Ultrazvučni oporavak fosfora iz kanalizacijskog mulja
- Svjetska potražnja za fosforom je u porastu, dok je ponuda prirodnih resursa fosfora sve manja.
- Kanalizacijski mulj i pepeo od kanalizacijskog mulja bogati su fosforom i stoga se mogu koristiti kao izvor za povrat fosfora.
- Ultrazvučna mokro-kemijska obrada i taloženje poboljšava oporavak fosfata iz kanalizacijskog mulja kao i iz pepela spaljenog mulja i čini oporavak znatno ekonomičnijim.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) je neobnovljiv izvor, koji se intenzivno koristi u poljoprivredi kao gnojivo, kao iu mnogim industrijama, gdje je fosfor vrijedan dodatak (npr. boje, deterdženti za pranje rublja, usporivači plamena, stočna hrana). Kanalizacijski mulj, pepeo spaljenog kanalizacijskog mulja (ISSA), stajsko gnojivo i otpadne vode iz mliječnih proizvoda bogate su fosforom, što ih čini izvorom za oporabu fosfora s obzirom na ograničene resurse fosfora, kao i ekološke probleme.
Stope povrata fosfora iz tokova tekućih otpadnih voda mogu doseći 40 do 50%, dok stope povrata iz kanalizacijskog mulja i pepela kanalizacijskog mulja mogu doseći i do 90%. Fosfor se može istaložiti u mnogim oblicima, a jedan od njih je struvit (cijenjen kao visokokvalitetno gnojivo sa sporim otpuštanjem). Kako bi se oporaba fosfora učinila ekonomičnom, proces oporabe mora se poboljšati. Ultrasonication je metoda intenziviranja procesa koja ubrzava proces i povećava prinos obnovljenih minerala.
Ultrazvučni oporavak fosfora
Pod sonikacijom, vrijedni materijali kao što su struvit (magnezijev amonijev fosfat (MAP)), kalcijev fosfat, hidroksiapatit (HAP) / kalcijev hidroksiapatit, oktakalcij fosfat, trikalcijev fosfat i dikalcij fosfat dihidrat mogu se oporaviti iz tokova otpada. Ultrazvučna obrada poboljšava mokro-kemijsku ekstrakciju, kao i taloženje i kristalizaciju (sono-kristalizacija) vrijednih materijala iz kanalizacijskog mulja i pepela spaljenog mulja.
Iako je sadržaj fosfora (8-10%), željeza (10-15%) i aluminija (5-10%) u pepelu monospaljenog kanalizacijskog mulja dosta visok, on također sadrži otrovne teške metale poput olova, kadmij, bakar i cink.
Oporavak fosfora – Proces u dva koraka
-
- ekstrakcija kiselinom
Prvi korak oporabe fosfora je ekstrakcija ili ispiranje fosfora iz kanalizacijskog mulja ili pepela spaljenog kanalizacijskog mulja (ISSA) pomoću kiseline kao što je sumporna kiselina ili klorovodična kiselina. Ultrazvučno miješanje potiče mokro-kemijsko ispiranje povećanjem prijenosa mase između kiseline i ISSA-e tako da se brzo postiže potpuno ispiranje fosfora. Korak prethodne obrade pomoću etilendiamintetraoctene kiseline (EDTA) može se koristiti za poboljšanje postupka ekstrakcije.
-
- Taloženje fosfora
Ultrazvučna kristalizacija značajno pojačava taloženje fosfata povećanjem točaka klijanja i ubrzavanjem adsorpcije i agregacije molekula kako bi se formirao kristal. Ultrazvučno taloženje fosfora iz kanalizacijskog mulja i ISSA može se postići npr. upotrebom magnezijevog hidroksida i amonijevog hidroksida. Dobiveni talog je struvit, spoj sastavljen od magnezija, amonija, fosfora i kisika.
Sonokristalizacija struvita
Ultrazvučno raspršivanje potiče prijenos mase između faza i pokreće nukleaciju i rast kristala za fosfate (npr. struvit / MAP).
