Réckgewënnung vu Phosphor aus Klärschlamm mat Ultraschall
- Déi weltwäit Nofro no Phosphor klëmmt, wärend déi natierlech Phosphorressourcen ëmmer méi knapp ginn.
- Klärschlamm a Klärschlam mäsche si räich u Phosphor a kënnen dofir als Quell fir d’Réckgewënnung vu Phosphor benotzt ginn.
- Déi naasscheemesch Veraarbechtung an d’Ausfällung mat Ultraschall verbesseren d’Réckgewënnung vu Phosphat aus Klärschlamm souwéi aus den Äsche vu verbranntem Schlamm a maachen d’Réckgewënnung däitlech méi wirtschaftlech.
Phosphor
Phosphor (Phosphor, P) ass eng net erneierbar Ressource, déi an der Landwirtschaft als Dünger souwéi a ville Branchen, an deene Phosphor e wäertvollen Zousazstoff ass, a groussem Ëmfang agesat gëtt (z. B. Faarwen, Wäschmëttel, Flammschutzmëttel, Déierefudder). Klärschlamm, Äsche vu verbranntem Klärschlamm (ISSA), Déierendünger an Ofwaasser aus Molkereie si räich u Phosphor. Wéinst de begrenzte Phosphorressourcen an aus Ëmweltgrënn dénge si als Quell fir d’Réckgewënnung vu Phosphor.
D’Réckgewënnungsquote vu Phosphor aus flëssegen Ofwaasserstréim kënne 40 bis 50% erreechen, wärend d’Réckgewënnungsquoten aus Klärschlamm a Klärschlammäsche bis zu 90% erreeche kënnen. Phosphor kann a ville Formen ausgefällt ginn, dorënner als Struvit (deen als héichwäertegen Dünger mat lueser Nährstofffräisetzung geschat gëtt). Fir d’Réckgewënnung vu Phosphor wirtschaftlech ze maachen, muss de Réckgewënnungsprozess verbessert ginn. D’Ultraschallbehandlung ass eng Method fir d’Prozessintensivéierung, déi de Prozess beschleunegt an den Ertrag u réckgewonnene Mineralstoffer erhéicht.
Réckgewënnung vu Phosphor mat Ultraschall
Duerch d’Beschallung mat Ultraschall kënne wäertvoll Stoffer wéi Struvit (Magnesiumammoniumphosphat (MAP)), Kalziumphosphat, Hydroxyapatit (HAP) / Kalziumhydroxyapatit, Oktakalziumphosphat, Trikalziumphosphat an Dikalziumphosphat-Dihydrat aus Offallstréim réckgewonne ginn. D’Ultraschallbehandlung verbessert déi naasscheemesch Extraktioun souwéi d’Ausfällung an d’Kristalliséierung (Sonokristalliséierung) vu wäertvolle Stoffer aus Klärschlamm an aus den Äsche vu verbranntem Schlamm.
Obwuel den Undeel u Phosphor (8–10%), Eisen (10–15%) an Aluminium (5–10%) an den Äsche vun der Monoverbrennung vu Klärschlamm zimmlech héich ass, enthale si och gëfteg Schwéiermetaller wéi Bläi, Kadmium, Koffer an Zénk.
Réckgewënnung vu Phosphor – E Prozess an zwee Schrëtt
-
- Extraktioun mat Saier
Den éischte Schrëtt bei der Réckgewënnung vu Phosphor ass d’Extraktioun oder d’Auslaugung vu Phosphor aus Klärschlamm oder Äsche vu verbranntem Klärschlamm (ISSA) mat enger Saier wéi Schwiefelsaier oder Salzsaier. D’Mësche mat Ultraschall fërdert déi naasscheemesch Auslaugung, andeems et de Stofftransport tëscht der Saier an den ISSA erhéicht, sou datt séier eng vollstänneg Auslaugung vu Phosphor erreecht gëtt. E Virbehandlungsschrëtt mat Ethylendiamintetraessegsaier (EDTA) kann agesat ginn, fir d’Extraktiounsverfaren ze verbesseren.
