Ultrahangos foszfor visszanyerése a szennyvíziszapból
- A foszfor iránti globális kereslet növekszik, miközben a természetes foszforforrások kínálata egyre szűkösebb.
- A szennyvíziszap és a szennyvíziszap hamuja foszforban gazdag, ezért forrásként használható a foszfor visszanyerésére.
- Az ultrahangos nedves-kémiai feldolgozás és kicsapás 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 nagymértékben használnak a mezőgazdaságban műtrágyaként, valamint számos iparágban, ahol a foszfor értékes adalékanyag (pl. festékek, mosószerek, égésgátlók, állati takarmány). A szennyvíziszap, az elégetett szennyvíziszap hamu (ISSA), a trágya és a tejipari szennyvizek foszforban gazdagok, így a foszfor véges erőforrása, valamint a környezetvédelmi aggályok szempontjából foszfor-visszanyerés forrása.
A folyékony szennyvízáramokból származó foszfor visszanyerési aránya elérheti a 40-50% -ot, míg a szennyvíziszapból és a szennyvíziszap hamujából származó visszanyerési arány elérheti a 90% -ot. A foszfor sokféle formában kicsapódhat, ezek közül az egyik a struvit (kiváló minőségű, lassan felszabaduló műtrágya). Annak érdekében, hogy a foszfor visszanyerése gazdaságos legyen, javítani kell a visszanyerési folyamatot. Az ultrahangos kezelés egy folyamatfokozó módszer, amely felgyorsítja a folyamatot és növeli a visszanyert ásványi anyagok hozamát.
Ultrahangos foszfor-visszanyerés
Ultrahangos kezelés alatt értékes anyagok, például struvit (magnézium-ammónium-foszfát (MAP)), kalcium-foszfát, hidroxiapatit (HAP) / kalcium-hidroxiapatit, oktakalcium-foszfát, trikalcium-foszfát és dikalcium-foszfát-dihidrát visszanyerhetők a hulladékáramokból. Az ultrahangos kezelés javítja a nedves kémiai extrakciót, valamint az értékes anyagok kicsapódását és kristályosodását (sono-kristályosítás) a szennyvíziszapból és az elégetett iszap hamujából.
Míg az egyégetésű szennyvíziszap hamutartalma (8–10%), vas (10–15%) és alumínium (5–10%) meglehetősen magas, mérgező nehézfémeket is tartalmaz, például ólmot, kadmiumot, rezet és cinket.
Phopshorus helyreállítása – Kétlépéses folyamat
-
- savas extrakció
A foszfor visszanyerésének első lépése a foszfor kivonása vagy kioldása a szennyvíziszapból vagy az elégetett szennyvíziszap hamuból (ISSA) savval, például kénsavval vagy sósavval. Az ultrahangos keverés elősegíti a nedves-kémiai kimosódást azáltal, hogy növeli a sav és az ISSA közötti tömegátadást, hogy a foszfor teljes kimosódása gyorsan elérhető legyen. Az extrakciós eljárás javítására etilén-diamin-tetraecetsavat (EDTA) alkalmazó előkezelési lépés alkalmazható.
-
- foszfor kicsapódása
Az ultrahangos kristályosítás jelentősen növeli a foszfátok kicsapódását a vetéspontok növelésével és a molekulák adszorpciójának és aggregációjának felgyorsításával, hogy kristályt képezzen. A foszfor ultrahangos kicsapódása a szennyvízcsigából és az ISSA-ból például magnézium-hidroxid és ammónium-hidroxid alkalmazásával érhető el. A keletkező csapadék struvit, magnéziumból, ammóniumból, foszforból és oxigénből álló vegyület.
A struvit szonokristályosodása
Az ultrahangos diszpergálás elősegíti a fázisok közötti tömegátadást, és elindítja a foszfátok nukleációját és kristálynövekedését (pl. struvit / MAP).
