下水汚泥からの超音波蛍光体回収
- 蛍光体に対する世界的な需要は増加している一方で、天然のリン資源の供給は不足しています。
- 下水汚泥と下水汚泥灰はリンが豊富であるため、リンを回収するための供給源として使用できます。
- 超音波湿式化学処理および沈殿は、下水汚泥からのリン酸塩の回収率だけでなく、焼却汚泥の灰からのリン酸塩の回収を改善し、回収を大幅に経済的にする。
燐
リン(蛍光体、P)は再生不可能な資源であり、農業では肥料として、またリンが貴重な添加物である多くの産業(塗料、洗濯洗剤、難燃剤、動物飼料など)で多用されています。下水汚泥、焼却汚泥灰(ISSA)、糞尿、乳製品廃液はリンが豊富で、リンの有限資源や環境問題の観点から、リン回収の源となっています。
液体廃水の流れからのリンの回収率は40〜50%に達することができますが、下水汚泥および下水汚泥灰からの回収率は最大90%に達する可能性があります。リンはさまざまな形で沈殿することができますが、そのうちの1つがストルバイト(高品質の徐放性肥料として評価されています)です。リンの再生を経済的にするためには、回収プロセスを改善する必要があります。超音波処理は、プロセスを加速し、回収された鉱物の収量を増加させるプロセス強化方法です。
超音波リン回収
超音波処理下では、ストルバイト(リン酸マグネシウムアンモニウム(MAP))、リン酸カルシウム、ヒドロキシアパタイト(HAP)/カルシウムハイドロキシアパタイト、リン酸オクタカルシウム、リン酸三カルシウム、およびリン酸二カルシウム二水和物などの貴重な材料を廃棄物の流れから回収することができます。超音波処理は、湿式化学抽出、ならびに下水汚泥および焼却汚泥の灰からの貴重な材料の沈殿および結晶化(ソノ結晶化)を改善する。
モノ焼却下水汚泥の灰に含まれるリン(8〜10%)、鉄(10〜15%)、アルミニウム(5〜10%)の含有量はかなり高い一方で、鉛、カドミウム、銅、亜鉛などの有毒な重金属も含まれています。
フォプショラスの回復 – 2段階のプロセス
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- 酸抽出
蛍光体回収の最初のステップは、硫酸や塩酸などの酸を使用して、下水汚泥または焼却下水汚泥灰(ISSA)からリンを抽出または浸出することです。超音波混合は、リンの完全な浸出が急速に達成されるように、酸とISSAとの間の物質移動を増加させることにより湿式化学浸出を促進する。エチレンジアミン四酢酸(EDTA)を使用した前処理ステップを使用して、抽出手順を改善することができます。
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- リンの沈殿
超音波結晶化は、結晶を形成するために播種点を増加させ、分子の吸着および凝集を促進することにより、リン酸塩の沈殿を著しく増強する。下水スラッグおよびISSAからのリンの超音波沈殿は、例えば、水酸化マグネシウムおよび水酸化アンモニウムを使用することによって達成することができる。結果として生じる沈殿物は、マグネシウム、アンモニウム、リン、酸素で構成される化合物であるストルバイトです。
ストルバイトのソノ結晶化
超音波分散は、相間の物質移動を促進し、リン酸塩(例えば、ストルバイト/ MAP)の核形成および結晶成長を開始する。
超音波インライン沈殿とストルバイトの結晶化により、工業規模での大量のストラムの処理が可能になります。大規模な下水汚泥流を処理する問題は、ストルバイトの結晶化を促進し、結晶サイズを改善してより小さく、より均一なリン酸塩粒子を生成する連続超音波プロセスによって解決することができます。沈殿した粒子のサイズ分布は、核形成速度とその後の結晶成長速度によって決まります。核形成の加速と成長の阻害は、水溶液中のクリスタリンリン酸粒子、すなわちストルバイトの沈殿の主要な要因です。超音波処理は、反応性イオンの均質な分布を得るためにブレンドを改善するプロセス強化方法です。
超音波沈殿は、より狭い粒度分布、より小さな結晶サイズ、制御可能な形態、および速い核形成速度をもたらすことが知られている。
豚の廃液から沈殿したストルバイト結晶(出典:Kim et al. 2017)
良好な降水量の結果は、たとえばPOで達成できます3-4 :ニューハンプシャー州+4 :Mgの2+ 1:3:4の比率で。8〜10のpH範囲は、最大のリン酸塩P放出につながります