Ultrazvučno inline taloženje i kristalizacija struvita omogućuje obradu pramenova velikog volumena u industrijskim razmjerima. Problem obrade velikog toka kanalizacijskog mulja može se riješiti kontinuiranim ultrazvučnim procesom, koji ubrzava kristalizaciju struvita i poboljšava veličinu kristala proizvodeći manje, ujednačenije čestice fosfata. Raspodjela veličine istaloženih čestica određena je brzinom nukleacije i naknadnom brzinom rasta kristala. Ubrzana nukleacija i inhibirani rast ključni su faktori za taloženje čestica kristalnog fosfata, tj. struvita, u vodenoj otopini. Ultrasonication je metoda intenziviranja procesa koja poboljšava miješanje kako bi se dobila homogena distribucija reaktivnih iona.
Poznato je da ultrazvučno taloženje daje užu distribuciju veličine čestica, manju veličinu kristala, kontroliranu morfologiju i veliku brzinu nukleacije.
Struvitni kristali precipitirani iz svinjskog efluenta (izvor: Kim et al. 2017.)
Dobri rezultati taloženja mogu se postići na primjer s PO3-4 : NH+4 : Mg2+ u omjeru 1 : 3 : 4. pH raspon od 8 do 10 dovodi do maksimalnog oslobađanja fosfata P
Ultrasonication je visoko učinkovita tehnika intenziviranja procesa za promicanje taloženja vrijednih materijala kao što su kalcijev fosfat, magnezijev amonijev fosfat (MAP) i hidroksiapatit (HAP), kalcijev hidroksiapatit, oktakalcij fosfat, trikalcijev fosfat i dikalcij fosfat dihidrat iz otpadne vode. Kanalizacijski mulj, gnoj i mliječne otpadne vode poznate su kao otpadne vode bogate hranjivim tvarima, koje su pogodne za proizvodnju vrijednih materijala putem ultrazvučno potpomognute precipitacije.
Stvaranje struvitnih kristala:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskih do pilotskih i industrijskih razmjera.
Industrijska ultrazvučna oprema za ispiranje i taloženje
Ultrazvučni sustavi i reaktori visokih performansi potrebni su za obradu pepela spaljenog kanalizacijskog mulja (ISSA) i kanalizacijskog mulja na industrijskoj razini. Hielscher Ultrasonics je specijaliziran za dizajn i proizvodnju ultrazvučne opreme velike snage – od laboratorijskih i stolnih do potpuno industrijskih jedinica. Hielscher ultrasonicators su robusni i napravljeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem u zahtjevnim okruženjima. Pribor kao što su reaktori s protočnim ćelijama s različitim geometrijama, sonotrode (ultrazvučne sonde) i booster rogovi omogućuju optimalnu prilagodbu ultrazvučnog sustava zahtjevima procesa. Kako bi se obradili veliki tokovi volumena, Hielscher nudi ultrazvučne jedinice od 4kW, 10kW i 16kW, koje se mogu jednostavno kombinirati paralelno s ultrazvučnim klasterima.
Hielscherovi sofisticirani ultrazvučni uređaji imaju digitalni zaslon osjetljiv na dodir za jednostavan rad i preciznu kontrolu parametara procesa.
Prilagođenost korisniku i jednostavan, siguran rad ključne su značajke Hielscher ultrazvučnih uređaja. Daljinsko upravljanje preglednikom omogućuje rad i kontrolu ultrazvučnog sustava putem osobnog računala, pametnog telefona ili tableta.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Učinak ultrazvuka na procese kristalizacije-taloženja: Neki primjeri i novi model segregacije. Karakterizacija čestica i sustava čestica, Wiley-VCH Verlag, 2007., 24 (1), str. 18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Ekstrakcija hranjivih tvari iz mliječne otpadne vode u obliku MAP-a (magnezijev amonijev fosfat) i HAP-a (hidroksiapatit). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, broj 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, MS:; Park, KY (2017.): Učinci pH, molarnih omjera i predtretmana na obnavljanje fosfora kristalizacijom struvita iz efluenta anaerobno razrađene svinjske otpadne vode. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014.): Proizvodnja kristalnog gnojiva sa sporim otpuštanjem iz otpadnih voda kristalizacijom struvita. arapski. J. Chem. 7, 139–155.