Az ultrahangos inline csapadék és a struvit kristályosodása lehetővé teszi a nagy térfogatú hevederek kezelését ipari méretekben. A nagy szennyvíziszap-áram feldolgozásának kérdése folyamatos ultrahangos eljárással oldható meg, amely felgyorsítja a struvit kristályosodását és javítja a kristályméretet, kisebb, egyenletesebb foszfátrészecskéket termelve. A kicsapódott részecskék méreteloszlását határozzuk meg a nukleációs sebességet és az azt követő kristálynövekedési sebességet. A felgyorsult nukleáció és a gátolt növekedés kulcsfontosságú tényezők a kristallin-foszfát részecskék, azaz a struvit vizes oldatban történő kicsapódásában. Az ultrahangos kezelés egy folyamatfokozó módszer, amely javítja a keverést a reaktív ionok homogén eloszlása érdekében.
Az ultrahangos csapadékról ismert, hogy szűkebb részecskeméret-eloszlást, kisebb kristályméretet, szabályozható morfológiát és valamint gyors nukleációs sebességet biztosít.
Sertésekből kicsapódott struvitkristályok (forrás: Kim et al. 2017)
Jó csapadékeredmények érhetők el például PO3-4 :NH+4 :Mg2+ 1 : 3 : 4 arányban. A 8 és 10 közötti pH-tartomány maximális foszfát P felszabaduláshoz vezet
Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony folyamatfokozó technika, amely elősegíti az értékes anyagok, például kalcium-foszfát, magnézium-ammónium-foszfát (MAP) és hidroxiapatit (HAP), kalcium-hidroxiapatit, oktakalcium-foszfát, trikalcium-foszfát és dikalcium-foszfát-dihidrát a szennyvízből. A szennyvíziszap, a trágya és a tejelő szennyvizek tápanyagban gazdag szennyvízként ismertek, amely alkalmas értékes anyagok előállítására ultrahanggal segített kicsapással.
Struvit kristályképződés:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + Óra2O –> MgNH4BILI4 ∙ 6H2O + H+
Nagy teljesítményű ultrahangos processzorok laboratóriumtól kísérleti és ipari méretekig.
Ipari ultrahangos berendezések kimosódáshoz és csapadékhoz
Nagy teljesítményű ultrahangos rendszerekre és reaktorokra van szükség az elégetett szennyvíziszap hamu (ISSA) és a szennyvíziszap ipari méretű kezeléséhez. A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos berendezések tervezésére és gyártására specializálódott – A laboratóriumtól és az asztali asztaltól a teljesen ipari egységekig. A Hielscher ultrahangos készülékek robusztusak és a 24/7 működésre épülnek teljes terhelés alatt igényes környezetben. Az olyan tartozékok, mint a különböző geometriájú áramlási cellás reaktorok, sonotrodes (ultrahangos szondák) és booster kürtök lehetővé teszik az ultrahangos rendszer optimális adaptálását a folyamat követelményeihez. A nagy mennyiségű áramok feldolgozásához a Hielscher 4kW, 10kW és 16kW ultrahangos egységeket kínál, amelyek könnyen kombinálhatók az ultrahangos klaszterekkel párhuzamosan.
A Hielscher kifinomult ultrahangos készülékei digitális érintőképernyővel rendelkeznek a könnyű kezelhetőség és a folyamatparaméterek pontos szabályozása érdekében.
A felhasználóbarát és a könnyű, biztonságos működés a Hielscher ultrasonicators legfontosabb jellemzői. A távoli böngésző vezérlése lehetővé teszi az ultrahangos rendszer működését és vezérlését PC-n, okostelefonon vagy táblagépen keresztül.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
| Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
|---|---|---|
| 10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
| 10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
| n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
| n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
Irodalom/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 kristályosodás-csapadék folyamatokra: Néhány példa és egy új szegregációs modell. Részecske- és részecskerendszerek jellemzése, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Tápanyagok kivonása tejipari szennyvízből MAP (magnézium-ammónium-foszfát) és HAP (hidroxiapatit) formájában. 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): A pH, a moláris arányok és az előkezelés hatása a foszfor visszanyerésére az anaerob úton emésztett sertésszennyvízből származó struvitkristályosodás révén. Környezetmérnöki kutatás 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Lassan felszabaduló kristályműtrágya előállítása a szennyvízből struvit kristályosítással. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Hogyan működik az ultrahangos csapadék?
