下水汚泥からの超音波蛍光体回収
- 世界的な蛍光体需要が増加している一方で、天然リン資源の供給は不足しています。
- 下水汚泥や下水汚泥灰はリンが豊富で、リンを回収するための源として使用することができます。
- 超音波湿った化学処理と沈殿は、下水汚泥からのリン酸塩の回収だけでなく、焼却スラッジの灰からリン酸塩の回収を改善し、回復を大幅に経済的にします。
リン
リン(蛍光体、P)は、肥料として農業だけでなく、リンが貴重な添加剤(例えば、塗料、洗濯洗剤、難燃剤、動物飼料)である多くの産業で頻繁に使用されている非再生可能な資源です。下水汚泥、焼却下水汚泥灰(ISSA)、肥料、乳製品の排水はリンが豊富で、リンの有限資源や環境問題に関してリン回収の源泉です。
液体廃水流からのリン回収率は40~50%に達し、下水汚泥や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、多くの形態で沈殿することができ、そのうちの1つは、(高品質、低放出肥料として評価される)です。リンの埋め立て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。超音波は、プロセスを加速し、回収されたミネラルの収率を増加させるプロセス強化方法です。
超音波リン回収
超音波処理の下では、ストルビト(リン酸マグネシウム(MAP))、リン酸カルシウム、ヒドロキシアパタイト(HAP)/ヒドロキシアパタイト、リン酸八角体、リン酸三カルシウム、リン酸二カルシウムなどの貴重な物質を回収することができます。廃棄物の流れから。超音波処理は、下水汚泥や焼却スラッジの灰から貴重な材料の沈殿と結晶化(ソノ結晶化)だけでなく、湿った化学的抽出を改善します。
リン(8-10%)、鉄(10-15%)、アルミニウム(5-10%)単焼却下水汚泥の灰は非常に高く、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。
フォプショラス回復 – 2 段階のプロセス
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- 酸抽出
蛍光体回収の第一段階は、硫酸や塩酸などの酸を用いた下水汚泥や焼却下水汚泥灰(ISSA)からのリンの抽出または浸出です。超音波混合は、リンの完全な浸出が迅速に達成されるように、酸とISSA間の質量移動を増加させることによって湿った化学的浸出を促進する。エチレンディアミントトラアセタチン酸(EDTA)を用いた前処理工程は、抽出手順を改善するために使用されてもよい。
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- リンの降水量
超音波結晶化は、播種点を増加させ、結晶を形成するために分子の吸着と凝集を加速することにより、リン酸塩の沈殿を大幅に高めます。下水溶融物および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用いて達成することができる。得られた沈殿物は、マグネシウム、アンモニウム、リンおよび酸素から構成される化合物であるストゥーベートである。
ストルビトのソノ結晶化
超音波分散は、相間の質量移動を促進し、リン酸塩(例えば、struvite/MAP)の核生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ビトの結晶化は、工業規模での大容量のストラームの処理を可能にします。大きな下水汚泥流を処理する問題は、連続的な超音波プロセスによって解決することができ、これは、ストルビトの結晶化を加速し、より小さく、より均一なリン酸粒子を生成する結晶サイズを向上させます。沈殿粒子の大きさ分布は、核生成速度およびその後の結晶増殖速度を決定する。加速核化および阻害された増殖は、水溶液中のクリスタリンリン酸粒子、すなわちストルビトネートの沈殿の重要な要因である。超音波は、反応性イオンの均質な分布を得るために配合を改善するプロセス強化方法である。
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、ならびに高速核生成速度を与える知られている。
豚の流出から沈殿したストルビテ結晶(出典:Kim et al. 2017)
