Pemulihan Fosfor dari Lumpur Air Limbah secara Ultrasonik
- Permintaan fosfor di seluruh dunia meningkat, sementara pasokan sumber daya fosfor alami semakin langka.
- Lumpur air limbah dan abu lumpur air limbah kaya akan fosfor sehingga dapat digunakan sebagai sumber untuk memulihkan fosfor.
- Pemrosesan kimia basah dan pengendapan secara ultrasonik meningkatkan pemulihan fosfat dari lumpur air limbah maupun abu hasil pembakaran lumpur dan membuat pemulihan jauh lebih ekonomis.
Fosfor
Fosfor (phosphor, P) merupakan sumber daya tak terbarukan yang banyak digunakan dalam pertanian sebagai pupuk serta di berbagai industri, tempat fosfor menjadi bahan aditif yang bernilai (misalnya, cat, detergen pencuci pakaian, penghambat nyala, pakan ternak). Lumpur air limbah, abu hasil pembakaran lumpur air limbah (ISSA), kotoran ternak, dan efluen industri susu kaya akan fosfor, sehingga menjadi sumber pemulihan fosfor mengingat keterbatasan sumber daya fosfor serta pertimbangan lingkungan.
Tingkat pemulihan fosfor dari aliran air limbah cair dapat mencapai 40 hingga 50%, sementara tingkat pemulihan dari lumpur air limbah dan abu lumpur air limbah dapat mencapai hingga 90%. Fosfor dapat diendapkan dalam berbagai bentuk, salah satunya struvit (dinilai sebagai pupuk lepas lambat berkualitas tinggi). Agar pemulihan fosfor ekonomis, proses pemulihan harus ditingkatkan. Ultrasonikasi merupakan metode intensifikasi proses yang mempercepat proses dan meningkatkan rendemen mineral yang dipulihkan.
Pemulihan Fosfor secara Ultrasonik
Dengan sonikasi, bahan bernilai seperti struvit (magnesium amonium fosfat (MAP)), kalsium fosfat, hidroksiapatit (HAP) / kalsium hidroksiapatit, oktakalsium fosfat, trikalsium fosfat, dan dikalsium fosfat dihidrat dapat dipulihkan dari aliran limbah. Perlakuan ultrasonik meningkatkan ekstraksi kimia basah serta pengendapan dan kristalisasi (sonokristalisasi) bahan bernilai dari lumpur air limbah dan abu hasil pembakaran lumpur.
Meskipun kandungan fosfor (8–10%), besi (10–15%), dan aluminium (5–10%) dalam abu hasil pembakaran lumpur air limbah tanpa bahan bakar limbah lain cukup tinggi, abu tersebut juga mengandung logam berat beracun seperti timbal, kadmium, tembaga, dan seng.
Pemulihan Fosfor – Proses Dua Tahap
-
- Ekstraksi Asam
Tahap pertama pemulihan fosfor adalah ekstraksi atau pelindian fosfor dari lumpur air limbah atau abu hasil pembakaran lumpur air limbah (ISSA) menggunakan asam seperti asam sulfat atau asam klorida. Pencampuran ultrasonik mendorong pelindian kimia basah dengan meningkatkan perpindahan massa antara asam dan ISSA sehingga pelindian fosfor secara menyeluruh tercapai dengan cepat. Tahap praperlakuan menggunakan asam etilendiamintetraasetat (EDTA) dapat digunakan untuk meningkatkan prosedur ekstraksi.
-
- Pengendapan Fosfor
Kristalisasi ultrasonik meningkatkan pengendapan fosfat secara signifikan dengan memperbanyak titik pembentukan inti dan mempercepat adsorpsi serta agregasi molekul untuk membentuk kristal. Pengendapan fosfor secara ultrasonik dari lumpur air limbah dan ISSA dapat dicapai, misalnya, dengan menggunakan magnesium hidroksida dan amonium hidroksida. Endapan yang dihasilkan adalah struvit, senyawa yang tersusun dari magnesium, amonium, fosfor, dan oksigen.
Sonokristalisasi Struvit
Pendispersian ultrasonik mendorong perpindahan massa antarfase serta memulai nukleasi dan pertumbuhan kristal fosfat (misalnya, struvit / MAP).
