Foszfor ultrahangos visszanyerése szennyvíziszapból
- A foszfor iránti kereslet világszerte növekszik, miközben a természetes foszforforrások egyre szűkösebbé válnak.
- A szennyvíziszap és a szennyvíziszap hamuja foszforban gazdag, ezért foszfor-visszanyerési forrásként használható.
- Az ultrahangos nedveskémiai feldolgozás és kicsapatás javítja a foszfát visszanyerését a szennyvíziszapból, valamint az elégetett iszap hamujából, és jelentősen gazdaságosabbá teszi a visszanyerést.
Foszfor
A foszfor (foszfor, P) nem megújuló erőforrás, amelyet nagy mennyiségben használnak a mezőgazdaságban műtrágyaként, valamint számos iparágban, ahol a foszfor értékes adalékanyag (pl. festékekben, mosószerekben, égésgátlókban, állati takarmányokban). A szennyvíziszap, az elégetett szennyvíziszap hamuja (ISSA), a trágya és a tejipari szennyvizek foszforban gazdagok, ezért a korlátozott foszforkészletekre és a környezetvédelmi szempontokra tekintettel a foszfor visszanyerésének forrásai lehetnek.
A folyékony szennyvízáramokból történő foszfor-visszanyerés aránya elérheti a 40–50%-ot, míg a szennyvíziszapból és a szennyvíziszap hamujából történő visszanyerés aránya akár a 90%-ot is elérheti. A foszfor számos formában kicsapatható, ezek egyike a struvit (amelyet kiváló minőségű, lassú tápanyag-leadású műtrágyaként értékelnek). Ahhoz, hogy a foszfor visszanyerése gazdaságos legyen, javítani kell a visszanyerési folyamatot. Az ultrahangos kezelés olyan folyamatintenzifikáló módszer, amely felgyorsítja a folyamatot és növeli a visszanyert ásványok hozamát.
Ultrahangos foszfor-visszanyerés
Ultrahangos kezeléssel értékes anyagok nyerhetők vissza a hulladékáramokból, például struvit (magnézium-ammónium-foszfát (MAP)), kalcium-foszfát, hidroxiapatit (HAP) / kalcium-hidroxiapatit, oktakalcium-foszfát, trikalcium-foszfát és dikalcium-foszfát-dihidrát. Az ultrahangos kezelés javítja az értékes anyagok nedveskémiai extrakcióját, valamint kicsapatását és kristályosítását (szonokristályosítását) a szennyvíziszapból és az elégetett iszap hamujából.
Bár a kizárólag szennyvíziszap égetéséből származó hamu foszfor- (8–10%), vas- (10–15%) és alumíniumtartalma (5–10%) meglehetősen magas, mérgező nehézfémeket, például ólmot, kadmiumot, rezet és cinket is tartalmaz.
Foszfor-visszanyerés – kétlépéses folyamat
-
- Savas extrakció
A foszfor visszanyerésének első lépése a foszfor extrakciója vagy kioldása a szennyvíziszapból vagy az elégetett szennyvíziszap hamujából (ISSA) sav, például kénsav vagy sósav alkalmazásával. Az ultrahangos keverés elősegíti a nedveskémiai kioldást azáltal, hogy fokozza a sav és az ISSA közötti anyagátadást, így a foszfor teljes kioldása gyorsan megvalósul. Az extrakciós eljárás javítására etilén-diamin-tetraecetsavval (EDTA) végzett előkezelési lépés is alkalmazható.
-
- A foszfor kicsapatása
Az ultrahangos kristályosítás jelentősen fokozza a foszfátok kicsapódását azáltal, hogy növeli a kristályosodási gócok számát, valamint felgyorsítja a molekulák adszorpcióját és aggregációját a kristályképződés érdekében. A foszfor ultrahangos kicsapatása szennyvíziszapból és ISSA-ból például magnézium-hidroxid és ammónium-hidroxid alkalmazásával valósítható meg. A keletkező csapadék struvit, amely magnéziumból, ammóniumból, foszforból és oxigénből álló vegyület.
A struvit szonokristályosítása
Az ultrahangos diszpergálás elősegíti a fázisok közötti anyagátadást, és elindítja a foszfátok (pl. struvit / MAP) magképződését és kristálynövekedését.
