Hielscher 초음파 기술

하수 슬러지에서 초음파 인광체 회수

  • 인광체에 대한 전 세계적인 수요가 증가하고 있는 반면 천연 인 자원의 공급은 부족해지고 있습니다.
  • 하수 슬러지 및 하수 슬러지 재는 인이 풍부하므로 인을 회수하는 소스로 사용할 수 있습니다.
  • 초음파 습식 화학 처리 및 침전은 하수 슬러지뿐만 아니라 소각 슬러지의 재에서 인산염의 회수를 개선하고 복구가 훨씬 더 경제적입니다.

 

하수 슬러지는 인이 풍부합니다. 초음파 추출 및 강수량은 인광체의 회수 과정을 강화합니다.인 (인, P)은 비료뿐만 아니라 많은 산업에서 농업에 많이 사용되는 비재생 자원이며, 인은 귀중한 첨가제 (예 : 페인트, 세탁 세제, 난연제, 동물 사료)입니다. 하수 슬러지, 소각 하수 슬러지 재 (ISSA), 분뇨 및 유제품 유출물은 인이 풍부하여 인의 유한 자원뿐만 아니라 환경 문제와 관련하여 인 회수의 원천이됩니다.
액체 폐수 스트림의 인 회수율은 40~50%에 달할 수 있으며 하수 슬러지 및 하수 슬러지 재의 회수율은 최대 90%에 달할 수 있습니다. 인은 여러 형태로 침전 될 수 있으며, 그 중 하나는 struvite (고품질의 느린 방출 비료로 평가됨)입니다. 인의 회수를 경제적으로 하기 위해서는 회수 과정이 개선되어야 합니다. 초음파는 공정을 가속화하고 회수 된 광물의 수율을 증가시키는 공정 강화 방법입니다.

초음파 인 회수

초음파 처리는 하수 슬러지에서 인을 회수하는 동안 습식 화학 처리 및 침전을 강화합니다.초음파 처리하에 스트루비트(마그네슘 암모늄 인산염(MAP), 칼슘 인산염, 하이드록시아파티트(HAP) / 수산화수소과박타이트, 옥타칼슘포스산염, 삼칼슘 인산염 및 디칼슘 인산염 이수염과 같은 귀중한 물질을 회수할 수 있습니다. 폐기물 스트림에서. 초음파 처리는 하수 슬러지및 소각 슬러지의 재에서 귀중한 재료의 침전 및 결정화 (sono-crystallization)뿐만 아니라 습식 화학 적 추출을 향상시킵니다.
인 (8-10 %), 철 (10-15 %), 알루미늄 (5-10 %)의 함량이 있는 반면 모노 소각 하수 슬러지의 재는 매우 높은, 그것은 또한 납, 카드뮴, 구리, 아연 과 같은 독성 중금속을 포함하고 있습니다.

바이오가스 혐기성 소화제

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포쇼루스 회복 – 2단계 프로세스

    1. 산 추출

인광체 회수의 첫 번째 단계는 황산 또는 염산과 같은 산을 사용하여 하수 슬러지 또는 소각 하수 슬러지 회황 (ISSA)에서 인을 추출 또는 침출하는 것입니다. 초음파 혼합은 산과 ISSA 사이의 질량 전달을 증가시켜 습식 화학 적 침출을 촉진하여 인의 완전한 침출이 빠르게 달성됩니다. 에틸렌디아미네테트라세타성산(EDTA)을 이용한 전처리 단계는 추출 절차를 개선하기 위해 사용될 수 있다.

    1. 인의 강수량

초음파 결정화는 파종 점을 증가시키고 결정을 형성하기 위해 분자의 흡착 및 응집을 가속화하여 인산염의 침전을 크게 향상시킵니다. 하수 슬러지 및 ISSA로부터의 인의 초음파 침전은 예를 들어 수산화 마그네슘 및 수산화 암모늄을 사용하여 달성 될 수있다. 생성 된 침전제는 마그네슘, 암모늄, 인 및 산소로 구성된 화합물인 스트루비트입니다.