Činjenice koje vrijedi znati
Kako radi ultrazvučno taloženje?
Ultrasonication utječe na nukleaciju i rast kristala, proces poznat kao sonokristalizacija.
Prvo, primjena ultrazvuka omogućuje utjecaj na brzinu nukleacije, gdje se čvrsti kristali formiraju iz tekuće otopine. Ultrazvuk velike snage stvara kavitaciju, što je rast i implozija vakuumskih mjehurića u tekućem mediju. Implozija vakuumskih mjehurića unosi energiju u sustav i smanjuje kritični višak slobodne energije. Time se početne točke i nukleacija pokreću velikom brzinom i u najranijem vremenu. Na granici između kavitacijskog mjehurića i otopine, polovicu molekule otopljene tvari solvatira otapalo, dok je druga polovica površine molekule prekrivena kavitacijskim mjehurićima, tako da je stopa solvatacije smanjena. Sprječava se ponovno otapanje molekule otopljene tvari, a povećava se koagulacija molekula u otopini.
Drugo, ultrazvuk potiče rast kristala. Ultrazvučno miješanje potiče rast kristala povećanjem prijenosa mase i agregacije molekula.
Rezultati postignuti ultrazvukom mogu se kontrolirati pomoću načina sonikacije:
Kontinuirana sonikacija:
Kontinuirana ultrazvučna obrada otopine proizvodi mnogo mjesta nukleacije, tako da se stvara veliki broj malih kristala
Pulsna sonikacija:
Primjena pulsirajuće/ciklične sonikacije omogućuje preciznu kontrolu nad veličinom kristala
Sonikacija za pokretanje nukleacije:
Kada se ultrazvuk primjenjuje samo na početku procesa kristalizacije, formira se konačan broj jezgri, koje zatim rastu do veće veličine.
Korištenjem ultrazvučne obrade tijekom kristalizacije, može se utjecati na brzinu rasta, veličinu i oblik kristalnih struktura i kontrolirati ih. Različite opcije sonikacije čine procese sono-kristalizacije precizno kontroliranim i ponovljivim.
ultrazvučna kavitacija
Kada ultrazvuk visokog intenziteta prelazi kroz tekući medij, valovi visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje) izmjenjuju se kroz tekućinu. Kada je negativni tlak uzrokovan ultrazvučnim valovima koji prolaze kroz tekućinu dovoljno velik, udaljenost između molekula tekućine premašuje minimalnu molekularnu udaljenost potrebnu da tekućina ostane netaknuta, a zatim se tekućina raspada tako da se stvaraju vakuumski mjehurići ili šupljine . Ti vakuumski mjehurići su također poznati kao kavitacija mjehurići.
Kavitacijski mjehurići koji se koriste za snažne ultrazvučne primjene kao što je miješanje, Raspršivanje, mljevenje, Izvlačenje itd. javljaju se pod intenzitetom ultrazvuka većim od 10 Wcm2. Kavitacijski mjehurići rastu tijekom nekoliko akustičnih ciklusa niskog tlaka / visokog tlaka dok ne dosegnu dimenziju u kojoj ne mogu apsorbirati više energije. Kada kavitacijski mjehurić dosegne svoju najveću veličinu, snažno implodira tijekom ciklusa kompresije. Snažna kolapsa prolaznog kavitacijskog mjehurića stvaraju ekstremne uvjete kao što su vrlo visoke temperature i tlakovi, vrlo visoke razlike tlaka i temperature te mlaznice tekućine. Te su sile izvor kemijskih i mehaničkih učinaka koji se koriste u ultrazvučnim aplikacijama. Svaki kolabirajući mjehurić može se smatrati mikroreaktorom u kojem se trenutačno stvaraju temperature od nekoliko tisuća stupnjeva i tlakovi viši od tisuću atmosfera [Suslick et al 1986].