-
- Ausfällung vu Phosphor
D’Kristalliséierung mat Ultraschall verbessert d’Ausfällung vu Phosphater däitlech, andeems si d’Zuel vun de Keimbildungsplazen erhéicht an d’Adsorptioun an d’Aggregatioun vu Moleküllen zur Bildung vun engem Kristall beschleunegt. D’Ausfällung vu Phosphor aus Klärschlamm an ISSA mat Ultraschall kann z. B. duerch den Asaz vu Magnesiumhydroxid an Ammoniumhydroxid erreecht ginn. De resultéierende Nidderschlag ass Struvit, eng Verbindung aus Magnesium, Ammonium, Phosphor a Sauerstoff.
Sonokristalliséierung vu Struvit
D’Dispergéiere mat Ultraschall fërdert de Stofftransport tëscht de Phasen an initiéiert d’Keimbildung an de Kristallwuesstem vu Phosphaten (z. B. Struvit / MAP).
D’Inline-Ausfällung an d’Kristalliséierung vu Struvit mat Ultraschall erméiglechen d’Behandlung vu grousse Volumestréim am industrielle Moossstaf. De Problem vun der Veraarbechtung vun engem grousse Klärschlammstroum kann duerch e kontinuéierlechen Ultraschallprozess geléist ginn, deen d’Kristalliséierung vu Struvit beschleunegt an d’Kristallgréisst verbessert, andeems e méi kleng, méi eenheetlech Phosphatpartikele produzéiert. D’Gréissteverdeelung vun den ausgefällte Partikele gëtt duerch d’Keimbildungsquot an déi uschléissend Kristallwuesstemsquot bestëmmt. Beschleunegt Keimbildung a gehemmte Wuesstem sinn d’Schlësselfacteure fir d’Ausfällung vu kristalline Phosphatpartikelen, d. h. Struvit, an enger wässerlecher Léisung. D’Ultraschallbehandlung ass eng Method fir d’Prozessintensivéierung, déi d’Vermëschung verbessert, fir eng homogen Verdeelung vu reaktiven Ionen ze erreechen.
D’Ausfällung mat Ultraschall ass dofir bekannt, datt si eng méi enk Partikelgréissteverdeelung, méi kleng Kristaller, eng kontrolléierbar Morphologie an eng séier Keimbildungsquot ergëtt.
Struvitkristaller, déi aus Ofwaasser aus der Schwéngshaltung ausgefällt goufen (Quell: Kim et al. 2017)
Gutt Ausfällungsresultater kënnen zum Beispill mat PO3-4 : NH+4 : Mg2+ bei engem Verhältnis vun 1 : 3 : 4 erreecht ginn. De pH-Beräich vun 8 bis 10 féiert zu enger maximaler Fräisetzung vu Phosphat-P
D’Ultraschallbehandlung ass eng héicheffizient Technik fir d’Prozessintensivéierung, fir d’Ausfällung vu wäertvolle Stoffer wéi Kalziumphosphat, Magnesiumammoniumphosphat (MAP) an Hydroxylapatit (HAP), Kalziumhydroxylapatit, Oktakalziumphosphat, Trikalziumphosphat an Dikalziumphosphat-Dihydrat aus Ofwaasser ze fërderen. Klärschlamm, Wirtschaftsdünger an Ofwaasser aus der Mëllechveraarbechtung si bekannt als nährstoffräicht Ofwaasser, dat sech fir d’Produktioun vu wäertvolle Stoffer duerch ultraschallënnerstëtzt Ausfällung eegent.
Bildung vu Struvitkristaller:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Héichleeschtungs-Ultraschallprozessoren fir de Labo, de Pilotmoossstaf an den industrielle Moossstaf.
