Pemulihan Fosfor Ultrasonik dari Lumpur Limbah
- Permintaan fosfor di seluruh dunia meningkat, sementara pasokan sumber daya fosfor alami semakin langka.
- Lumpur limbah dan abu lumpur limbah kaya akan fosfor dan oleh karena itu dapat digunakan sebagai sumber untuk merebut kembali fosfor.
- Pemrosesan dan presipitasi kimia basah ultrasonik meningkatkan pemulihan fosfat dari lumpur limbah serta dari abu lumpur yang dibakar dan membuat pemulihan secara signifikan lebih ekonomis.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) adalah sumber daya yang tidak terbarukan, yang banyak digunakan dalam pertanian sebagai pupuk serta di banyak industri, di mana fosfor adalah aditif yang berharga (misalnya, cat, deterjen cucian, penghambat api, pakan ternak). Lumpur limbah, abu lumpur limbah yang dibakar (ISSA), kotoran dan limbah susu kaya akan fosfor, menjadikannya sumber pemulihan fosfor sehubungan dengan sumber daya fosfor yang terbatas serta masalah lingkungan.
Tingkat pemulihan fosfor dari aliran air limbah cair dapat mencapai 40 hingga 50%, sedangkan tingkat pemulihan dari lumpur limbah dan abu lumpur limbah dapat mencapai hingga 90%. Fosfor dapat diendapkan dalam berbagai bentuk, salah satunya adalah struvite (dihargai sebagai pupuk lepas lambat berkualitas tinggi). Untuk membuat reklamasi fosfor ekonomis, proses pemulihan harus ditingkatkan. Ultrasonikasi adalah metode intensifikasi proses yang mempercepat proses dan meningkatkan hasil mineral yang dipulihkan.
Pemulihan Fosfor Ultrasonik
Di bawah sonikasi, bahan berharga seperti struvite (magnesium ammonium fosfat (MAP)), kalsium fosfat, hidroksiapatit(HAP) / kalsium hidroksiapatit, oktakalsium fosfat, trikalsium fosfat, dan dikalsium fosfat dihidrat dapat dipulihkan dari aliran limbah. Perawatan ultrasonik meningkatkan ekstraksi kimia basah serta pengendapan dan kristalisasi (sono-kristalisasi) bahan berharga dari lumpur limbah dan dari abu lumpur yang dibakar.
Sementara kandungan fosfor (8-10%), besi (10-15%), dan aluminium (5-10%) dalam abu lumpur limbah mono-inbakar cukup tinggi, ia juga mengandung logam berat beracun seperti timbal, kadmium, tembaga, dan seng.
Pemulihan Phopshorus – Proses Dua Langkah
-
- ekstraksi asam
Langkah pertama pemulihan fosfor adalah ekstraksi atau pencucian fosfor dari lumpur limbah atau abu lumpur limbah yang dibakar (ISSA) menggunakan asam seperti asam sulfat atau asam klorida. Pencampuran ultrasonik mempromosikan pencucian kimia basah dengan meningkatkan perpindahan massa antara asam dan ISSA sehingga pencucian lengkap fosfor tercapai dengan cepat. Langkah pra-perawatan menggunakan asam etilendiaminetetraacetatic (EDTA) dapat digunakan untuk meningkatkan prosedur ekstraksi.
-
- Presipitasi Fosfor
Kristalisasi ultrasonik meningkatkan pengendapan fosfat secara signifikan dengan meningkatkan titik penyemaian dan mempercepat adsorpsi dan agregasi molekul untuk membentuk kristal. Pengendapan ultrasonik fosfor dari banjir limbah dan ISSA dapat dicapai misalnya, dengan menggunakan magnesium hidroksida dan amonium hidroksida. Endapan yang dihasilkan adalah struvite, senyawa yang terdiri dari magnesium, amonium, fosfor, dan oksigen.
Sonokristalisasi Struvite
Dispersi ultrasonik mempromosikan transfer massa antar fase dan memulai nukleasi dan pertumbuhan kristal untuk fosfat (misalnya, struvite / MAP).