Pengendapan dan kristalisasi struvit secara ultrasonik dalam jalur aliran memungkinkan pengolahan aliran bervolume besar pada skala industri. Permasalahan pemrosesan aliran lumpur air limbah yang besar dapat diatasi dengan proses ultrasonik kontinu, yang mempercepat kristalisasi struvit dan memperbaiki ukuran kristal dengan menghasilkan partikel fosfat yang lebih kecil dan lebih seragam. Distribusi ukuran partikel yang diendapkan ditentukan oleh laju nukleasi dan laju pertumbuhan kristal selanjutnya. Nukleasi yang dipercepat dan pertumbuhan yang dihambat merupakan faktor kunci pengendapan partikel fosfat kristalin, yaitu struvit, dalam larutan berair. Ultrasonikasi merupakan metode intensifikasi proses yang meningkatkan pencampuran untuk memperoleh distribusi ion reaktif yang homogen.
Pengendapan ultrasonik diketahui menghasilkan distribusi ukuran partikel yang lebih sempit, ukuran kristal yang lebih kecil, morfologi yang dapat dikendalikan, serta laju nukleasi yang cepat.
Kristal struvit yang diendapkan dari efluen peternakan babi (sumber: Kim et al. 2017)
Hasil pengendapan yang baik dapat dicapai, misalnya, dengan PO3-4 : NH+4 : Mg2+ pada rasio 1 : 3 : 4. Rentang pH 8 hingga 10 menghasilkan pelepasan P fosfat maksimum
Ultrasonikasi merupakan teknik intensifikasi proses yang sangat efisien untuk mendorong pengendapan bahan bernilai seperti kalsium fosfat, magnesium amonium fosfat (MAP) dan hidroksiapatit (HAP), kalsium hidroksiapatit, oktakalsium fosfat, trikalsium fosfat, dan dikalsium fosfat dihidrat dari air limbah. Lumpur air limbah, kotoran ternak, dan efluen industri susu dikenal sebagai air limbah kaya nutrien, yang sesuai untuk produksi bahan bernilai melalui pengendapan berbantuan ultrasonik.
Pembentukan kristal struvit:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Prosesor ultrasonik berdaya tinggi dari skala laboratorium hingga skala pilot dan industri.
Peralatan Ultrasonik Industri untuk Pelindian dan Pengendapan
Sistem dan reaktor ultrasonik berkinerja tinggi diperlukan untuk mengolah abu hasil pembakaran lumpur air limbah (ISSA) dan lumpur air limbah pada skala industri. Hielscher Ultrasonics mengkhususkan diri dalam perancangan dan pembuatan peralatan ultrasonik berdaya tinggi – dari unit laboratorium dan unit meja hingga unit industri sepenuhnya. Sonikator Hielscher kokoh dan dibuat untuk beroperasi 24/7 dengan beban penuh dalam lingkungan yang berat. Aksesori seperti reaktor sel alir dengan beragam geometri, sonotrode (probe ultrasonik), dan horn penguat memungkinkan penyesuaian sistem ultrasonik secara optimal terhadap kebutuhan proses. Untuk memproses aliran bervolume besar, Hielscher menawarkan unit ultrasonik 4kW, 10kW, dan 16kW, yang dapat dengan mudah digabungkan secara paralel menjadi kelompok unit ultrasonik.
Sonikator canggih Hielscher dilengkapi layar sentuh digital untuk pengoperasian yang mudah dan pengendalian parameter proses yang presisi.
Kemudahan penggunaan serta pengoperasian yang mudah dan aman merupakan fitur utama sonikator Hielscher. Kendali jarak jauh melalui peramban memungkinkan pengoperasian dan pengendalian sistem ultrasonik melalui PC, ponsel pintar, atau tablet.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| tidak berlaku | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| tidak berlaku | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Literatur/referensi
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): The effect of ultrasound on crystallisation-precipitation processes: Some examples and a new segregation model. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extraction of Nutrients from Dairy Wastewater in the Form of MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) and HAP (Hydroxyapatite). 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): Effects of pH, molar ratios and pre-treatment on phosphorus recovery through struvite crystallization from effluent of anaerobically digested swine wastewater. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Production of slow release crystal fertilizer from wastewaters through struvite crystallization. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Fakta yang Perlu Diketahui
Bagaimana Pengendapan Ultrasonik Bekerja?
