Ultrasonic Phosphor Recovery from Sewage Sludge
- 전 세계적으로 인광체에 대한 수요는 증가하고 있는 반면 천연 인 자원의 공급은 점점 부족해지고 있습니다.
- 하수 슬러지 및 하수 슬러지 재는 인이 풍부하여 인을 재생하는 원천으로 사용할 수 있습니다.
- 초음파 습식 화학 처리 및 침전은 하수 슬러지와 소각 슬러지의 재에서 인산염의 회수를 개선하고 회수를 훨씬 더 경제적으로 만듭니다.
인
인(phosphor, P)은 재생 불가능한 자원으로, 농업에서 비료로 많이 사용되며, 인이 귀중한 첨가제(예: 페인트, 세탁 세제, 난연제, 동물 사료)인 많은 산업에서 사용됩니다. 하수 슬러지, 소각 하수 슬러지 재(ISSA), 분뇨 및 유제품 폐수는 인이 풍부하여 인의 유한한 자원과 환경 문제와 관련하여 인 회수의 원천이 됩니다.
액체 폐수 흐름의 인 회수율은 40-50%에 달할 수 있으며 하수 슬러지 및 하수 슬러지 재의 회수율은 최대 90%에 달할 수 있습니다. 인은 다양한 형태로 침전될 수 있으며, 그 중 하나는 스트루바이트(고품질의 서방성 비료로 평가됨)입니다. 인의 매립을 경제적으로 하기 위해서는 회수 과정을 개선해야 합니다. 초음파는 과정을 가속화하고 회수 된 미네랄의 수율을 증가시키는 공정 강화 방법입니다.
초음파 인 회수
초음파 처리 하에서 스트루 바이트 (인산 마그네슘 암모늄 (MAP)), 인산 칼슘, 수산화 인회석 (HAP) / 수산화 인회석 칼슘, 인산 옥타 칼슘, 인산 삼 칼슘 및 인산 이칼슘 이수화물과 같은 귀중한 물질을 폐기물 흐름에서 회수 할 수 있습니다. 초음파 처리는 하수 슬러지와 소각 슬러지의 재로부터 귀중한 물질의 침전 및 결정화 (sono-crystallization)뿐만 아니라 습식 화학 추출을 향상시킵니다.
단일 소각 하수 슬러지의 재에는 인(8-10%), 철(10-15%), 알루미늄(5-10%)의 함량이 상당히 높지만 납, 카드뮴, 구리, 아연과 같은 독성 중금속도 포함되어 있습니다.
Phopshorus 회수 – 2단계 프로세스
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- 산 추출
형광체 회수의 첫 번째 단계는 황산 또는 염산과 같은 산을 사용하여 하수 슬러지 또는 소각 하수 슬러지 회(ISSA)에서 인을 추출하거나 침출하는 것입니다. 초음파 혼합은 산과 ISSA 사이의 질량 전달을 증가시켜 습식 화학 침출을 촉진하여 인의 완전한 침출이 신속하게 이루어집니다. 추출 절차를 개선하기 위해 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA)을 사용한 전처리 단계를 사용할 수 있습니다.
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- 인의 강수
초음파 결정화는 파종 지점을 증가시키고 결정을 형성하기 위해 분자의 흡착 및 응집을 가속화하여 인산염의 침전을 크게 향상시킵니다. 하수 슬러지 및 ISSA로부터의 인의 초음파 침전은 예를 들어, 수산화마그네슘 및 수산화암모늄을 사용함으로써 달성될 수 있다. 생성된 침전물은 마그네슘, 암모늄, 인 및 산소로 구성된 화합물인 스트루바이트입니다.
Struvite의 Sonocrystallization
초음파 분산은 위상 간의 질량 전달을 촉진하고 인산염에 대한 핵 형성 및 결정 성장을 시작합니다 (예 : struvite / MAP).