A struvit áramlás közbeni ultrahangos kicsapatása és kristályosítása lehetővé teszi nagy térfogatú anyagáramok ipari léptékű kezelését. A nagy szennyvíziszap-áram feldolgozásának problémája folyamatos ultrahangos eljárással oldható meg, amely felgyorsítja a struvit kristályosodását és javítja a kristályméretet, kisebb, egyenletesebb foszfátrészecskéket eredményezve. A kicsapódott részecskék méreteloszlását a magképződés sebessége és az azt követő kristálynövekedés sebessége határozza meg. A gyorsított magképződés és a gátolt növekedés a kristályos foszfátrészecskék, azaz a struvit vizes oldatban történő kicsapódásának kulcstényezői. Az ultrahangos kezelés olyan folyamatintenzifikáló módszer, amely javítja a keveredést a reakcióképes ionok homogén eloszlásának elérése érdekében.
Az ultrahangos kicsapatás ismerten szűkebb részecskeméret-eloszlást, kisebb kristályméretet, szabályozható morfológiát, valamint gyors magképződést eredményez.
Sertéstartásból származó szennyvízből kicsapatott struvitkristályok (forrás: Kim et al. 2017)
Jó kicsapatási eredmények érhetők el például PO3-4 : NH+4 : Mg2+ esetén, 1 : 3 : 4 arány mellett. A 8–10 közötti pH-tartomány a foszfátban lévő P maximális felszabadulásához vezet
Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony folyamatintenzifikáló technika, amely elősegíti értékes anyagok, például kalcium-foszfát, magnézium-ammónium-foszfát (MAP) és hidroxiapatit (HAP), kalcium-hidroxiapatit, oktakalcium-foszfát, trikalcium-foszfát és dikalcium-foszfát-dihidrát kicsapódását a szennyvízből. A szennyvíziszap, a trágya és a tejipari szennyvizek tápanyagokban gazdag szennyvízként ismertek, amelyek alkalmasak értékes anyagok előállítására ultrahanggal segített kicsapatás révén.
Struvitkristályok képződése:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Nagy teljesítményű ultrahangos processzorok a laboratóriumi léptéktől a kísérleti üzemi és ipari léptékig.
Ipari ultrahangos berendezések kioldáshoz és kicsapatáshoz
Az elégetett szennyvíziszap hamujának (ISSA) és a szennyvíziszapnak az ipari léptékű kezeléséhez nagy teljesítményű ultrahangos rendszerekre és reaktorokra van szükség. A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos berendezések tervezésére és gyártására szakosodott – a laboratóriumi és asztali készülékektől a teljesen ipari berendezésekig. A Hielscher ultrahangos készülékei robusztusak, és nagy igénybevételt jelentő környezetben, teljes terhelés melletti 24/7 üzemelésre készültek. Az olyan tartozékok, mint a különböző geometriájú átfolyó cellás reaktorok, a szonotródák (ultrahangos szondák) és az amplitúdóerősítők lehetővé teszik az ultrahangos rendszer optimális hozzáigazítását a folyamat követelményeihez. Nagy térfogatú anyagáramok feldolgozásához a Hielscher 4kW, 10kW és 16kW teljesítményű ultrahangos berendezéseket kínál, amelyek egyszerűen, párhuzamosan ultrahangos készülékcsoportokká kapcsolhatók össze.
A Hielscher fejlett ultrahangos készülékei digitális érintőkijelzővel rendelkeznek az egyszerű működtetés és a folyamatparaméterek pontos szabályozása érdekében.
A felhasználóbarát kialakítás, valamint az egyszerű és biztonságos működtetés a Hielscher ultrahangos készülékeinek fő jellemzői. A böngészőn keresztüli távoli vezérlés lehetővé teszi az ultrahangos rendszer működtetését és vezérlését PC-ről, okostelefonról vagy táblagépről.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | párhuzamosan kapcsolt készülékek: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Szakirodalom és hivatkozások
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Az ultrahang hatása a kristályosítási-kicsapatási folyamatokra: néhány példa és egy új szegregációs modell. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), 18–28. o.