스트루비테의 소노결정화

초음파 분산은 상 사이의 질량 전달을 촉진하고 인산염 (예를 들어, struvite / MAP)에 대한 핵 형성 및 결정 성장을 시작합니다.
struvite의 초음파 인라인 침전 및 결정화는 산업 규모의 대용량 스트라름의 치료를 허용합니다. 대형 하수 슬러지 스트림을 처리하는 문제는 스트루바이트의 결정화를 가속화하고 더 작고 균일 한 인산염 입자를 생산하는 결정 크기를 향상시키는 연속 초음파 공정으로 해결할 수 있습니다. 침전된 입자의 크기 분포는 핵형성 속도 및 후속 결정 성장 속도를 결정한다. 가속된 핵 형성 및 억제된 성장은 수성 용액에서 비스탈린 인산염 입자, 즉 스트루비트의 침전의 핵심 요소입니다. 초음파는 반응성 이온의 균일 한 분포를 얻기 위해 블렌딩을 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.

Struvite 결정은 하수 슬러지에서 침전 될 수있다. 초음파 처리는 복구 프로세스를 향상시킵니다.

돼지 유출물에서 침전된 스트루비트 결정 (출처: Kim et al. 2017)

좋은 강수량 결과는 PO와 예를 들어 달성 될 수있다3-4 : NH+4 : Mg2+ 1 : 3 : 4의 비율로. 8에서 10의 pH 범위는 최대 인산염 P 방출을 유도합니다.

초음파는 인산칼슘, 마그네슘 암모늄 인산염(MAP) 및 하이드록시아패타이트(HAP), 수산화샘파타이트, 옥타칼슘 인산염 과 같은 귀중한 물질의 침전을 촉진하는 고효율 공정 강화 기술이며, 삼칼슘 인산염, 및 디칼슘 인산염은 폐수에서 수화. 하수 슬러지, 분뇨 및 유제품 유출물은 영양이 풍부한 폐수로 알려져 있으며, 초음파 보조 강수량을 통해 귀중한 재료의 생산에 적합합니다.

스트루비트 결정 형성:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2영형 –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+

Hielscher 초음파는 초음파 응용 제품을위한 고성능 초음파 를 제조합니다.

실험실에서 파일럿 및 산업 규모에 고전력 초음파 프로세서.

침출 및 침전산업용 초음파 장비

산업 규모의 인라인 초음파 처리를 위한 UIP4000hdT 유량 셀고성능 초음파 시스템 및 반응기는 산업 규모의 소각 하수 슬러지 회분 (ISSA) 및 하수 슬러지를 처리하는 데 필요합니다. Hielscher 초음파는 고출력 초음파 장비의 설계 및 제조에 특화되어 있습니다. – 실험실 및 벤치탑에서 완전 산업용 유닛에 이르기까지. Hielscher 초음파 는 견고하며 까다로운 환경에서 전체 부하에서 24/7 작동을 위해 제작되었습니다. 다양한 형상을 가진 유동 세포 반응기, sonotrodes (초음파 프로브) 및 부스터 혼과 같은 액세서리는 공정 요구 사항에 초음파 시스템의 최적 적응을 허용합니다. 대용량 스트림을 처리하기 위해 Hielscher는 4kW, 10kW 및 16kW 초음파 장치를 제공하며, 이는 초음파 클러스터와 병렬로 쉽게 결합할 수 있습니다.
Hielscher의 정교한 초음파 처리기는 디지털 터치 디스플레이를 갖추고 있어 공정 파라미터를 쉽게 조작하고 정밀하게 제어할 수 있습니다.
사용자 친화성과 쉽고 안전한 작동은 Hielscher 초음파 의 주요 기능입니다. 원격 브라우저 제어를 통해 PC, 스마트 폰 또는 태블릿을 통해 초음파 시스템의 작동 및 제어가 가능합니다.
아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

일괄 볼륨 유량 권장 장치
10 ~ 2000mL 20 ~ 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 ~ 20L 0.2 ~ 4L / min UIP2000hdT
10 ~ 100L 2 ~ 10L / min UIP4000hdT
N.A. 10 ~ 100L / min UIP16000
N.A. 더 큰 의 클러스터 UIP16000