Industriell Ultraschallausrüstung fir d’Auslaugung an d’Ausfällung
Héichleeschtungs-Ultraschallsystemer a Reaktere sinn néideg, fir Äsche vu verbranntem Klärschlamm (ISSA) a Klärschlamm am industrielle Moossstaf ze behandelen. Hielscher Ultrasonics ass op d’Entwécklung an d’Fabrikatioun vun Héichleeschtungs-Ultraschallausrüstung spezialiséiert – vu Labo- an Dëschapparater bis zu vollindustriellen Unitéiten. D’Ultraschallapparater vun Hielscher si robust a fir de 24/7-Betrib ënner Vollbelaaschtung an usprochsvollen Ëmfeld gebaut. Accessoirë wéi Duerchflosszellereaktere mat verschiddene Geometrien, Sonotroden (Ultraschallsonden) a Boosterhornen erméiglechen déi optimal Upassung vum Ultraschallsystem un d’Prozessufuerderungen. Fir grouss Volumestréim ze verschaffen, bitt Hielscher Ultraschallunitéite mat 4kW, 10kW a 16kW un, déi einfach parallel zu Ultraschallclustere kombinéiert kënne ginn.
Déi sophistikéiert Ultraschallapparater vun Hielscher hunn en digitalen Touchdisplay fir eng einfach Bedéngung an eng präzis Kontroll vun de Prozessparameteren.
Benotzerfrëndlechkeet an eng einfach, sécher Bedéngung si Schlësseleegenschafte vun den Ultraschallapparater vun Hielscher. D’Fernsteierung iwwer de Browser erméiglecht d’Bedéngung an d’Kontroll vum Ultraschallsystem iwwer PC, Smartphone oder Tablet.
D’Tabell hei ënnendrënner gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchflossquot | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| net uwendbar | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| net uwendbar | méi héich | Cluster aus UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Literatur/Referenzen
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Den Afloss vun Ultraschall op Kristalliséierungs- an Ausfällungsprozesser: E puer Beispiller an en neie Segregatiounsmodell. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18–28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extraktioun vun Nährstoffer aus Molkerei-Ofwaasser a Form vu MAP (Magnesiumammoniumphosphat) an HAP (Hydroxyapatit). 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): Auswierkunge vum pH-Wäert, de molare Verhältnisser an der Virbehandlung op d’Réckgewënnung vu Phosphor duerch Struvitkristalliséierung aus dem Oflaf vun anaerob vergäertem Schwéngsofwaasser. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Produktioun vu kristallinem Dünger mat lueser Fräisetzung aus Ofwaasser duerch Struvitkristalliséierung. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Wëssenswäert Fakten
Wéi funktionéiert d’Ultraschallfällung?
D’Ultraschallbehandlung beaflosst d’Keimbildung an de Kristallwuesstem. Dëse Prozess gëtt als Sonokristalliséierung bezeechent.
Éischtens erméiglecht den Asaz vun Ultraschall et, d’Keimbildungsquot ze beaflossen, woubäi fest Kristaller aus enger flësseger Léisung entstinn. Héichleeschtungsultraschall schaaft Kavitatioun, also de Wuesstem an d’Implosioun vu Vakuumblosen an engem flëssege Medium. D’Implosioun vun de Vakuumblose féiert dem System Energie zou a reduzéiert déi kritesch iwwerschësseg fräi Energie. Doduerch ginn d’Bildung vu Keimbildungsplazen an d’Keimbildung mat enger héijer Quot an zum fréistméiglechen Zäitpunkt ausgeléist. Un der Grenzfläch tëscht der Kavitatiounsblos an der Léisung gëtt d’Hallschent vun engem opgeléiste Moleküll vum Léisungsmëttel solvatéiert, wärend déi aner Hallschent vun der Molekülluewerfläch vun der Kavitatiounsblos bedeckt ass, soudatt d’Solvatatiounsquot reduzéiert gëtt. D’erneit Opléise vum Moleküll gëtt verhënnert, wärend d’Koagulatioun vun de Moleküllen an der Léisung verstäerkt gëtt.
Zweetens fërdert d’Ultraschallbehandlung de Kristallwuesstem. D’Mësche mat Ultraschall fërdert de Wuesstem vu Kristaller, andeems et de Stofftransport an d’Aggregatioun vu Moleküllen erhéicht.