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Tápanyagok kinyerése tejipari szennyvízből MAP (magnézium-ammónium-foszfát) és HAP (hidroxiapatit) formájában. Rasayan Journal of Chemistry, 9. kötet, 2. szám; 2016. 215–221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): A pH, a mólarányok és az előkezelés hatása a foszfor struvitkristályosítással történő visszanyerésére anaerob módon rothasztott sertéstartási szennyvíz elfolyó vizéből. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12–18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Lassú tápanyag-leadású kristályos műtrágya előállítása szennyvizekből struvitkristályosítással. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Hasznos tudnivalók
Hogyan működik az ultrahangos kicsapatás?
Az ultrahangos kezelés befolyásolja a magképződést és a kristálynövekedést; e folyamat neve szonokristályosítás.
Először is, az ultrahang alkalmazásával befolyásolható a magképződés sebessége, amely során folyékony oldatból szilárd kristályok képződnek. A nagy teljesítményű ultrahang kavitációt hoz létre, amely vákuumbuborékok növekedése és összeroppanása folyékony közegben. A vákuumbuborékok összeroppanása energiát juttat a rendszerbe, és csökkenti a kritikus szabadenergia-többletet. Ezáltal a kristályosodási gócok kialakulása és a magképződés nagy sebességgel és a lehető legkorábban indul meg. A kavitációs buborék és az oldat határfelületén az oldott anyag molekulájának egyik felét az oldószer szolvatálja, míg a molekula felületének másik felét a kavitációs buborék borítja, így a szolvatáció sebessége csökken. Az oldott anyag molekulájának újbóli feloldódása megakadályozódik, miközben a molekulák koagulációja az oldatban fokozódik.
Másodszor, az ultrahangos kezelés elősegíti a kristálynövekedést. Az ultrahangos keverés az anyagátadás és a molekulák aggregációjának fokozásával segíti elő a kristályok növekedését.
Az ultrahangos kezeléssel elért eredmények a kezelés módjával szabályozhatók:
Folyamatos ultrahangos kezelés:
Az oldat folyamatos ultrahangos kezelése számos magképződési helyet hoz létre, így nagyszámú kis kristály keletkezik
Impulzusos ultrahangos kezelés:
Az impulzusos / ciklikus ultrahangos kezelés alkalmazása lehetővé teszi a kristályméret pontos szabályozását
Ultrahangos kezelés a magképződés elindítására:
Ha az ultrahangot csak a kristályosodási folyamat kezdetén alkalmazzák, véges számú kristálymag képződik, amelyeket azután nagyobb méretűre növesztenek.
Az ultrahangos kezelés kristályosítás közbeni alkalmazásával befolyásolható és szabályozható a kristályszerkezetek növekedési sebessége, mérete és alakja. Az ultrahangos kezelés különböző lehetőségei pontosan szabályozhatóvá és megismételhetővé teszik a szonokristályosítási folyamatokat.
Ultrahangos kavitáció
Amikor nagy intenzitású ultrahang halad át egy folyékony közegen, nagy nyomású (kompressziós) és kis nyomású (ritkulási) hullámok váltakoznak a folyadékban. Ha a folyadékon áthaladó ultrahanghullám által okozott negatív nyomás elég nagy, a folyadék molekulái közötti távolság meghaladja a folyadék összetartásához szükséges minimális molekuláris távolságot, majd a folyadék folytonossága megszakad, és vákuumbuborékok vagy üregek keletkeznek. Ezek a vákuumbuborékok más néven kavitációs buborékok.
Az olyan nagy teljesítményű ultrahangos alkalmazásokhoz használt kavitációs buborékok, mint a keverés, diszpergálás, őrlés, extrakció stb., 10 Wcm2 értéknél nagyobb ultrahang-intenzitás mellett keletkeznek. A kavitációs buborékok több akusztikus kisnyomású / nagynyomású cikluson át növekednek, amíg el nem érnek egy olyan méretet, amelynél már nem képesek több energiát elnyelni. Amikor egy kavitációs buborék elérte maximális méretét, egy kompressziós ciklus során hevesen összeroppan. Egy átmeneti kavitációs buborék heves összeomlása szélsőséges körülményeket, például nagyon magas hőmérsékletet és nyomást, nagyon nagy nyomás- és hőmérséklet-különbségeket, valamint folyadéksugarakat hoz létre. Ezek az erők az ultrahangos alkalmazásokban hasznosított kémiai és mechanikai hatások forrásai. Minden összeomló buborék mikroreaktornak tekinthető, amelyben több ezer fokos hőmérséklet és ezer atmoszféránál nagyobb nyomás jön létre pillanatszerűen [Suslick et al 1986].