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문학 / 참고 문헌

  • 다즈, 존 A.; 에스피탈리에, 파비엔; 루이스나드, 올리비에; 그로시에, 로맹; 데이비드, 르네; 하소운, 미리암; 바일론, 파비엔; 가투멜, 센드린; Lyczko, Nathalie (2007) : 결정화 - 침전 과정에 대한 초음파의 효과 : 몇 가지 예와 새로운 분리 모델. 입자 및 입자 시스템 특성화, 와일리-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
  • 하르반다, A.; Prasanna, K. (2016) : MAP (마그네슘 암모늄 인산염) 및 HAP (하이드록시아파티트)의 형태로 낙농 폐수에서 영양소추출. 화학의 라사야 저널 9, 제 2; 2016. 215-221.
  • 김디; 진민, K.; 이, 케이; 유, M.S:; 박경희 (2017): 혐기성 으로 소화 된 돼지 폐수의 유출물에서 스트루바이트 결정화를 통해 pH, 어금니 비율 및 전처리가 인 회수에 미치는 영향. 환경 공학 연구 22(1), 2017. 12-18.
  • Rahman, M., Salleh, M., 아산, A., 호세인, M., Ra, C. (2014) : struvite 결정화를 통해 폐수에서 느린 방출 결정 비료의 생산. 아랍. J. Chem. 7, 139-155.


알만한 가치가있는 사실

초음파 강수량은 어떻게 작동합니까?

초음파는 핵 형성과 결정 성장에 영향을 미치며, 소결정화.
첫째, 초음파의 적용은 액체 용액에서 고체 결정이 형성되는 핵 형성 속도에 영향을 미칠 수 있습니다. 고출력 울트라 손드는 액체 매체에 진공 기포의 성장과 내파인 캐비테이션을 생성합니다. 진공 버블의 붕괴는 시스템에 에너지를 도입하고 중요한 초과 자유 에너지를 감소시킵니다. 따라서, 파종 점 및 핵 형성은 높은 속도와 초기 시간에 시작된다. 캐비테이션 버블과 용액 사이의 계면에서 용질 분자의 절반은 용매에 의해 용해되고 분자 표면의 나머지 절반은 캐비테이션 버블로 덮여 있어 용해 속도가 감소합니다. 용액 내의 분자의 응고가 증가하는 동안 용해 분자의 재용해가 방지됩니다.
둘째, 초음파 처리는 결정 성장을 촉진합니다. 초음파 혼합은 분자의 질량 전달 및 응집을 증가시킴으로써 결정의 성장을 촉진합니다.
초음파 처리에 의해 달성 된 결과는 초음파 모드로 제어 할 수 있습니다 :
연속 초음파 처리 :
용액의 연속 초음파 처리는 많은 핵 형성 부위를 생성하므로 많은 수의 작은 결정이 생성됩니다.
펄스 초음파 처리 :
펄스 /사이클 초음파 처리의 응용 프로그램은 결정 크기를 통해 정밀한 제어를 할 수 있습니다
핵 형성을 시작하는 초음파 처리 :
초음파가 결정화 과정의 시작 중에만 적용되면 유한한 수의 핵이 형성되어 더 큰 크기로 성장합니다.

결정화 중 초음파를 사용하여 결정 구조의 성장 속도, 크기 및 모양에 영향을 주어 제어 할 수 있습니다. 초음파 처리의 다양한 옵션은 sono 결정화 공정을 정밀하게 제어하고 반복 할 수 있습니다.

초음파 캐비테이션

고강도 초음파가 액체 매체를 교차할 때, 고압 (압축) 및 저압 (희소) 파도가 액체를 통해 번갈아 가며. 액체를 가로지르는 초음파에 발생하는 음압이 충분히 크면 액체 분자 사이의 거리가 액체를 그대로 유지하는 데 필요한 최소 분자 거리를 초과한 다음 액체가 분해되어 진공 이 거품이나 보이드가 생성됩니다. 이러한 진공 버블은 캐비테이션 거품.
혼합과 같은 전력 초음파 응용 프로그램에 사용되는 캐비테이션 버블, 분산, 갈기, 추출 등은 10 Wcm 이상 초음파 강도하에서 발생합니다.2. 캐비테이션 버블은 더 많은 에너지를 흡수할 수 없는 치수에 도달할 때까지 여러 음향 저압/고압 사이클에서 자랍니다. 캐비테이션 버블이 최대 크기에 도달하면 압축 주기 동안 격렬하게 파열됩니다. 과도 캐비테이션 버블의 격렬한 붕괴는 매우 높은 온도 및 압력, 매우 높은 압력 및 온도 차동 및 액체 제트와 같은 극한 조건을 만듭니다. 이러한 힘은 초음파 응용 프로그램에 사용되는 화학 적 및 기계적 효과의 원천입니다. 각 붕괴 기포는 수천도의 온도와 천 대기이상의 압력이 즉각적으로 생성되는 마이크로 반응기로 간주될 수 있습니다 [Suslick et al 1986].