Ultrasonikasi memengaruhi nukleasi dan pertumbuhan kristal, suatu proses yang dikenal sebagai sonokristalisasi.
Pertama, penerapan ultrasonik memungkinkan pengaruh terhadap laju nukleasi, yaitu ketika kristal padat terbentuk dari larutan cair. Ultrasonik berdaya tinggi menghasilkan kavitasi, yaitu pertumbuhan dan implosi gelembung vakum dalam medium cair. Implosi gelembung vakum memasukkan energi ke dalam sistem dan mengurangi energi bebas berlebih kritis. Dengan demikian, pembentukan titik inti dan nukleasi dimulai dengan laju tinggi dan pada waktu sedini mungkin. Pada antarmuka antara gelembung kavitasi dan larutan, separuh molekul zat terlarut disolvasi oleh pelarut, sementara separuh permukaan molekul lainnya tertutup gelembung kavitasi, sehingga laju solvasi menurun. Pelarutan 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 melalui sonikasi dapat dikendalikan melalui mode sonikasi:
Sonikasi kontinu:
Perlakuan ultrasonik kontinu terhadap larutan menghasilkan banyak lokasi nukleasi, sehingga terbentuk sejumlah besar kristal kecil
Sonikasi berpulsa:
Penerapan sonikasi berpulsa / bersiklus memungkinkan pengendalian ukuran kristal secara presisi
Sonikasi untuk memulai nukleasi:
Ketika ultrasonik diterapkan hanya pada awal proses kristalisasi, terbentuk sejumlah inti yang terbatas, yang kemudian ditumbuhkan hingga berukuran lebih besar.
Dengan menggunakan ultrasonikasi selama kristalisasi, laju pertumbuhan, ukuran, dan bentuk struktur kristal dapat dipengaruhi dan dikendalikan. Berbagai pilihan sonikasi membuat proses sonokristalisasi dapat dikendalikan secara presisi dan diulang.
Kavitasi Ultrasonik
Ketika ultrasonik berintensitas tinggi melintasi medium cair, gelombang bertekanan tinggi (kompresi) dan bertekanan rendah (rarefaksi) merambat secara bergantian melalui cairan. Ketika tekanan negatif yang disebabkan oleh gelombang ultrasonik yang melintasi cairan cukup besar, jarak antarmolekul cairan melampaui jarak molekuler minimum yang diperlukan untuk mempertahankan keutuhan cairan, lalu cairan terputus sehingga terbentuk gelembung vakum atau rongga. Gelembung vakum tersebut juga dikenal sebagai gelembung kavitasi .
Gelembung kavitasi yang digunakan untuk aplikasi ultrasonik berdaya tinggi seperti pencampuran, pendispersian, penggilingan, ekstraksi dan sebagainya terbentuk pada intensitas ultrasonik yang lebih tinggi dari 10 Wcm2. Gelembung kavitasi tumbuh selama beberapa siklus akustik bertekanan rendah / bertekanan tinggi hingga mencapai ukuran ketika gelembung tersebut tidak dapat menyerap energi lagi. Ketika gelembung kavitasi mencapai ukuran maksimumnya, gelembung tersebut mengalami implosi dahsyat selama siklus kompresi. Keruntuhan dahsyat gelembung kavitasi transien menciptakan kondisi ekstrem seperti suhu dan tekanan yang sangat tinggi, perbedaan tekanan dan suhu yang sangat tinggi, serta semburan cairan. Gaya-gaya tersebut merupakan sumber efek kimia dan mekanis yang digunakan dalam aplikasi ultrasonik. Setiap gelembung yang runtuh dapat dianggap sebagai mikroreaktor yang seketika menghasilkan suhu beberapa ribu derajat dan tekanan lebih tinggi dari seribu atmosfer [Suslick et al 1986].