D’Resultater, déi duerch d’Ultraschallbehandlung erreecht ginn, kënnen iwwer de Behandlungsmodus gesteiert ginn:
Kontinuéierlech Ultraschallbehandlung:
Déi kontinuéierlech Ultraschallbehandlung vun der Léisung erzeugt vill Keimbildungsplazen, soudatt eng grouss Zuel vu klenge Kristaller entsteet
Gepulst Ultraschallbehandlung:
Den Asaz vun enger gepulster / zyklescher Ultraschallbehandlung erméiglecht eng präzis Kontroll vun der Kristallgréisst
Ultraschallbehandlung fir d’Keimbildung auszeléisen:
Wann Ultraschall nëmmen am Ufank vum Kristalliséierungsprozess agesat gëtt, entsteet eng begrenzten Zuel vu Keimer, déi duerno zu méi grousse Kristaller wuessen.
Duerch den Asaz vun Ultraschall wärend der Kristalliséierung kënnen d’Wuesstemsquot, d’Gréisst an d’Form vun de Kristallstrukture beaflosst a gesteiert ginn. Déi verschidde Méiglechkeete vun der Ultraschallbehandlung maachen d’Sonokristalliséierungsprozesser präzis steierbar a widderhuelbar.
Ultraschallkavitatioun
Wann Ultraschall mat héijer Intensitéit duerch e flëssege Medium geet, breede sech ofwiesselnd Héichdrockwellen (Kompressioun) an Déifdrockwellen (Verdënnung) duerch d’Flëssegkeet aus. Wann den Ënnerdrock, deen duerch eng Ultraschallwell beim Duerchgoe vun enger Flëssegkeet verursaacht gëtt, grouss genuch ass, iwwerschreit den Ofstand tëscht de Molekülle vun der Flëssegkeet de minimale molekulare Ofstand, deen néideg ass, fir d’Flëssegkeet zesummenzehalen. Da räisst d’Flëssegkeet auserneen, soudatt Vakuumblosen oder Huelraim entstinn. Dës Vakuumblose ginn och als Kavitatiounsblosen bezeechent.
Kavitatiounsblosen, déi fir Uwendunge mat Leeschtungsultraschall wéi Mëschen, Dispergéieren, Muelen, Extraktioun asw. agesat ginn, entsti bei Ultraschallintensitéiten iwwer 10 Wcm2. D’Kavitatiounsblosen wuessen iwwer e puer akustesch Nidderdrock- / Héichdrockzyklen, bis se eng Gréisst erreechen, bei där se keng weider Energie méi ophuele kënnen. Wann eng Kavitatiounsblos hir maximal Gréisst erreecht huet, implodéiert se hefteg wärend engem Kompressiounszyklus. Den heftegen Zesummebroch vun enger transienter Kavitatiounsblos schaaft extrem Bedéngunge wéi ganz héich Temperaturen an Drécker, ganz héich Drock- an Temperaturdifferenzen a Flëssegkeetsstralen. Dës Kräfte sinn d’Quell vu cheemeschen a mechaneschen Effekter, déi an Ultraschallapplikatioune genotzt ginn. All zesummebriechend Blos kann als Mikroreakter ugesi ginn, an deem Temperature vun e puer dausend Grad an Drécker vun iwwer dausend Atmosphären augenblécklech entstinn [Suslick et al 1986].
D’Ultraschallextraktioun baséiert op akustescher Kavitatioun an hiren hydrodynamesche Schéierkräften
Phosphor
Phosphor ass eng essentiell, net regeneréierbar Ressource, an Experte soe schonn elo viraus, datt d’Welt an ongeféier 20 Joer de „Phosphor-Peak“ erreeche wäert, dat heescht den Zäitpunkt, vun deem un d’Offer déi erhéicht Nofro net méi decke kann. D’Europäesch Kommissioun huet Phosphor schonn als kritesche Réistoff klasséiert.