초음파 / 음향 캐비테이션은 용해로 알려진 세포벽을 여는 매우 강렬한 힘을 만듭니다 (확대하려면 클릭!)

초음파 추출은 음향 캐비테이션과 유체 역학 전단력을 기반으로합니다.

인은 필수적이고 비회생할 수 있는 자원이며 전문가들은 이미 세계가 타격을 입을 것이라고 예측합니다. “인광피크”즉, 공급이 약 20 년 동안 증가 된 수요를 더 이상 충족시킬 수없는 시간입니다. 유럽연합 집행위원회는 이미 인을 중요한 원료로 분류했습니다.
하수 슬러지는 종종 필드에 확산 비료로 사용된다. 그러나 하수 슬러지는 귀중한 인산염뿐만 아니라 유해한 중금속 및 유기 오염 물질을 포함하고 있기 때문에 독일과 같은 많은 국가에서는 하수 슬러지를 비료로 사용할 수있는 양을 법률에 의해 제한합니다. 독일과 같은 많은 국가는 엄격하게 중금속으로 오염을 제한 엄격한 비료 규정을 가지고있다. 인은 유한한 자원이기 때문에 2017년부터 독일 하수 슬러지 규정은 하수 시설 운영자가 인산염을 재활용하도록 요구합니다.
인은 폐수, 하수 슬러지뿐만 아니라 소각 하수 슬러지의 재에서 회수 할 수 있습니다.

인산 염

무기 화학 물질인 인산염은 인산의 소금입니다. 무기 인산염은 농업 및 산업에서 사용하기 위해 인을 얻기 위해 채굴됩니다. 유기 화학에서, 인산염, 또는 유기 인산염은 인산의 에스테르입니다.
인이라는 이름을 인(화학 기호 P)과 혼동하지 마십시오. 그들은 두 가지 다른 것입니다. 질소 그룹의 다중 금속인 인은 무기 인산암석에서 흔하게 발견된다.
유기 인산염은 생화학 및 생물 지구화학에서 중요합니다.
인산염은 이온 PO의 이름입니다.43-. 인산은, 다른 한편으로는, 삼각산 H3PO3의 이름입니다. 이것은 3 H의 조합입니다.+ 이온 과 1 개의 인산염 (PO3-)을 참조하십시오.
인은 기호 P와 원자 번호 15를 가지고 있는 화학 원소이다. 인 화합물은 폭발물, 신경 작용제, 마찰 성냥, 불꽃 놀이, 살충제, 치약 및 세제에도 널리 사용됩니다.

스트라비트 (struvite)

마그네슘 암모늄 인산염(MAP)이라고도 하는 스트라바이트는 NH 화학식인 인산염 미네랄입니다.4MgPO4· 6H2O. Struvite는 노랗거나 갈색의 흰색 피라미드 결정또는 플래틀과 같은 형태로 흰색으로 orthorhombic 시스템에서 결정화합니다. 부드러운 광물인 스트루비테는 모스 경도가 1.5 대 2이고 비중이 1.7입니다. 중성 및 알칼리성 조건에서 스트루바이는 거의 용해되지 않지만 산에 쉽게 용해 될 수 있습니다. 폐수에 마그네슘, 암모니아 및 인산염의 두더지 대 두더지 비율 (1:1:1)이있을 때 Struvite 결정은 형성됩니다. 세 가지 요소 모두 – 마그네슘, 암모니아 및 인산염 – 일반적으로 폐수에 존재하는 : 마그네슘은 주로 토양, 해수 및 식수에서 오는, 암모니아는 폐수의 요소에서 분해되고, 음식, 비누 및 세제에서 폐수로 나오는 인산염. 이 세 가지 요소가 존재하면 스트라비테는 더 높은 pH 값, 높은 전도도, 낮은 온도 및 마그네슘, 암모니아 및 인산염의 높은 농도에서 형성될 가능성이 더 높습니다. 폐수로부터 인을 수거하고 농업용 비료로 이러한 영양소를 재활용하는 것이 유망하다.
Struvite는 농업에 사용되는 귀중한 저속 방출 미네랄 비료로 세분화되고 사용하기 쉽고 냄새가 나지 않는 장점이 있습니다.