Ekstraksi ultrasonik didasarkan pada kavitasi akustik dan gaya geser hidrodinamiknya
Fosfor
Fosfor merupakan sumber daya esensial yang tidak dapat diregenerasi, dan para ahli telah memprediksi bahwa dunia akan mencapai “puncak fosfor”, yaitu saat pasokan tidak lagi dapat memenuhi peningkatan permintaan, dalam sekitar 20 tahun. Komisi Eropa telah menggolongkan fosfor sebagai bahan baku kritis.
Lumpur air limbah sering digunakan sebagai pupuk yang disebarkan di lahan pertanian. Namun, karena lumpur air limbah tidak hanya mengandung fosfat yang bernilai tetapi juga logam berat berbahaya dan polutan organik, banyak negara seperti Jerman membatasi melalui peraturan perundang-undangan jumlah lumpur air limbah yang dapat digunakan sebagai pupuk. Banyak negara seperti Jerman memiliki peraturan pupuk yang ketat, yang membatasi kontaminasi logam berat secara ketat. Karena fosfor merupakan sumber daya yang terbatas, Peraturan Lumpur Air Limbah Jerman tahun 2017 mewajibkan operator instalasi pengolahan air limbah untuk mendaur ulang fosfat.
Fosfor dapat dipulihkan dari air limbah, lumpur air limbah, serta abu hasil pembakaran lumpur air limbah.
Fosfat
Fosfat, suatu bahan kimia anorganik, merupakan garam asam fosfat. Fosfat anorganik ditambang untuk memperoleh fosfor yang digunakan dalam pertanian dan industri. Dalam kimia organik, fosfat, atau organofosfat, merupakan ester asam fosfat.
Jangan menyamakan istilah phosphorous dengan unsur fosfor (phosphorus, simbol kimia P). Keduanya merupakan hal yang berbeda. Sebagai nonlogam multivalen dari golongan nitrogen, fosfor umumnya ditemukan dalam batuan fosfat anorganik.
Fosfat organik penting dalam biokimia dan biogeokimia.
Fosfat adalah nama ion PO43-. Sementara itu, asam fosfit adalah nama asam triprotik H3PO3. Ini merupakan kombinasi 3 ion H+ dan satu ion fosfit (PO33-).
Fosfor merupakan unsur kimia dengan simbol P dan nomor atom 15. Senyawa fosfor juga banyak digunakan dalam bahan peledak, agen saraf, korek api gesek, kembang api, pestisida, pasta gigi, dan detergen.
Struvit
Struvit, yang juga disebut magnesium amonium fosfat (MAP), merupakan mineral fosfat dengan rumus kimia NH4MgPO4·6H2O. Struvit mengkristal dalam sistem ortorombik sebagai kristal piramidal berwarna putih hingga kekuningan atau putih kecokelatan, atau dalam bentuk menyerupai lempengan. Sebagai mineral lunak, struvit memiliki kekerasan Mohs 1,5 hingga 2 dan berat jenis rendah sebesar 1,7. Dalam kondisi netral dan basa, struvit sukar larut, tetapi dapat dengan mudah dilarutkan dalam asam. Kristal struvit terbentuk ketika magnesium, amonia, dan fosfat terdapat dalam air limbah dengan rasio mol terhadap mol terhadap mol (1:1:1). Ketiga unsur tersebut – magnesium, amonia, dan fosfat – biasanya terdapat dalam air limbah: magnesium terutama berasal dari tanah, air laut, dan air minum, amonia terbentuk dari penguraian urea dalam air limbah, dan fosfat masuk ke air limbah dari makanan, sabun, dan detergen. Dengan adanya ketiga unsur tersebut, struvit lebih mungkin terbentuk pada nilai pH yang lebih tinggi, konduktivitas yang lebih tinggi, suhu yang lebih rendah, dan konsentrasi magnesium, amonia, serta fosfat yang lebih tinggi. Pemulihan fosfor dari aliran air limbah sebagai struvit dan daur ulang nutrien tersebut sebagai pupuk pertanian merupakan pendekatan yang menjanjikan.
Struvit merupakan pupuk mineral lepas lambat yang bernilai dan digunakan dalam pertanian, dengan keunggulan berbentuk butiran, mudah digunakan, dan tidak berbau.