Presipitasi inline ultrasonik dan kristalisasi struvite memungkinkan perawatan stram volume besar pada skala industri. Masalah pemrosesan aliran lumpur limbah yang besar dapat diselesaikan dengan proses ultrasonik berkelanjutan, yang mempercepat kristalisasi struvite dan meningkatkan ukuran kristal yang menghasilkan partikel fosfat yang lebih kecil dan lebih seragam. Distribusi ukuran partikel yang diendapkan ditentukan laju nukleasi dan laju pertumbuhan kristal berikutnya. Nukleasi yang dipercepat dan pertumbuhan yang terhambat adalah faktor kunci untuk pengendapan partikel fosfat kristalin, yaitu struvite, dalam larutan berair. Ultrasonikasi adalah metode pengintensifan proses yang meningkatkan pencampuran untuk mendapatkan distribusi ion reaktif yang homogen.
Presipitasi ultrasonik diketahui memberikan distribusi ukuran partikel yang lebih sempit, ukuran kristal yang lebih kecil, morfologi yang dapat dikontrol dan juga laju nukleasi yang cepat.
Kristal struvite yang diendapkan dari limbah babi (sumber: Kim et al. 2017)
Hasil curah hujan yang baik dapat dicapai misalnya dengan PO3-4 :NH+4 :Mg2+ dengan perbandingan 1 : 3 : 4. Kisaran pH 8 hingga 10 mengarah pada pelepasan P fosfat maksimum
Ultrasonication adalah teknik intensifikasi proses yang sangat efisien untuk mempromosikan pengendapan bahan berharga seperti kalsium fosfat, magnesium amonium fosfat (MAP) dan hidroksiapatit, kalsium hidroksiapatit, oktakalsium fosfat, trikalsium fosfat, dan dikalsium fosfat dihidrat dari air limbah. Lumpur limbah, pupuk kandang, dan limbah susu dikenal sebagai air limbah kaya nutrisi, yang cocok untuk produksi bahan berharga melalui presipitasi yang dibantu ultrasonik.
Pembentukan kristal struvite:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6 Jam2O + H+
Prosesor ultrasonik berdaya tinggi dari laboratorium hingga skala percontohan dan industri.
Peralatan Ultrasonik Industri untuk Pencucian dan Presipitasi
Sistem dan reaktor ultrasonik berkinerja tinggi diperlukan untuk mengolah abu lumpur limbah yang dibakar (ISSA) dan lumpur limbah pada skala industri. Hielscher Ultrasonics mengkhususkan diri dalam desain dan pembuatan peralatan ultrasonik berdaya tinggi – dari lab dan bench-top hingga unit industri sepenuhnya. Ultrasonicators Hielscher kuat dan dibangun untuk operasi 24/7 di bawah beban penuh di lingkungan yang menuntut. Aksesori seperti reaktor sel aliran dengan berbagai geometri, sonotrode (probe ultrasonik) dan tanduk booster memungkinkan adaptasi optimal dari sistem ultrasonik dengan persyaratan proses. Untuk memproses aliran volume besar, Hielscher menawarkan unit ultrasonik 4kW, 10kW dan 16kW, yang dapat dengan mudah digabungkan secara paralel dengan kelompok ultrasonik.
Ultrasonicators canggih Hielscher memiliki tampilan sentuh digital untuk pengoperasian yang mudah dan kontrol yang tepat dari parameter proses.
Keramahan pengguna dan pengoperasian yang mudah dan aman adalah fitur utama ultrasonicator Hielscher. Kontrol browser jarak jauh memungkinkan pengoperasian dan kontrol sistem ultrasonik melalui PC, ponsel pintar atau tablet.
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Literatur / Referensi
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Pengaruh ultrasound pada proses kristalisasi-presipitasi: Beberapa contoh dan model segregasi baru. Karakterisasi Sistem Partikel dan Partikel, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), hlm.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Ekstraksi Nutrisi dari Air Limbah Susu dalam Bentuk MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) dan HAP (Hydroxyapatite). Jurnal Kimia Rasayan Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, MS:; Taman, KY (2017): Pengaruh pH, rasio molar, dan pra-perlakuan pada pemulihan fosfor melalui kristalisasi struvite dari limbah air limbah babi yang dicerna secara anaerobik. Penelitian Teknik Lingkungan 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Produksi pupuk kristal lepas lambat dari air limbah melalui kristalisasi struvite. Bahasa Arab. J. Kimia. 7, 139–155.