스트루바이트의 초음파 인라인 침전 및 결정화는 산업 규모에서 대량의 스트램을 처리할 수 있습니다. 대규모 하수 슬러지 스트림 처리 문제는 연속 초음파 공정으로 해결할 수 있으며, 이는 스트루바이트의 결정화를 가속화하고 결정 크기를 개선하여 더 작고 균일한 인산염 입자를 생성합니다. 침전된 입자의 크기 분포는 핵형성 속도와 후속 결정 성장 속도를 결정합니다. 가속화된 핵형성과 억제된 성장은 수용액에서 크리스탈린 인산염 입자, 즉 스트루바이트(struvite)가 침전되는 핵심 요소입니다. 초음파는 반응성 이온의 균일 한 분포를 얻기 위해 혼합을 향상시키는 공정 강화 방법입니다.
초음파 침전은 더 좁은 입자 크기 분포, 더 작은 결정 크기, 제어 가능한 형태 및 빠른 핵 형성 속도를 제공하는 것으로 알려져 있습니다.
돼지 폐수에서 침전된 스트루바이트 결정(출처: Kim et al. 2017)
예를 들어 PO를 사용하여 좋은 강수 결과를 얻을 수 있습니다.3-4 : NH+4 : 마그네슘2+ 1 : 3 : 4의 비율로. 8 - 10의 pH 범위는 최대 인산염 P 방출로 이어집니다
초음파는 인산 칼슘, 인산 암모늄 (MAP) 및 히드 록시 인회석 (HAP), 칼슘 수드 옥시 인회석, 옥타 칼슘 인산염, 인산 삼 칼슘 및 폐수화 이칼슘 인산염과 같은 귀중한 물질의 침전을 촉진하는 고효율 공정 강화 기술입니다. 하수 슬러지, 분뇨 및 유제품 폐수는 영양분이 풍부한 폐수로 알려져 있으며, 이는 초음파 보조 침전을 통해 귀중한 물질을 생산하는 데 적합합니다.
Struvite 결정 형성:
밀리그램2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> 마그네슘NH4PO4 ∙ 6H2O + H+
실험실에서 파일럿 및 산업 규모에 이르는 고출력 초음파 프로세서.
침출 및 침전을 위한 산업용 초음파 장비
고성능 초음파 시스템과 반응기는 소각 하수 슬러지 애쉬 (ISSA) 및 하수 슬러지를 산업 규모로 처리해야합니다. Hielscher 초음파는 고출력 초음파 장비의 설계 및 제조를 전문으로합니다 – 실험실 및 벤치탑에서 완전 산업용 장치에 이르기까지. Hielscher 초음파는 견고하며 까다로운 환경에서 최대 부하로 24/7 작동을 위해 제작되었습니다. 다양한 형상의 플로우 셀 반응기, 소노트로드(초음파 프로브) 및 부스터 혼과 같은 액세서리를 사용하면 초음파 시스템을 공정 요구 사항에 최적으로 적용할 수 있습니다. 대용량 스트림을 처리하기 위해 Hielscher는 4kW, 10kW 및 16kW 초음파 장치를 제공하며, 이는 초음파 클러스터와 병렬로 쉽게 결합 할 수 있습니다.
Hielscher의 정교한 초음파기는 공정 매개 변수를 쉽게 조작하고 정확하게 제어 할 수있는 디지털 터치 디스플레이를 갖추고 있습니다.
사용자 친화성과 쉽고 안전한 작동은 Hielscher 초음파의 주요 기능입니다. 원격 브라우저 제어를 통해 PC, 스마트 폰 또는 태블릿을 통해 초음파 시스템의 작동 및 제어 할 수 있습니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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Literature/References
- 도즈, 존 에이; 에스피탈리에, 파비엔느; 루이나드, 올리비에; 그로시에, 로맹; 다비드, 르네; 하순, 미리암; 베일론, 파비앙; 가투멜, 센드린; Lyczko, Nathalie (2007) : 결정화 - 침전 과정에 대한 초음파의 영향 : 몇 가지 예 및 새로운 분리 모델. 입자 및 입자 시스템 특성화, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- 카르반다, A.; Prasanna, K. (2016) : MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) 및 HAP(Hydroxyapatite) 형태의 유제품 폐수에서 영양소 추출. Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
- 김, D.; 민, K.; 리, K.; 유, M.S :; 박, K.Y. (2017): pH, 몰 비율 및 전처리가 혐기성으로 소화된 돼지 폐수의 폐수에서 스트루바이트 결정화를 통한 인 회수에 미치는 영향. 환경공학연구 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014) : 스트루 바이트 결정화를 통해 폐수에서 서방형 결정 비료 생산. 아라비아 사람. J. Chem. 7, 139–155.
