר אולטרסאונד מופעל רק בתחילת תהליך ההתגבשות, נוצר מספר סופי של גרעיני התגבשות, אשר לאחר מכן גדלים לממדים גדולים יותר.

שימוש בסוניקציה במהלך ההתגבשות מאפשר להשפיע על קצב הצמיחה, הגודל והצורה של המבנים הגבישיים ולשלוט בהם. האפשרויות השונות של סוניקציה מאפשרות שליטה מדויקת בתהליכי התגבשות אולטרסונית וחזרה עליהם.

קוויטציה אולטרסונית

כאשר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה עובר בתווך נוזלי, גלי לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (קלישה) מתפשטים בנוזל לסירוגין. כאשר הלחץ השלילי הנגרם מגל אולטרסוני העובר בנוזל גדול דיו, המרחק בין מולקולות הנוזל עולה על המרחק המולקולרי המזערי הנדרש לשמירת רציפות הנוזל, ואז רציפות הנוזל נשברת ונוצרות בועות ריק או חללים. בועות ריק אלה מוכרות גם כבועות קוויטציה .
בועות קוויטציה המשמשות ביישומי אולטרסאונד בהספק גבוה כגון ערבוב, פיזור, טחינה, מיצוי וכו' נוצרות בעוצמות אולטרסאונד הגבוהות מ-10 Wcm². בועות הקוויטציה גדלות לאורך כמה מחזורים אקוסטיים של לחץ נמוך / לחץ גבוה, עד שהן מגיעות לגודל שבו אינן יכולות לספוג עוד אנרגיה. כאשר בועת קוויטציה מגיעה לגודלה המרבי, היא קורסת בעוצמה במהלך מחזור דחיסה. הקריסה העזה של בועת קוויטציה חולפת יוצרת תנאים קיצוניים כגון טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד, הפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים מאוד וסילוני נוזל. כוחות אלה הם המקור להשפעות הכימיות והמכניות המשמשות ביישומים אולטרסוניים. ניתן לראות בכל בועה קורסת מיקרוריאקטור שבו נוצרות באופן מיידי טמפרטורות של כמה אלפי מעלות ולחצים הגבוהים מאלף אטמוספרות [Suslick et al 1986].

מיצוי אולטרסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית ועל כוחות הגזירה ההידרודינמיים שלה

זרחן

זרחן הוא משאב חיוני שאינו מתחדש, ומומחים כבר צופים שהעולם יגיע ל"שיא הזרחן", כלומר לנקודת הזמן שממנה ההיצע כבר לא יוכל לענות על הביקוש המוגבר, בעוד כ־20 שנה. הנציבות האירופית כבר סיווגה את הזרחן כחומר גלם קריטי.
בוצת שפכים משמשת לעיתים קרובות כדשן המפוזר בשדות. עם זאת, מכיוון שבוצת שפכים מכילה לא רק פוספט בעל ערך אלא גם מתכות כבדות מזיקות ומזהמים אורגניים, מדינות רבות, כגון גרמניה, מגבילות בחקיקה את כמות בוצת השפכים שניתן להשתמש בה כדשן. במדינות רבות, כגון גרמניה, קיימות תקנות מחמירות בנוגע לדשנים, המגבילות בקפדנות את הזיהום במתכות כבדות. מכיוון שזרחן הוא משאב מוגבל, תקנת בוצת השפכים הגרמנית משנת 2017 מחייבת מפעילי מתקני טיפול בשפכים למחזר פוספטים.
ניתן להשיב זרחן משפכים, מבוצת שפכים וכן מאפר של בוצת שפכים שנשרפה.

פוספט

פוספט, חומר כימי אי־אורגני, הוא מלח של חומצה זרחתית. פוספטים אי־אורגניים נכרים כדי להפיק זרחן לשימוש בחקלאות ובתעשייה. בכימיה אורגנית, פוספט, או אורגנופוספט, הוא אסטר של חומצה זרחתית.
אין לבלבל בין השם phosphorous לבין היסוד זרחן (phosphorus, שסמלו הכימי P). אלה שני דברים שונים. זרחן הוא אל־מתכת רב־ערכית מקבוצת החנקן, והוא מצוי בדרך כלל בסלעי פוספט אי־אורגניים.
לפוספטים אורגניים יש חשיבות בביוכימיה ובביוגאוכימיה.
פוספט הוא שמו של היון PO₄^3-. חומצה זרחיתית, לעומת זאת, היא שמה של החומצה התלת־פרוטית H3PO3. זהו שילוב של 3 יוני H⁺ ויון פוספיט אחד (PO₃^3-).
זרחן הוא היסוד הכימי שסמלו P ומספרו האטומי 15. תרכובות זרחן משמשות בהיקף נרחב גם בחומרי נפץ, בחומרי לחימה עצביים, בגפרורי חיכוך, בזיקוקים, בחומרי הדברה, במשחת שיניים ובדטרגנטים.

סטרוביט

סטרוביט, המכונה גם מגנזיום אמוניום פוספט (MAP), הוא מינרל פוספט שנוסחתו הכימית היא NH₄MgPO₄·6H₂O. סטרוביט מתגבש במערכת האורתורומבית כגבישים פירמידליים לבנים עד צהבהבים או לבנים בגוון חום, או בצורות דמויות לוחיות. בהיותו מינרל רך, לסטרוביט קשיות של 1.5 עד 2 בסולם מוס ומשקל סגולי נמוך של 1.7. בתנאים ניטרליים ובסיסיים סטרוביט כמעט שאינו מסיס, אך ניתן להמיסו בקלות בחומצה. גבישי סטרוביט נוצרים כאשר בשפכים קיים יחס מולרי של 1:1:1 בין מגנזיום, אמוניה ופוספט. כל שלושת היסודות – מגנזיום, אמוניה ופוספט – נמצאים בדרך כלל בשפכים: המגנזיום מגיע בעיקר מהקרקע, ממי ים וממי שתייה, אמוניה נוצרת מפירוק האוריאה שבשפכים, ופוספט מגיע לשפכים ממזון, מסבונים ומחומרי ניקוי. בנוכחות שלושת היסודות הללו, הסבירות להיווצרות סטרוביט גבוהה יותר בערכי pH גבוהים יותר, במוליכות גבוהה יותר, בטמפרטורות נמוכות יותר ובריכוזים גבוהים יותר של מגנזיום, אמוניה ופוספט. השבת זרחן מזרמי שפכים בצורת סטרוביט ומיחזור חומרי ההזנה הללו כדשן לחקלאות הם אפשרות מבטיחה.
סטרוביט הוא דשן מינרלי בעל ערך בשחרור איטי המשמש בחקלאות, ויתרונותיו הם היותו גרגירי, קל לשימוש ונטול ריח.