Fakta-fakta yang Patut Diketahui
Bagaimana Cara Kerja Presipitasi Ultrasonik?
Ultrasonication berdampak pada nukleasi dan pertumbuhan kristal, sebuah proses yang dikenal sebagai sonokristalisasi.
Pertama, penerapan ultrasound memungkinkan untuk mempengaruhi laju nukleasi, di mana ada kristal padat terbentuk dari larutan cair. Ultrasond berdaya tinggi menciptakan kavitasi, yang merupakan pertumbuhan dan ledakan gelembung vakum dalam media cair. Ledakan gelembung vakum memperkenalkan energi ke dalam sistem dan mengurangi kelebihan energi bebas yang kritis. Dengan demikian, titik penyemaian dan nukleasi dimulai pada tingkat tinggi dan pada waktu paling awal. Pada antarmuka antara gelembung kavitasi dan larutan, setengah dari molekul zat terlarut dilarutkan oleh pelarut, sedangkan separuh lainnya dari permukaan molekul ditutupi oleh gelembung kavitasi, sehingga laju solvasi menurun. Pembubaran kembali molekul zat terlarut dicegah, sementara koagulasi molekul dalam larutan meningkat.
Kedua, sonikasi mendorong pertumbuhan kristal. Pencampuran ultrasonik mendorong pertumbuhan kristal dengan meningkatkan perpindahan massa dan agregasi molekul.
Hasil yang dicapai dengan sonikasi dapat dikendalikan oleh mode sonikasi:
Sonikasi Kontinu:
Perawatan ultrasonik terus menerus dari larutan menghasilkan banyak situs nukleasi, sehingga sejumlah besar kristal kecil tercipta
Sonikasi Berdenyut:
Penerapan sonikasi berdenyut / bersiklus memungkinkan kontrol yang tepat atas ukuran kristal
Sonikasi untuk memulai nukleasi:
Ketika ultrasound diterapkan hanya selama awal proses kristalisasi, sejumlah inti yang terbatas terbentuk, yang kemudian tumbuh menjadi ukuran yang lebih besar.
Menggunakan ultrasonikasi selama kristalisasi, laju pertumbuhan, ukuran, dan bentuk struktur kristal dapat dipengaruhi dan dikontrol. Berbagai pilihan sonikasi membuat proses kristalisasi sono dapat dikontrol dan diulang.
Kavitasi ultrasonik
Ketika USG intensitas tinggi melintasi media cair, gelombang tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaction) bergantian melalui cairan. Ketika tekanan negatif yang disebabkan oleh gelombang ultrasonik yang melintasi cairan cukup besar, jarak antara molekul cairan melebihi jarak molekul minimum yang diperlukan untuk menahan cairan utuh, dan kemudian cairan terurai sehingga gelembung vakum atau rongga tercipta. Gelembung vakum tersebut juga dikenal sebagai Kavitasi Gelembung.
Gelembung kavitasi yang digunakan untuk aplikasi ultrasonik daya seperti pencampuran, Dispersing / Penyebaran, Milling, Extraction / Ekstraksi dll terjadi di bawah intensitas ultrasound lebih tinggi dari 10 Wcm2. Gelembung kavitasi tumbuh selama beberapa siklus akustik tekanan rendah / tekanan tinggi sampai mencapai dimensi di mana mereka tidak dapat menyerap lebih banyak energi. Ketika gelembung kavitasi telah mencapai ukuran maksimumnya, gelembung tersebut meledak dengan hebat selama siklus kompresi. Runtuhnya gelembung kavitasi sementara menciptakan kondisi ekstrem seperti suhu dan tekanan yang sangat tinggi, perbedaan tekanan dan suhu yang sangat tinggi, dan jet cairan. Gaya-gaya tersebut adalah sumber efek kimia dan mekanik yang digunakan dalam aplikasi ultrasonik. Setiap gelembung yang runtuh dapat dianggap sebagai mikroreaktor di mana suhu beberapa ribu derajat dan tekanan lebih tinggi dari seribu atmosfer dibuat secara instan [Suslick et al 1986].