Az ultrahangos kezelés befolyásolja a nukleációt és a kristálynövekedést, az úgynevezett folyamatot Sonocrystallizáció.
Először is, az ultrahang alkalmazása lehetővé teszi a nukleációs sebesség befolyásolását, ahol folyékony oldatból szilárd kristályok képződnek. A nagy teljesítményű ultrahang kavitációt hoz létre, amely a vákuumbuborékok növekedése és összeomlása folyékony közegben. A vákuumbuborékok implóziója energiát vezet be a rendszerbe, és csökkenti a kritikus szabad energia felesleget. Ezáltal a vetési pontok és a nukleáció nagy sebességgel és a legkorábbi időpontban indulnak el. A kavitációs buborék és az oldat közötti határfelületen az oldott molekula felét az oldószer szolvatizálja, míg a molekula felületének másik felét a kavitációs buborék borítja, így a szolvatációs sebesség csökken. Megakadályozzuk az oldott molekula újbóli feloldódását, miközben az oldatban lévő molekulák koagulációja megnő.
Másodszor, az ultrahangos kezelés elősegíti a kristálynövekedést. Az ultrahangos keverés elősegíti a kristályok növekedését a molekulák tömegátadásának és aggregációjának növelésével.
Az ultrahangos kezeléssel elért eredmények az ultrahangos üzemmóddal szabályozhatók:
Folyamatos szonikálás:
Az oldat folyamatos ultrahangos kezelése számos nukleációs helyet eredményez, így nagyszámú kis kristály keletkezik
Pulzáló szonikáció:
Az impulzusos / ciklikus szonikáció alkalmazása lehetővé teszi a kristályméret pontos szabályozását
Szonikáció a nukleáció elindításához:
Ha az ultrahangot csak a kristályosodási folyamat kezdetén alkalmazzák, véges számú mag képződik, amelyeket ezután nagyobb méretre termesztenek.
A kristályosítás során végzett ultrahangos kezeléssel a kristályszerkezetek növekedési üteme, mérete és alakja befolyásolható és szabályozható. Az ultrahangos kezelés különböző lehetőségei a szono-kristályosodási folyamatokat pontosan szabályozhatóvá és megismételhetővé teszik.
ultrahangos kavitáció
Amikor a nagy intenzitású ultrahang áthalad egy folyékony közegen, a nagynyomású (kompressziós) és az alacsony nyomású (ritka) hullámok váltakoznak a folyadékon. Ha a folyadékon áthaladó ultrahangos hullám által okozott negatív nyomás elég nagy, a folyadék molekulái közötti távolság meghaladja a folyadék sértetlenségéhez szükséges minimális molekuláris távolságot, majd a folyadék lebomlik, hogy vákuumbuborékok vagy üregek keletkezzenek. Ezeket a vákuumbuborékokat más néven Kavitáció Buborékok.
Kavitációs buborékok használt teljesítmény ultrahangos alkalmazások, mint például keverés, Szétválogatása, őrlés, Extrakció stb. 10 Wcm-nél nagyobb ultrahang intenzitás alatt fordulnak elő2. A kavitációs buborékok több akusztikus alacsony nyomású / nagynyomású cikluson keresztül nőnek, amíg el nem érik azt a dimenziót, ahol nem tudnak több energiát elnyelni. Amikor a kavitációs buborék elérte a maximális méretét, hevesen összeomlik egy kompressziós ciklus alatt. Az átmeneti kavitációs buborék heves összeomlása szélsőséges körülményeket teremt, például nagyon magas hőmérsékletet és nyomást, nagyon magas nyomás- és hőmérsékletkülönbségeket és folyadéksugarakat. Ezek az erők az ultrahangos alkalmazásokban használt kémiai és mechanikai hatások forrása. Minden összeomló buborék mikroreaktornak tekinthető, amelyben több ezer fokos hőmérséklet és ezer atmoszféránál nagyobb nyomás keletkezik azonnal [Suslick és mtsai., 1986].