良好な降水結果は、例えばPOで達成することができます3-4 : NH+4 : Mg2+ 1 : 3 : 4 の比率で。8から10のpH範囲は最大リン酸P放出につながる
超音波は、リン酸カルシウム、リン酸アンモニウム(MAP)およびヒドロキシアパタイト(HAP)、ヒドロキシアパタイトカルシウム、リン酸八百体、リン酸カルシウム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あり、リン酸三カルシウム、リン酸二カルシウムを廃水から二水和します。下水汚泥、肥料、乳製品排水は栄養豊富な排水として知られており、超音波補助降水を介した貴重な材料の製造に適しています。
ストルビト結晶形成:
マグネシウム2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2ザ・ –> MgNH4Po4 ∙ 6H2O + H+
ラボからパイロットおよび工業規模に高出力超音波プロセッサ。
浸出および沈殿のための産業超音波装置
焼却下水汚泥灰(ISSA)や下水汚泥を工業規模で処理するには、高性能超音波システムと原子炉が必要です。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 – 実験室およびベンチトップから十分な産業単位に。ヒールシャー超音波装置は堅牢であり、要求の厳しい環境で完全な負荷の下で24/7操作のために造られる。様々な形状を持つ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は、プロセス要件に超音波システムの最適な適応を可能にします。大容量の流れを処理するために、ヒールシャーは、簡単に超音波クラスターと並行して組み合わせることができる4kW、10kWと16kW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重要な機能です。リモートブラウザ制御は、PC、スマートフォンやタブレットを介して超音波システムの操作と制御を可能にします。
下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：
| バッチ容量 | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 2000mlの10〜 | 20 400mLの/分 | Uf200ःトン、 UP400St |
| 00.1 20Lへ | 04L /分の0.2 | UIP2000hdT |
| 100Lへ10 | 10L /分で2 | UIP4000hdT |
| N.A。 | 10 100L /分 | UIP16000 |
| N.A。 | 大きな | のクラスタ UIP16000 |
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文学/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、オリヴィエ;グロシエ、ロマン;デビッド, ルネ;ハッサン, ミリアム;バイヨン、ファビアン;ガツメル, クドリン;Lyczko, Nathalie (2007): 結晶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.粒子および粒子システムの特徴付け, ワイリー-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- ハルカンダ, A.プラサナ、K.(2016):MAP(リン酸マグネシウム)とHAP(ヒドロキシアパタイト)の形で乳製品廃水からの栄養素の抽出。ラサヤン化学ジャーナル Vol.9, No. 2;2016. 215-221.
- キム、D.ジンミン, K.リー,K.;ユ、M.S:;パーク、K.Y. (2017): 嫌気的に消化された豚排水からのスバルビト結晶化によるリン回収に及ぼすpH、モル比、前処理の効果.環境工学研究 22(1), 2017.12-18.
- ラーマン、M.、サレ、M.、アーサン、A.、ホセイン、M.、Ra、C.(2014):ストルビト結晶化を通じて排水からの低速放出結晶肥料の生産。アラブ。J. ケム7、139-155。
知る価値のある事実
超音波降水はどのように動作しますか?