Facts Worth Knowing
초음파 강수는 어떻게 작동합니까?
초음파는 핵 형성과 결정 성장에 영향을 미치며, 이는 다음과 같은 과정으로 알려져 있습니다. sonocrystallization.
첫째, 초음파의 적용은 핵 형성 속도에 영향을 미칠 수 있으며, 여기서 액체 용액에서 고체 결정이 형성됩니다. 고출력 초음파는 액체 매체에서 진공 기포의 성장과 내파인 캐비테이션을 생성합니다. 진공 기포의 내파는 시스템에 에너지를 도입하고 임계 초과 자유 에너지를 감소시킵니다. 따라서 seeding point와 nucleation은 높은 속도로 가장 빠른 시간에 시작됩니다. 캐비테이션 버블과 용액 사이의 계면에서 용질 분자의 절반은 용매에 의해 용매화되고 분자 표면의 다른 절반은 캐비테이션 버블로 덮여 용매 속도가 감소합니다. 용질 분자의 재용해가 방지되고 용액 내 분자의 응고가 증가합니다.
둘째, 초음파 처리는 결정 성장을 촉진합니다. 초음파 혼합은 분자의 질량 전달 및 응집을 증가시켜 결정의 성장을 촉진합니다.
초음파 처리에 의해 달성 된 결과는 초음파 처리 모드로 제어 할 수 있습니다.
지속적인 초음파 처리 :
용액의 지속적인 초음파 처리는 많은 핵 형성 부위를 생성하여 많은 수의 작은 결정이 생성됩니다
펄스 초음파 처리 :
펄스 / 순환 초음파 처리의 적용은 결정 크기를 정확하게 제어 할 수 있습니다
핵 형성을 시작하기위한 초음파 처리 :
결정화 과정이 시작될 때만 초음파를 적용하면 유한한 수의 핵이 형성된 다음 더 큰 크기로 성장합니다.
결정화 중에 초음파를 사용하면 결정 구조의 성장 속도, 크기 및 모양에 영향을 미치고 제어 할 수 있습니다. 초음파 처리의 다양한 옵션은 초음파 결정화 과정을 정확하게 제어 및 반복 가능하게 만듭니다.
초음파 캐비테이션
고강도 초음파가 액체 매체를 통과할 때 고압(압축) 및 저압(희박) 파동이 액체를 교대로 통과합니다. 액체를 가로지르는 초음파에 대한 음압이 충분히 크면 액체 분자 사이의 거리가 액체를 그대로 유지하는 데 필요한 최소 분자 거리를 초과한 다음 액체가 분해되어 진공 기포 또는 공극이 생성됩니다. 그 진공 거품은 또한 알려집니다 공동 현상 거품.
혼합과 같은 전력 초음파 응용 분야에 사용되는 캐비테이션 버블, 분산, 밀링, 추출 등은 10Wcm보다 높은 초음파 강도에서 발생합니다.2. 캐비테이션 기포는 더 많은 에너지를 흡수할 수 없는 차원에 도달할 때까지 여러 음향 저압/고압 사이클에 걸쳐 성장합니다. 캐비테이션 버블이 최대 크기에 도달하면 압축 주기 동안 격렬하게 붕괴합니다. 일시적인 캐비테이션 버블의 격렬한 붕괴는 매우 높은 온도와 압력, 매우 높은 압력 및 온도 차이 및 액체 제트와 같은 극한 조건을 생성합니다. 이러한 힘은 초음파 응용 분야에서 사용되는 화학적 및 기계적 효과의 원인입니다. 붕괴하는 각 기포는 수천 도의 온도와 1,000 기압보다 높은 압력이 순간적으로 생성되는 마이크로 반응기로 간주 될 수 있습니다 [Suslick et al 1986].