Az ultrahangos extrakció akusztikus kavitáción és hidrodinamikai nyíróerőin alapul
foszfor
A foszfor alapvető, nem regenerálható erőforrás, és a szakértők már most azt jósolják, hogy a világ be fog ütni “foszfor-csúcs”, azaz az az idő, amikortól a kínálat már nem tudja kielégíteni a megnövekedett keresletet, kb. 20 év múlva. Az Európai Bizottság a foszfort már kritikus fontosságú nyersanyagként sorolta be.
A szennyvíziszapot gyakran használják műtrágyaként a mezőkön. Mivel azonban a szennyvíziszap nemcsak értékes foszfátot, hanem káros nehézfémeket és szerves szennyező anyagokat is tartalmaz, sok ország, például Németország, jogszabályokkal korlátozza, hogy mennyi szennyvíziszap használható műtrágyaként. Sok országban, például Németországban szigorú műtrágya-előírások vannak érvényben, amelyek szigorúan korlátozzák a nehézfémekkel való szennyeződést. Mivel a foszfor véges erőforrás, a 2017-es német szennyvíziszap-rendelet előírja a szennyvíztelepek üzemeltetői számára a foszfátok újrahasznosítását.
A foszfor visszanyerhető a szennyvízből, a szennyvíziszapból, valamint az elégetett szennyvíziszap hamujából.
foszfát
A foszfát, szervetlen vegyi anyag, a foszforsav sója. A szervetlen foszfátokat bányászják, hogy foszfort kapjanak a mezőgazdaságban és az iparban való felhasználásra. A szerves kémia esetében a foszfát vagy a szerves foszfát a foszforsav észtere.
Ne tévessze össze a foszfor nevet a foszfor elemmel (kémiai szimbólum P). Ez két különböző dolog. A nitrogéncsoport többértékű nemféme, a foszfor általában szervetlen foszfát sziklákban található.
A szerves foszfátok fontosak a biokémiában és a biogeokémiában.
A foszfát a PO ion neve43-. A foszforsav viszont a H3PO3 triprotikus sav neve. Ez 3 H kombinációja+ ionok és egy foszfit (PO33-) ion.
A foszfor az a kémiai elem, amelynek P szimbóluma és atomszáma 15. A foszforvegyületeket széles körben használják robbanóanyagokban, idegmérgekben, súrlódási mérkőzésekben, tűzijátékokban, peszticidekben, fogkrémekben és mosószerekben is.
Struvite
A struvit, más néven magnézium-ammónium-foszfát (MAP), foszfátásvány, kémiai képlete NH4MgPO4·6 óra2O. A struvit az orthorhombikus rendszerben fehértől sárgásig vagy barnásfehérig terjedő piramiskristályok vagy platletszerű formákban kristályosodik. Lágy ásványi anyagként a struvit Mohs-keménysége 1,5-2 és alacsony fajsúlya 1,7. Semleges és lúgos körülmények között a struvit alig oldódik, de savban könnyen oldódik. Struvitkristályok akkor keletkeznek, ha a szennyvízben mól-mól-mól arány (1:1:1) van magnézium, ammónia és foszfát. Mindhárom elem – magnézium, ammónia és foszfát – általában jelen vannak a szennyvízben: a magnézium főként a talajból, a tengervízből és az ivóvízből származik, az ammónia a szennyvízben lévő karbamidból bomlik le, a foszfát pedig az élelmiszerekből, szappanokból és mosószerekből a szennyvízbe kerül. Ha ez a három elem jelen van, a struvit nagyobb valószínűséggel képződik magasabb pH-értékeknél, magasabb vezetőképességnél, alacsonyabb hőmérsékleten és magasabb magnézium-, ammónia- és foszfátkoncentrációknál. A foszfor visszanyerése a szennyvízáramokból struvitként és e tápanyagok mezőgazdasági műtrágyaként történő újrahasznosítása ígéretes.
A struvit a mezőgazdaságban használt értékes, lassan felszabaduló ásványi műtrágya, amelynek előnye, hogy szemcsés, könnyen használható és szagmentes.