Ultraskaņas fosfora atgūšana no notekūdeņu dūņām
- Pasaules pieprasījums pēc fosfora pieaug, bet dabīgo fosfora resursu piedāvājums kļūst trūcīgs.
- Notekūdeņu dūņas un notekūdeņu dūņu pelni ir bagāti ar fosforu, un tāpēc tos var izmantot kā avotu, lai atgūtu fosforu.
- Ultraskaņas mitrā ķīmiskā apstrāde un nokrišņi uzlabo fosfātu atjaunošanos no notekūdeņu dūņām, kā arī no sadedzinātu dūņu pelniem, un padara atveseļošanos daudz ekonomiskāku.
Fosfora
Fosfors (Phosphor, P) ir neatjaunojams resurss, ko lauksaimniecībā izmanto kā mēslojumu, kā arī daudzās nozarēs, kur fosfors ir vērtīga piedeva (piem., krāsas, Veļas mazgāšanas līdzekļi, liesmas slāpētāji, dzīvnieku barība). Notekūdeņu dūņas, sadedzinātās notekūdeņu dūņu pelni (ISSA), kūtsmēsli un piena notekūdeņi ir bagāti ar fosforu, padarot tos par fosfora reģenerācijas avotu attiecībā uz ierobežotiem fosfora resursiem, kā arī vides apsvērumiem.
Fosfora reģenerācijas rādītāji no šķidrās notekūdeņu plūsmām var sasniegt 40 līdz 50%, bet reģenerācijas rādītāji no notekūdeņu dūņām un notekūdeņu dūņas pelnu var sasniegt līdz pat 90%. Fosfors var nogulsnēt dažādos veidos, no kuriem viens ir struvītu (novērtēts kā augstas kvalitātes, lēnas darbības mēslojums). Lai padarītu fosfora ekonomisku meliorāciju, ir jāuzlabo atveseļošanās process. Ultrasonication ir process intensificējot metodi, kas paātrina procesu un palielina ražu reģenerē minerālvielas.
Ultraskaņas fosfora atgūšana
Ar ultraskaņu var atgūt vērtīgus materiālus, piemēram, struvītu (magnija amonija fosfātu (MAP)), kalcija fosfātu, hidroksiapatītu (HAP)/kalcija hidroksiapatītu, oktacalcija fosfātu, trikalcija fosfātu un dikalcija fosfāta dihidrātu no atkritumu plūsmām. Ultraskaņas apstrāde uzlabo mitrās ķīmiskās ekstrakciju, kā arī nogulsnēšanos un kristalizāciju (Sono Kristalizācija) no notekūdeņu dūņām un no sadedzinātu dūņu pelniem.
Lai gan fosfora (8-10%), dzelzs (10-15%) un alumīnija (5-10%) In pelni mono-sadedzināšanas notekūdeņu dūņas ir diezgan augsts, tas satur arī toksisku smago metālu, piemēram, svina, kadmija, vara un cinka.
Phopshorus atgūšana – Divpakāpju process
-
- skābes ekstrakcija
Pirmais solis no fosfāta atjaunošanās ir fosfora ekstrakcija vai izskalošanās no notekūdeņu dūņām vai sadedzinātu notekūdeņu dūņu pelnu (ISSA), izmantojot skābi, piemēram, sērskābi vai sālsskābi. Ultraskaņas sajaukšana veicina mitro ķīmisko izskalošanos, palielinot masas pārnesi starp skābi un ISSA, lai ātri tiktu sasniegta pilnīga fosfora izskalošanās. Ekstrakcijas procedūras uzlabošanai var izmantot pirmapstrādes posmu, izmantojot etilēndiamīntetraacetatskābi (EDTA).
-
- Fosfora izgulsnēšana
Ultraskaņas Kristalizācija uzlabo fosfātu nogulsnēšanos ievērojami, palielinot sēšanas punktus un paātrinot molekulu adsorbciju un agregāciju, lai veidotu kristālu. Var sasniegt fosfora ultraskaņas nogulsnēšanos no notekūdeņu sluge un ISSA, piemēram, izmantojot magnija hidroksīdu un amonija hidroksīdu. Iegūtās nogulsnes ir struvite, savienojums, kas sastāv no magnija, amonija, fosfora un skābekļa.
Struvīta sonokristizācija
Ultraskaņas izkliedēšana veicina masveida pārnesi starp fāzēm un uzsāk fosfātu kodēšanu un kristālu augšanu (piemēram, struvītu/MAP).
Ultraskaņas inline nokrišņi un struvītu Kristalizācija ļauj veikt liela tilpuma štrams apstrādi rūpnieciskā mērogā. Lielu notekūdeņu dūņu plūsmas apstrādes jautājumu var atrisināt ar nepārtrauktu ultraskaņas procesu, kas paātrina struvīta kristalizāciju un uzlabo kristāla izmēru, kas ražo mazākas, vienveidīgākas fosfātu daļiņas. Nogulsnēto daļiņu lieluma sadalījums tiek noteikts ar nukriācijas ātrumu un sekojošu kristāla augšanas ātrumu. Paātrināta kodolu un inhibēšana ir galvenie faktori, kas nogulsnējas cristalline fosfāta daļiņās, t.i., struvīts, ūdens šķīdumā. Ultrasonication ir procesa intensifikācijas metode, kas uzlabo sajaukšanos, lai iegūtu reaktīvu jonu viendabīgu sadalījumu.