Az ultrahangos extrakció az akusztikus kavitáción és annak hidrodinamikai nyíróerőin alapul
Foszfor
A foszfor nélkülözhetetlen, nem regenerálható erőforrás, és a szakértők már most azt jósolják, hogy a világ körülbelül 20 év múlva eléri a „foszforcsúcsot”, vagyis azt az időpontot, amelytől kezdve a kínálat már nem képes kielégíteni a megnövekedett keresletet. Az Európai Bizottság már kritikus nyersanyagnak minősítette a foszfort.
A szennyvíziszapot gyakran használják trágyaként, a földekre kijuttatva. Mivel azonban a szennyvíziszap az értékes foszfát mellett káros nehézfémeket és szerves szennyező anyagokat is tartalmaz, számos ország, például Németország, jogszabályban korlátozza a trágyaként felhasználható szennyvíziszap mennyiségét. Számos országban, például Németországban, szigorú trágyázási előírások vannak érvényben, amelyek szigorúan korlátozzák a nehézfém-szennyezést. Mivel a foszfor véges erőforrás, a 2017-es német szennyvíziszap-rendelet előírja a szennyvíztisztító telepek üzemeltetőinek a foszfátok újrahasznosítását.
A foszfor szennyvízből, szennyvíziszapból, valamint az elégetett szennyvíziszap hamujából is visszanyerhető.
Foszfát
A foszfát szervetlen vegyület, a foszforsav sója. A szervetlen foszfátokat azért bányásszák, hogy foszfort nyerjenek a mezőgazdasági és ipari felhasználáshoz. A szerves kémiában a foszfát, vagy szerves foszfát, a foszforsav észtere.
Ne keverje össze az angol „phosphorous” elnevezést a foszfor elemmel (angolul „phosphorus”, vegyjele P). Két különböző dologról van szó. A foszfor a nitrogéncsoport több vegyértékű nemfémes eleme, amely gyakran szervetlen foszfátkőzetekben fordul elő.
A szerves foszfátok fontosak a biokémiában és a biogeokémiában.
A foszfát a következő ion neve: PO43-. A foszforossav ezzel szemben a H3PO3 háromprotonos sav neve. Ez 3 H+ ionból és egy foszfit- (PO33-) ionból áll.
A foszfor az a kémiai elem, amelynek vegyjele P, rendszáma pedig 15. A foszforvegyületeket robbanóanyagokban, idegmérgekben, dörzsgyufákban, tűzijátékokban, növényvédő szerekben, fogkrémekben és mosószerekben is széles körben használják.
Struvit
A struvit, más néven magnézium-ammónium-foszfát (MAP), foszfátásvány, amelynek kémiai képlete NH4MgPO4·6H2O. A struvit a rombos kristályrendszerben kristályosodik, fehértől sárgásig terjedő vagy barnásfehér piramis alakú kristályokként, illetve lemezkeszerű formákban. Lágy ásványként a struvit Mohs-keménysége 1,5–2, relatív sűrűsége pedig alacsony, 1,7. Semleges és lúgos körülmények között a struvit alig oldódik, savban azonban könnyen feloldható. Struvitkristályok akkor képződnek, ha a szennyvízben a magnézium, az ammónia és a foszfát mólaránya 1:1:1. Mindhárom elem – a magnézium, az ammónia és a foszfát – rendszerint jelen van a szennyvízben: a magnézium főként a talajból, a tengervízből és az ivóvízből származik, az ammónia a szennyvízben lévő karbamid lebomlásából keletkezik, a foszfát pedig élelmiszerekből, szappanokból és mosószerekből kerül a szennyvízbe. E három elem jelenlétében a struvit nagyobb valószínűséggel képződik magasabb pH-értékek, nagyobb vezetőképesség, alacsonyabb hőmérséklet, valamint magasabb magnézium-, ammónia- és foszfátkoncentráció mellett. Ígéretes a foszfor struvit formájában történő visszanyerése a szennyvízáramokból, és e tápanyagok mezőgazdasági műtrágyaként történő újrahasznosítása.
A struvit értékes, lassú tápanyag-leadású ásványi műtrágya, amelyet a mezőgazdaságban használnak, és amelynek előnye, hogy szemcsés, könnyen használható és szagtalan.