초음파 추출은 음향 캐비테이션과 유체역학적 전단력을 기반으로 합니다
인
인은 재생이 불가능한 필수 자원이며 전문가들은 이미 세계가 타격을 입을 것이라고 예측하고 있습니다 “인광체 피크”즉, 공급이 더 이상 증가된 수요를 충족할 수 없는 시간(약 20년). 유럽연합 집행위원회(European Commission)는 이미 인을 중요 원료로 분류했습니다.
하수 슬러지는 종종 밭에 살포되는 비료로 사용됩니다. 그러나 하수슬러지에는 귀중한 인산염뿐만 아니라 유해한 중금속과 유기오염물질이 포함되어 있기 때문에 독일을 비롯한 많은 국가에서는 비료로 사용할 수 있는 하수슬러지의 양을 법으로 제한하고 있습니다. 독일과 같은 많은 국가에서는 중금속 오염을 엄격하게 제한하는 엄격한 비료 규정을 가지고 있습니다. 인은 유한한 자원이기 때문에 2017년에 제정된 독일 하수 슬러지 규정에 따라 하수 처리장 운영자는 인산염을 재활용해야 합니다.
인은 폐수, 하수 슬러지 및 소각 된 하수 슬러지의 재에서 회수 할 수 있습니다.
인산염
무기 화학 물질인 인산염은 인산의 염입니다. 무기 인산염은 농업 및 산업에서 사용하기 위해 인을 얻기 위해 채굴됩니다. 유기 화학에서 인산염 또는 유기 인산염은 인산의 에스테르입니다.
인이라는 이름을 인 원소(화학 기호 P)와 혼동하지 마십시오. 그들은 두 가지 다른 것입니다. 질소 그룹의 다가 비금속인 인은 일반적으로 무기 인산염 암석에서 발견됩니다.
유기 인산염은 생화학 및 생지 화학에서 중요합니다.
인산염은 이온 PO의 이름입니다.43-. 반면에 인산은 삼양성자 산 H3PO3의 이름입니다. 이것은 3 H의 조합입니다.+ 이온 및 1개의 아인산염(PO33-) 이온.
인은 기호 P와 원자 번호 15를 가진 화학 원소입니다. 인 화합물은 또한 폭발물, 신경 작용제, 마찰 성냥, 불꽃 놀이, 살충제, 치약 및 세제에 널리 사용됩니다.
스트루바이트
인산 마그네슘 암모늄 (MAP)이라고도하는 Struvite는 화학식 NH를 갖는 인산염 광물입니다4엠지포4·6H2O. Struvite는 사방 정계 시스템에서 흰색에서 황색 또는 갈색을 띤 흰색 피라미드 결정 또는 플래틀릿과 같은 형태로 결정화됩니다. 부드러운 광물이기 때문에 스트루바이트는 모스 경도가 1.5 대 2이고 비중이 1.7로 낮습니다. 중성 및 알칼리성 조건에서 스트루바이트는 거의 용해되지 않지만 산에 쉽게 용해될 수 있습니다. 스트루바이트 결정은 폐수에서 마그네슘, 암모니아 및 인산염의 몰 대 몰 비율(1:1:1)이 있을 때 형성됩니다. 세 가지 요소 모두 – 마그네슘, 암모니아 및 인산염 – 마그네슘은 주로 토양, 해수 및 음용수에서 나오고, 암모니아는 폐수의 요소에서 분해되며, 인산염은 식품, 비누 및 세제에서 폐수로 배출됩니다. 이 세 가지 원소가 존재하면 스트루바이트는 더 높은 pH 값, 더 높은 전도도, 더 낮은 온도 및 더 높은 농도의 마그네슘, 암모니아 및 인산염에서 형성될 가능성이 더 높습니다. 폐수에서 인을 스트루바이트로 회수하고 이러한 영양소를 농업용 비료로 재활용하는 것이 유망합니다.
Struvite는 농업에 사용되는 귀중한 서방성 미네랄 비료로, 입상이 있고 사용하기 쉬우며 냄새가 나지 않는 장점이 있습니다.