超音波処理は、リン酸カルシウム、リン酸マグネシウムアンモニウム(MAP)およびヒドロキシアパタイト(HAP)、カルシウムヒドロキシアパタイト、リン酸オクタカルシウム、リン酸三カルシウム、および廃水からのリン酸二カルシウム二水和物などの貴重な材料の沈殿を促進するための非常に効率的なプロセス強化技術です。下水汚泥、肥料、乳製品排水は、栄養豊富な廃水として知られており、超音波アシスト沈殿による貴重な材料の生産に適しています。
ストルバイト結晶形成:
Mgの2+ + NHの+4 + HPOの2-4 + H2O –> MgNHの4発注書4 ・ 6時間2O+H+
ラボからパイロット、工業規模までの高出力超音波プロセッサ。
浸出および沈殿のための工業用超音波装置
工業規模で焼却された下水汚泥灰(ISSA)と下水汚泥を処理するには、高性能超音波システムと反応器が必要です。ヒールシャー超音波は、高出力超音波機器の設計と製造に特化しています – ラボやベンチトップから完全産業用ユニットまで。ヒールシャー超音波装置は堅牢で、要求の厳しい環境での全負荷下での24 / 7操作のために構築されています。さまざまな形状のフローセルリアクター、ソノトロード(超音波プローブ)、ブースターホーンなどのアクセサリにより、超音波システムをプロセス要件に最適に適合させることができます。大量のストリームを処理するために、ヒールシャーは、超音波クラスターに並列に容易に組み合わせることができる4kW、10kWと16kWの超音波ユニットを提供しています。
ヒールシャーの洗練された超音波装置は、プロセスパラメータの簡単な操作と正確な制御のためのデジタルタッチディスプレイを備えています。
使いやすさと簡単で安全な操作は、ヒールシャー超音波装置の主要な特徴です。リモートブラウザコントロールにより、PC、スマートフォン、またはタブレットを介して超音波システムの操作と制御が可能になります。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。
| バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 10〜2000mL | 20〜400mL/分 | UP200HTの, UP400セント |
| 0.1〜20L | 0.2 から 4L/min | UIP2000hdT |
| 10〜100L | 2〜10L/分 | UIP4000hdTの |
| N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
| N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
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文献/参考文献
- ドッズ、ジョンA。;エスピタリエ、ファビエンヌ;ルイナード、オリビエ;グロシエ、ロマン;デビッド、ルネ;ハッスーン、ミリアム;バイヨン、ファビアン;ガトゥメル、センドリン;Lyczko、Nathalie(2007):結晶化沈殿プロセスに対する超音波の影響:いくつかの例と新しい分離モデル。Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- ハルバンダ、A。;Prasanna、K.(2016):MAP(リン酸マグネシウムアンモニウム)およびHAP(ヒドロキシアパタイト)の形での乳製品廃水からの栄養素の抽出。ラサヤン・ジャーナル・オブ・ケミストリー Vol. 9, No. 2;2016. 215-221.
- キム、D。;ジンミン、K。;リー、K。;ゆう、MS:;パーク、ケンタッキー州(2017): 嫌気的に消化された豚廃水の廃液からのストルバイト結晶化によるリン回収に及ぼすpH、モル比、および前処理の影響.環境工学研究 22(1)、2017年。12-18.
- Rahman、M.、Salleh、M.、Ahsan、A.、Hossain、M.、Ra、C.(2014):ストルバイト結晶化による廃水からの徐放性結晶肥料の生産。アラブ。J. Chem. 7, 139–155.
知っておく価値のある事実
超音波沈殿はどのように機能しますか?
超音波処理は、核形成と結晶成長に影響を与えます。 ソノクリスタライゼーション.