Ekstraksi ultrasonik didasarkan pada kavitasi akustik dan gaya geser hidrodinamiknya
fosfor
Fosfor adalah sumber daya penting yang tidak dapat diregenerasi dan para ahli sudah memprediksi bahwa dunia akan melanda “puncak fosfor”, yaitu waktu di mana pasokan tidak dapat lagi memenuhi peningkatan permintaan, dalam waktu sekitar 20 tahun. Komisi Eropa telah mengklasifikasikan fosfor sebagai bahan baku penting.
Lumpur limbah sering digunakan sebagai pupuk yang disebarkan di ladang. Namun, karena lumpur limbah tidak hanya mengandung fosfat yang berharga tetapi juga logam berat berbahaya dan polutan organik, banyak negara seperti Jerman, membatasi dengan undang-undang berapa banyak lumpur limbah yang dapat digunakan sebagai pupuk. Banyak negara seperti Jerman memiliki peraturan pupuk yang ketat, yang membatasi kontaminasi dengan logam berat secara ketat. Karena fosfor adalah sumber daya yang terbatas, Peraturan Lumpur Limbah Jerman dari 2017 mewajibkan operator pabrik limbah untuk mendaur ulang fosfat.
Fosfor dapat dipulihkan dari air limbah, lumpur limbah, serta dari abu lumpur limbah yang dibakar.
Fosfat
Fosfat, bahan kimia anorganik, adalah garam asam fosfat. Fosfat anorganik ditambang untuk mendapatkan fosfor untuk digunakan dalam pertanian dan industri. Dalam kimia organik, fosfat, atau organofosfat, adalah ester asam fosfat.
Jangan bingung nama fosfor dengan unsur fosfor (simbol kimia P). Mereka adalah dua hal yang berbeda. Bukan logam multivalen dari gugus nitrogen, fosfor umumnya ditemukan dalam batuan fosfat anorganik.
Fosfat organik penting dalam biokimia dan biogeokimia.
Fosfat adalah nama ion PO43-. Asam fosfor, di sisi lain, adalah nama asam triprotik H3PO3. Ini adalah kombinasi dari 3 H+ ion dan satu fosfit (PO33-) ion.
Fosfor adalah unsur kimia yang memiliki simbol P dan nomor atom 15. Senyawa fosfor juga banyak digunakan dalam bahan peledak, agen saraf, korek api gesekan, kembang api, pestisida, pasta gigi dan deterjen.
struvite
Struvite, juga disebut sebagai magnesium amonium fosfat (MAP), adalah mineral fosfat dengan rumus kimia NH4MgPO4· 6H2O. Struvite mengkristal dalam sistem ortorombik sebagai kristal piramida putih hingga kekuningan atau putih kecoklatan atau dalam bentuk seperti platlet. Menjadi mineral lunak, struvite memiliki kekerasan Mohs 1,5 hingga 2 dan berat jenis rendah 1,7. Dalam kondisi netral dan basa, struvite hampir tidak larut, tetapi dapat dengan mudah dilarutkan dalam asam. Kristal struvite terbentuk ketika ada rasio mol ke mol terhadap mol (1:1:1) magnesium, amonia dan fosfat dalam air limbah. Ketiga elemen tersebut – magnesium, amonia dan fosfat – Biasanya ada dalam air limbah: magnesium yang berasal terutama dari tanah, air laut dan air minum, amonia dipecah dari urea dalam air limbah, dan fosfat yang berasal dari makanan, sabun dan deterjen ke dalam air limbah. Dengan ketiga unsur ini, struvite lebih mungkin terbentuk pada nilai pH yang lebih tinggi, konduktivitas yang lebih tinggi, suhu yang lebih rendah, dan konsentrasi magnesium, amonia, dan fosfat yang lebih tinggi. Pemulihan fosfor dari aliran air limbah sebagai struvite dan mendaur ulang nutrisi tersebut sebagai pupuk untuk pertanian sangat menjanjikan.
Struvite adalah pupuk mineral lepas lambat yang berharga yang digunakan dalam pertanian, yang memiliki keunggulan butiran, mudah digunakan, dan bebas bau.