Ultrazvučna ekstrakcija temelji se na akustičnoj kavitaciji i njezinim hidrodinamičkim silama smicanja
fosfor
Fosfor je bitan, neobnovljiv resurs i stručnjaci već predviđaju da će svijet pogoditi “fosforni vrh”, odnosno vrijeme od kojeg ponuda više ne može zadovoljiti povećanu potražnju, u cca. 20 godina. Europska komisija već je klasificirala fosfor kao kritičnu sirovinu.
Kanalizacijski mulj često se koristi kao gnojivo po poljima. Međutim, budući da kanalizacijski mulj ne sadrži samo dragocjene fosfate, već i štetne teške metale i organske zagađivače, mnoge zemlje, poput Njemačke, zakonom ograničavaju koliko se kanalizacijskog mulja može koristiti kao gnojivo. Mnoge zemlje poput Njemačke imaju stroge propise o gnojivima, koji strogo ograničavaju kontaminaciju teškim metalima. Budući da je fosfor ograničen resurs, njemačka Uredba o otpadnom mulju iz 2017. zahtijeva od operatera kanalizacijskih postrojenja da recikliraju fosfate.
Fosfor se može dobiti iz otpadnih voda, kanalizacijskog mulja, kao i iz pepela spaljenog kanalizacijskog mulja.
fosfat
Fosfat, anorganska kemikalija, sol je fosforne kiseline. Anorganski fosfati se iskopavaju kako bi se dobio fosfor za upotrebu u poljoprivredi i industriji. U organskoj kemiji, fosfat ili organofosfat je ester fosforne kiseline.
Nemojte brkati naziv fosfor s elementom fosfor (kemijski simbol P). To su dvije različite stvari. Viševalentni nemetal iz skupine dušika, fosfor se obično nalazi u anorganskim fosfatnim stijenama.
Organski fosfati važni su u biokemiji i biogeokemiji.
Fosfat je naziv iona PO43-. S druge strane, fosforna kiselina je naziv za triprotičnu kiselinu H3PO3. Ovo je kombinacija 3 H+ iona i jednog fosfita (PO33-) ion.
Fosfor je kemijski element koji ima simbol P i atomski broj 15. Spojevi fosfora također se široko koriste u eksplozivima, nervnim otrovima, šibicama, vatrometima, pesticidima, pastama za zube i deterdžentima.
struvitni
Struvit, također poznat i kao magnezijev amonijev fosfat (MAP), fosfatni je mineral kemijske formule NH4MgPO4·6H2O. Struvit kristalizira u ortorombskom sustavu kao bijeli do žućkasti ili smeđe-bijeli piramidalni kristali ili u obliku pločica. Budući da je mekani mineral, struvit ima Mohsovu tvrdoću od 1,5 do 2 i nisku specifičnu težinu od 1,7. U neutralnim i alkalnim uvjetima struvit je teško topljiv, ali se lako može otopiti u kiselini. Struvitni kristali nastaju kada u otpadnoj vodi postoji omjer mol/mol/mol (1:1:1) magnezija, amonijaka i fosfata. Sva tri elementa – magnezij, amonijak i fosfat – normalno prisutni u otpadnoj vodi: magnezij koji dolazi uglavnom iz tla, morske vode i vode za piće, amonijak se razgrađuje iz uree u otpadnoj vodi, a fosfat koji dolazi iz hrane, sapuna i deterdženata u otpadnu vodu. S ova tri prisutna elementa, veća je vjerojatnost da će se struvit formirati pri višim pH vrijednostima, višoj vodljivosti, nižim temperaturama i višim koncentracijama magnezija, amonijaka i fosfata. Oporavak fosfora iz otpadnih voda u obliku struvita i recikliranje tih nutrijenata kao gnojiva za poljoprivredu obećava.
Struvite je vrijedno mineralno gnojivo sa sporim otpuštanjem koje se koristi u poljoprivredi, a koje ima prednosti što je granulirano, jednostavno za upotrebu i bez mirisa.