第一に、超音波の適用は、液体溶液から固体結晶が形成される核形成速度に影響を与えることを可能にする。高出力超音波は、液体媒体中の真空気泡の成長と爆縮であるキャビテーションを発生させます。真空気泡の爆縮により、システムにエネルギーが導入され、臨界の過剰な自由エネルギーが減少します。これにより、播種点と核形成が高率かつ最も早い時期に開始されます。キャビテーション気泡と溶液との界面では、溶質分子の半分が溶媒に溶媒和され、分子表面の残りの半分がキャビテーション気泡に覆われているため、溶媒和速度が低下します。溶質分子の再溶解が防止され、溶液中の分子の凝固が増加します。
第二に、超音波処理は結晶成長を促進する。超音波混合は、分子の物質移動および凝集を増加させることにより結晶の成長を促進する。
超音波処理によって達成される結果は、超音波処理モードによって制御できます。
連続超音波処理:
溶液の連続的な超音波処理は、多数の核形成部位を生じさせ、その結果、多数の小さな結晶が生成される
パルス超音波処理:
パルス/サイクル超音波処理の適用は、結晶サイズの正確な制御を可能にする
核形成を開始するための超音波処理:
結晶化プロセスの開始時にのみ超音波を適用すると、有限個の核が形成され、その後、より大きなサイズに成長します。
結晶化中の超音波処理を使用すると、結晶構造の成長速度、サイズ、および形状に影響を与え、制御することができます。超音波処理のさまざまなオプションにより、ソノ結晶化プロセスが正確に制御可能で再現性があります。
超音波キャビテーション
高強度の超音波が液体媒体を横切ると、高圧(圧縮)波と低圧(希薄化)波が液体を交互に流れます。液体を横切る超音波による負圧が十分に大きい場合、液体の分子間の距離が液体を無傷で保持するために必要な最小分子距離を超え、液体が分解されて真空の気泡やボイドが発生します。これらの真空の泡は、 キャビテーション 泡。
キャビテーション気泡は、ミキシングなどのパワー超音波アプリケーションに使用されます。 分散, 製粉, 抽出 などは、10 Wcmを超える超音波強度で発生します2.キャビテーション気泡は、これ以上エネルギーを吸収できない次元に達するまで、数回の音響低圧/高圧サイクルで成長します。キャビテーションバブルが最大サイズに達すると、圧縮サイクル中に激しく内破します。過渡的なキャビテーション気泡の激しい崩壊は、非常に高い温度と圧力、非常に高い圧力と温度差、液体ジェットなどの極端な条件を作り出します。これらの力は、超音波アプリケーションで使用される化学的および機械的効果の源です。崩壊する各気泡は、数千度の温度と1000気圧を超える圧力が瞬時に生成されるマイクロリアクターと見なすことができます[Suslick et al 1986]。
超音波抽出は、音響キャビテーションとその流体力学的せん断力に基づいています
燐
リンは必須の再生不可能な資源であり、専門家はすでに世界が打撃を受けると予測しています “蛍光体ピーク”つまり、約20年で供給が需要の増加に対応できなくなる時間です。欧州委員会はすでにリンを重要な原料として分類しています。
下水汚泥は、畑に散布する肥料としてよく利用されます。しかし、下水汚泥には貴重なリン酸塩だけでなく、有害な重金属や有機汚染物質も含まれているため、ドイツなど多くの国では、下水汚泥を肥料として使用できる量が法律によって制限されています。ドイツなどの多くの国では、肥料に関する厳しい規制が設けられており、重金属による汚染は厳しく制限されています。リンは有限の資源であるため、2017年からのドイツ下水汚泥規制では、下水処理場の運営者にリン酸塩のリサイクルが義務付けられています。
リンは、廃水、下水汚泥、および焼却された下水汚泥の灰から回収できます。
燐酸塩
無機化学物質であるリン酸塩は、リン酸の塩です。無機リン酸塩は、農業や工業で使用するためのリンを得るために採掘されます。有機化学では、リン酸塩、または有機リン酸塩はリン酸のエステルです。
リンという名前をリン元素(化学記号P)と混同しないでください。それらは2つの異なるものです。窒素基の多価非金属であるリンは、無機リン酸塩岩によく見られます。
有機リン酸塩は、生物化学および生物地球化学において重要です。
リン酸塩はイオンPOの名前です43-.一方、リン酸は三プロトン酸H3PO3の名前です。これは3つのHの組み合わせです+ イオンと1つの亜リン酸(PO33-)イオン。
リンは、記号Pと原子番号15を持つ化学元素です。リン化合物は、爆発物、神経ガス、摩擦マッチ、花火、農薬、歯磨き粉、洗剤にも広く使用されています。
ストルバイト
ストルバイトは、リン酸マグネシウムアンモニウム(MAP)とも呼ばれ、化学式NHのリン酸塩鉱物です4MgPOの4・6H2O. ストルバイトは、斜方晶系で白色から黄色がかったまたは茶色がかった白色のピラミッド型結晶として、またはプラレット状の形で結晶化します。柔らかい鉱物であるため、ストルバイトはモース硬度が1.5〜2で、比重が1.7と低くなっています。中性およびアルカリ性の条件下では、ストルバイトはほとんど溶解しませんが、酸に簡単に溶解できます。ストルバイト結晶は、廃水中にマグネシウム、アンモニア、リン酸塩のモル対モルの比率(1:1:1)がある場合に形成されます。3つの要素すべて – マグネシウム、アンモニア、リン酸塩 – 通常、廃水に存在します:マグネシウムは主に土壌、海水、飲料水から、アンモニアは廃水中の尿素から分解され、食品、石鹸、洗剤から廃水に来るリン酸塩。これら3つの元素が存在すると、ストルバイトは、より高いpH値、より高い導電率、より低い温度、およびより高い濃度のマグネシウム、アンモニア、およびリン酸塩で形成される可能性が高くなります。廃水流からのリンをストルバイトとして回収し、その栄養素を農業の肥料としてリサイクルすることは有望です。
Struviteは、農業で使用される貴重な徐放性ミネラル肥料であり、粒状で使いやすく、臭いがないという利点があります。