超音波は、核化と結晶成長に影響を与えます, として知られているプロセス 無結晶化。
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生成速度に影響を与える。高出力超音波は、液体媒体中の真空気泡の成長と爆発であるキャビテーションを作成します。真空気泡の爆発はシステムにエネルギーを導入し、重要な余分な自由エネルギーを減らす。それにより、播種点および核化は、高い速度および最も早い時期に開始される。キャビテーションバブルと溶液の界面では、溶質分子の半分が溶媒によって溶化され、分子表面の残りの半分はキャビテーションバブルで覆われ、溶出速度が低下します。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する。
第二に、超音波処理は、結晶の成長を促進します。超音波混合は、分子の質量移動と凝集を増やすことによって結晶の成長を促進します。
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することができます。
連続超音波処理：
溶液の連続超音波処理は、多数の小さな結晶が作成されるように、多くの核化部位を生成します
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します
核化を開始する超音波処理:
超音波が結晶化プロセスの開始時にのみ適用されると、有限数の核が形成され、その後、より大きなサイズに成長する。
結晶化時の超音波処理を使用すると、結晶構造の成長速度、大きさ、形状に影響を与え、制御することができます。超音波処理の様々なオプションは、ソノ結晶化プロセスを正確に制御し、繰り返し可能にします。
超音波キャビテーション
高強度超音波が液体媒体を横切ると、高圧(圧縮)と低圧(希状)波が液体を介して交互に変化する。液体を横切る超音波に起因する負圧が十分に大きい場合、液体の分子間の距離は、液体をそのまま保持するために必要な最小分子距離を超え、液体が真空に分解されます。バブルまたはボイドが作成されます。これらの真空気泡も知られています。 キャビテーション 泡。
混合のような力の超音波の適用のために使用されるキャビテーションの泡、 分散、 製粉、 抽出 10 Wcmより高い超音波強度の下で起こるなど2.キャビテーション気泡は、より多くのエネルギーを吸収できない寸法に達するまで、いくつかの音響低圧/高圧サイクルにわたって成長します。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爆発します。一過性のキャビテーションバブルの激しい崩壊は、非常に高温と圧力、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成します。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。各崩壊した気泡は、数千度の温度と千度以上の圧力が瞬時に作成されるマイクロリアクターと考えることができます[Suslick et al 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
リン
リンは不可欠な、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”すなわち、供給がもはや増加する需要を満たすことができる時間は、約20年で。欧州委員会は既にリンを重要な原料として分類している。
下水汚泥は、多くの場合、フィールドに広がる肥料として使用されます。しかし、下水汚泥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んでいるため、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を法律で制限しています。ドイツなどの多くの国では、重金属による汚染を厳しく制限する厳しい肥料規制があります。リンは有限の資源であるため、2017年のドイツの下水汚泥規制では、下水プラント事業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、ならびに焼却下水汚泥の灰から回収することができます。
リン酸
リン酸塩は、無機化学物質であり、リン酸の塩である。無機リン酸塩は、農業や産業で使用するために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ある。
リンという名前と元素リン(化学記号P)を混同しないでください。彼らは2つの異なるものです。窒素群の多価非金属であるリンは、一般的に無機リン酸岩石に存在する。
有機リン酸塩は生化学や生体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、リン酸は三元酸H3PO3の名称である。これは3 Hの組み合わせです+ イオンと1リン酸塩(PO33-)イオン。
リンは、記号Pと原子番号15を有する化学元素である。リン化合物は、爆発物、神経剤、摩擦合致、花火、農薬、歯磨き粉、洗剤にも広く使用されています。
ストルヴィテ
リン酸アンモニウム(MAP)とも呼ばれるストルビトは、化学式NHを用いてリン酸ミネラルである。4MgPO4・6H2O. Struviteは、黄色または茶色がかった白色のピラミッド型結晶またはプラトレット状の形で白色にオルソ菱形系で結晶化します。軟質鉱物であるstruviteは、モース硬度が1.5~2、比重が1.7です。中性およびアルカリ性条件下では、ストルビトはほとんど可溶性ではないが、酸に容易に溶解することができる。垂れ下がりにマグネシウム、アンモニア、リン酸塩のモル対モル比(1:1:1)がある場合、Struvite結晶が形成されます。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、排水中に存在する:マグネシウムは、主に土壌、海水、飲料水から来て、アンモニアは、排水中の尿素から分解され、リン酸塩は、食品、石鹸や洗剤から排水に来る。これら3つの要素が存在すると、スバルベートは、より高いpH値、より高い導電性、低い温度、およびマグネシウム、アンモニアおよびリン酸塩のより高い濃度で形成される可能性が高くなります。廃水流からのリンの回収と農業用肥料としての栄養素のリサイクルが有望です。
Struviteは農業で使用される貴重な低速放出鉱物肥料であり、粒状で使いやすく、無臭であるという利点があります。