שחזור זרחן אולטראסוני מבוצת ביוב

עובדות שכדאי לדעת

כיצד פועל משקעים קוליים?

אולטרה-סוניקציה משפיעה על נוקלציה ועל גדילת גבישים, תהליך הידוע בשם סונוקריסטליזציה.
ראשית, היישום של אולטרסאונד מאפשר להשפיע על קצב nucleation, שבו יש גבישים מוצקים טופס מתמיסה נוזלית. אולטרה-סאונד בעוצמה גבוהה יוצר קוויטציה, שהיא צמיחה וקריסה של בועות ואקום בתווך נוזלי. קריסת בועות הריק מכניסה אנרגיה למערכת ומפחיתה את האנרגיה החופשית העודפת הקריטית. על ידי כך, נקודות זריעה וגרעין מופעלים בקצב גבוה ובזמן המוקדם ביותר. בממשק שבין בועת הקוויטציה לתמיסה, חצי ממולקולת המומס מומס על ידי הממס, ואילו החצי השני של פני המולקולה מכוסה על ידי בועת הקוויטציה, כך שקצב הממס יורד. הפירוק מחדש של מולקולת המומס נמנע, בעוד הקרישה של מולקולות בתמיסה מוגברת.
שנית, סוניקציה מקדמת את צמיחת הגביש. ערבוב קולי מקדם את הצמיחה של גבישים על ידי הגדלת העברת המסה וצבירה של מולקולות.
התוצאות המושגות על ידי סוניקציה ניתנות לשליטה על ידי מצב סוניקציה:
סוניקציה רציפה:
טיפול קולי רציף בתמיסה מייצר אתרי נוקלציה רבים, כך שנוצרים מספר רב של גבישים קטנים
סוניקציה פועמת:
היישום של סוניקציה פועמת / מחזורית מאפשר שליטה מדויקת על גודל הגביש
סוניקציה כדי ליזום נוקלאציה:
כאשר אולטרסאונד מוחל רק בתחילת תהליך ההתגבשות, נוצרים מספר סופי של גרעינים, אשר לאחר מכן גדלים לגודל גדול יותר.

באמצעות אולטרה-סוניקציה במהלך ההתגבשות, ניתן להשפיע ולשלוט בקצב הצמיחה, בגודל ובצורה של מבני הגביש ולשלוט בהם. האפשרויות השונות של סוניקציה הופכות את תהליכי הסונו-התגבשות לניתנים לשליטה מדויקת ולחזרה.

קוויטציה קולית

כאשר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה חוצה מדיום נוזלי, גלים בלחץ גבוה (דחיסה) ובלחץ נמוך (rarefaction) עוברים לסירוגין דרך הנוזל. כאשר הלחץ השלילי הנגרם לגל על-קולי החוצה נוזל גדול מספיק, המרחק בין מולקולות הנוזל עולה על המרחק המולקולרי המינימלי הדרוש כדי להחזיק את הנוזל שלם, ואז הנוזל מתפרק כך שנוצרות בועות ואקום או חללים. בועות ואקום אלה ידועות גם בשם קוויטציה בועות.
בועות קביטציה המשמשות ליישומים על-קוליים כגון ערבוב, פיזור, כרסום, חילוץ וכו' מתרחשים בעוצמות אולטרסאונד גבוהות מ-10 Wcm². בועות הקוויטציה גדלות על פני מספר מחזורים אקוסטיים של לחץ נמוך / לחץ גבוה עד שהן מגיעות לממד שבו הן לא יכולות לספוג יותר אנרגיה. כאשר בועת קוויטציה מגיעה לגודלה המקסימלי, היא מתפוצצת באלימות במהלך מחזור דחיסה. קריסות אלימות של בועת קוויטציה חולפת יוצרות תנאים קיצוניים כגון טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד, הפרשי לחץ וטמפרטורה גבוהים מאוד וסילונים נוזליים. כוחות אלה הם המקור להשפעות כימיות ומכניות המשמשות ביישומים על-קוליים. כל בועה קורסת יכולה להיחשב כמיקרו-ריאקטור שבו נוצרות באופן מיידי טמפרטורות של כמה אלפי מעלות ולחצים גבוהים מאלף אטמוספרות [Suslick et al 1986].