Klärschlamm gëtt dacks als Dünger op de Felder ausbruecht. Well Klärschlamm awer nieft wäertvollem Phosphat och schiedlech Schwéiermetaller an organesch Schuedstoffer enthält, limitéiere vill Länner, wéi Däitschland, gesetzlech d’Quantitéit u Klärschlamm, déi als Dünger benotzt däerf ginn. Vill Länner, wéi Däitschland, hu streng Düngervirschrëften, déi d’Veronrengegung mat Schwéiermetaller strikt begrenzen. Well Phosphor eng endlech Ressource ass, verflicht déi däitsch Klärschlammveruerdnung vun 2017 d’Bedreiwer vu Kläranlagen dozou, Phosphater ze recycléieren.
Phosphor kann aus Ofwaasser, Klärschlamm souwéi aus der Äsche vu verbranntem Klärschlamm zeréckgewonne ginn.
Phosphat
E Phosphat, eng anorganesch cheemesch Substanz, ass e Salz vun der Phosphorsäier. Anorganesch Phosphater gi biergméisseg ofgebaut, fir Phosphor fir de Gebrauch an der Landwirtschaft an an der Industrie ze gewannen. An der organescher Chimie ass e Phosphat, oder Organophosphat, en Ester vun der Phosphorsäier.
Verwiesselt d’Bezeechnung „phosphorous“ net mam Element Phosphor (cheemescht Symbol P). Et sinn zwou verschidde Saachen. Als méiwäertegt Netmetall aus der Stéckstoffgrupp kënnt Phosphor heefeg an anorganesche Phosphatgestengser vir.
Organesch Phosphater si wichteg an der Biochemie an an der Biogeochemie.
Phosphat ass d’Bezeechnung vum Ion PO43-. Phosphoreg Säier dogéint ass d’Bezeechnung vun der triprotescher Säier H3PO3. Dëst ass eng Kombinatioun vun 3 H+ Ionen an engem Phosphit (PO33-)-Ion.
Phosphor ass dat cheemescht Element mam Symbol P an der Atomnummer 15. Phosphorverbindunge ginn och a groussem Ëmfang a Sprengstoffer, Nervegëfter, Reiwungsfixspéin, Freedefeier, Pestiziden, Zännseef a Wäschmëttele benotzt.
Struvit
Struvit, och als Magnesiumammoniumphosphat (MAP) bezeechent, ass e Phosphatmineral mat der cheemescher Formel NH4MgPO4·6H2O. Struvit kristalliséiert am orthorhombesche System als wäiss bis gielzeg oder brongzeg-wäiss pyramidefërmeg Kristaller oder a plättchefërmege Formen. Als mëllt Mineral huet Struvit eng Mohs-Häert vun 1,5 bis 2 an eng niddreg relativ Dicht vun 1,7. Ënner neutralen an alkalesche Bedéngungen ass Struvit kaum léislech, mee et léist sech liicht a Saier op. Struvitkristaller entstinn, wann am Ofwaasser e molaartegt Verhältnis (1:1:1) tëscht Magnesium, Ammoniak a Phosphat besteet. All dräi Elementer – Magnesium, Ammoniak a Phosphat – sinn normalerweis am Ofwaasser enthalen: Magnesium kënnt haaptsächlech aus dem Buedem, dem Mierwaasser an dem Drénkwaasser, Ammoniak entsteet beim Ofbau vum Harnstoff am Ofwaasser, a Phosphat kënnt aus Liewensmëttel, Seefen a Wäsch- a Botzmëttelen an d’Ofwaasser. Wann dës dräi Elementer virleien, ass d’Bildung vu Struvit bei méi héije pH-Wäerter, méi héijer Leetfäegkeet, méi niddregen Temperaturen a méi héije Konzentratioune vu Magnesium, Ammoniak a Phosphat méi warscheinlech. D’Réckgewënnung vu Phosphor aus Ofwaasserstréim als Struvit an d’Verwäertung vun dësen Nährstoffer als Dünger fir d’Landwirtschaft si villverspriechend.
Struvit ass e wäertvolle mineraleschen Dünger mat lueser Nährstofffräisetzung, deen an der Landwirtschaft agesat gëtt an d’Virdeeler huet, käreg, einfach ze benotzen a gerochlos ze sinn.