מיצוי אולטראסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית וכוחות הגזירה ההידרודינמיים שלה

זרחן

זרחן הוא משאב חיוני שאינו ניתן להתחדשות ומומחים כבר צופים שהעולם יפגע “פסגת הזרחן”כלומר, הזמן שממנו ההיצע כבר לא יוכל לענות על הביקוש המוגבר, בעוד כ-20 שנה., הנציבות האירופית כבר סיווגה את הזרחן כחומר גלם קריטי.
בוצת ביוב משמשת לעתים קרובות כדשן המפוזר בשדות. עם זאת, מכיוון שבוצת ביוב מכילה לא רק פוספט יקר אלא גם מתכות כבדות מזיקות ומזהמים אורגניים, מדינות רבות כמו גרמניה, מגבילות בחקיקה כמה בוצת ביוב יכולה לשמש כדשן. במדינות רבות כמו גרמניה יש תקנות דשנים מחמירות, המגבילות את הזיהום במתכות כבדות בקפדנות. מכיוון שזרחן הוא משאב סופי, תקנת בוצת הביוב הגרמנית משנת 2017 מחייבת את מפעילי מפעלי הביוב למחזר פוספטים.
זרחן ניתן לשאוב משפכים, בוצת ביוב, כמו גם מאפר של בוצת ביוב שרופה.

פוספט

פוספט, כימיקל אנאורגני, הוא מלח של חומצה זרחתית. פוספטים אנאורגניים נכרים כדי להשיג זרחן לשימוש בחקלאות ובתעשייה. בכימיה אורגנית, פוספט, או זרחן אורגני, הוא אסטר של חומצה זרחתית.
אל תבלבלו את השם זרחן עם היסוד זרחן (סמל כימי P). הם שני דברים שונים. זרחן הוא אל-מתכת רב-ערכית מקבוצת החנקן, והוא נפוץ בסלעי פוספט אנאורגניים.
פוספטים אורגניים חשובים בביוכימיה ובביוגאוכימיה.
פוספט הוא שמו של יון PO₄^3-. חומצה זרחתית, לעומת זאת, הוא שמה של החומצה הטריפרוטית H3PO3. זהו שילוב של 3 שעות⁺ יונים ופוספיט אחד (PO₃^3-) יון.
זרחן הוא היסוד הכימי בעל הסמל P ומספרו האטומי 15. תרכובות זרחן נמצאות בשימוש נרחב גם בחומרי נפץ, סוכני עצבים, גפרורים לחיכוך, זיקוקים, חומרי הדברה, משחת שיניים ודטרגנטים.

סטרוביט

סטרוביט, המכונה גם מגנזיום אמוניום פוספט (MAP), הוא מינרל פוספט עם הנוסחה הכימית NH₄MgPO₄·6 שעות₂O. Struvite מתגבש במערכת האורתורומבית כגבישים פירמידליים לבנים עד צהבהבים או חומים-לבנים או בצורות דמויות טסיות. בהיותו מינרל רך, לסטרוביט יש קשיות מוס של 1.5 עד 2 וכוח משיכה סגולי נמוך של 1.7. בתנאים ניטרליים ובסיסיים סטרוביט אינו מסיס, אך ניתן להמיס אותו בקלות בחומצה. גבישי סטרוביט נוצרים כאשר קיים יחס שומה לשומה (1:1:1) של מגנזיום, אמוניה ופוספט במי שפכים. כל שלושת האלמנטים – מגנזיום, אמוניה ופוספט – נמצאים בדרך כלל במי שפכים: מגנזיום המגיע בעיקר מהקרקע, מי ים ומי שתייה, אמוניה מתפרקת מהאוריאה בשפכים, ופוספט המגיע ממזון, סבונים ודטרגנטים לשפכים. עם שלושת היסודות האלה נוכחים, סטרוביט סביר יותר להיווצר בערכי pH גבוהים יותר, מוליכות גבוהה יותר, טמפרטורות נמוכות יותר, וריכוזים גבוהים יותר של מגנזיום, אמוניה ופוספט. השבת זרחן מזרמי שפכים כסטרוביט ומיחזור חומרים מזינים אלה כדשן לחקלאות היא מבטיחה.
סטרוביט הוא דשן מינרלי יקר ערך בשחרור איטי המשמש בחקלאות, ויש לו את היתרונות של היותו גרגירי, קל לשימוש וללא ריח.