Ir zināms, ka ultraskaņas nokrišņi dod šaurāku daļiņu izmēra sadalījumu, mazāku kristāla izmēru, kontrolējamu morfoloģiju un ātras nuklošanas ātrumu.
Struvītu kristāli, kas nogulsnēti no cūku notekūdeņus (avots: Kim et al. 2017)
Labus nokrišņu rezultātus var panākt, piemēram, ar PO3-4 : NH+4 : Mgno 2 līdz ar koeficientu 1:3: 4. PH diapazons no 8 līdz 10 noved pie maksimālās fosfāta P atbrīvošanas
Ultrasonication ir ļoti efektīva procesa intensifikācijas tehnika, lai veicinātu vērtīgu materiālu, piemēram, kalcija fosfāta, magnija amonija fosfāta (MAP) un hidroksiapatīta (HAP), kalcija hidroksiapatīta, oktakalcija fosfāta, nogulsnēšanos trikalcija fosfātu un dikalcija fosfāta dihidrātu no notekūdeņiem. Notekūdeņu dūņas, kūtsmēsli un piena notekūdeņi ir pazīstami kā ar barības vielām bagāti ūdens atkritumi, kas ir piemēroti vērtīgu materiālu ražošanai, izmantojot ultrasoniski veicinātus nokrišņos.
Struvite kristāla veidošanās:
Mgno 2 līdz + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4Po4 ∙ 6H2O + H+
Lieljaudas ultraskaņas procesori no lab līdz pilotam un rūpnieciskai apjomai.
Rūpnieciskā ultraskaņas iekārta izskalošanai un nokrišņiem
Augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas un reaktori ir nepieciešami, lai ārstētu dedzinātu notekūdeņu dūņu pelnu (ISSA) un notekūdeņu dūņas rūpnieciskā mērogā. Hielscher Ultrasonics ir specializējies augstas jaudas ultraskaņas iekārtu projektēšanā un ražošanā – no lab uz soliem līdz pilnībā rūpnieciskām vienībām. Hielscher ultrasonicators ir robusti un būvēti 24/7 operācijai ar pilnu slodzi sarežģītos apstākļos. Tādi piederumi kā plūsmas šūnu reaktori ar dažādām ģeometrijām, sonotrodes (ultraskaņas zondes) un pastiprinātāja ragi ļauj optimāli pielāgot ultraskaņas sistēmu procesa prasībām. Lai apstrādātu liela apjoma plūsmas, Hielscher piedāvā 4kW, 10kW un 16kW ultraskaņas vienības, ko var viegli kombinēt paralēli ultraskaņas klasteriem.
Hielscher izsmalcinātiem ultrasonatoriem ir digitālais skārienjūtīgs displejs ērtai darbībai un precīzai procesa parametru kontrolei.
Hielscher ultrasonicators galvenās iezīmes ir ērta lietotājdraudzīgums un viegla un droša darbība. Attālā pārlūka vadība ļauj veikt ultraskaņas sistēmas darbību un kontroli, izmantojot datoru, viedo tālruni vai planšetdatoru.
Zemāk redzamā tabula sniedz norādes par mūsu ultraskaņas aparātu aptuveno apstrādes jaudu:
| partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamie ierīces |
|---|---|---|
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 0.2 līdz 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100 l | 2 līdz 10 l / min | UIP4000hdT |
| nav | | 10 līdz 100 l / min | UIP16000 |
| nav | | lielāks | klasteris UIP16000 |
Sazinies ar mums! / Uzdot mums!
Literatūra / Literatūras saraksts
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossjē, Romain; Deivids, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): ultraskaņas ietekme uz kristalizāciju-nokrišņu procesi: daži piemēri un jauns segregācijas modelis. Daļiņu un daļiņu sistēmu raksturošana, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), PP. 18-28
- , A.; Prasanna, K. (2016): barības vielu ieguve no piena notekūdeņiem kartes veidā (magnija amonija fosfāts) un HAP (hidroksiapatīts). Rasayan Journal ķīmijas sēj. 9, Nr. 2; 2016.215-221.
- Kim, D.; Jin min, K.; S, K. Yu, M. S:; Parks, K.Y. (2017): PH, molārās attiecības un pirmapstrādes ietekme uz fosfora reģenerāciju, izmantojot struvītu kristalizāciju no anaerobos apstākļos hidrolizējamais cūku notekūdeņi. Vides inženierijas izpēte 22 (1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., ra, C. (2014): lēnas atbrīvošanas kristāla mēslojuma ražošana no atkritumu ūdeņiem caur struvītu kristalizāciju. Arābu. J. Chem. 7, 139 – 155.
Fakti ir vērts zināt
Kā darbojas ultraskaņas nokrišņi?
Ultrasonication ietekmē kodēšanu un kristāla augšanu, procesu, kas pazīstams kā sonokristalizācija.
Pirmkārt, ultraskaņas pielietojums ļauj ietekmēt kodolu skaitu, kur ir cietie kristāli, kas veido šķidro šķīdumu. Lieljaudas ultrasond rada Kavitācija, kas ir izaugsme un sabrukums vakuuma burbuļi šķidrā vidē. Vakuuma burbuļu implosija ievieš enerģiju sistēmā un samazina kritisko lieko brīvo enerģiju. Tādējādi sētu punktus un kodolkodolu uzsāk ar augstu ātrumu un visdrīzākajā laikā. Pie saskarnes starp kavitāciju burbulis un šķīdumu, puse no izšķīdušās vielas molekulu ir solvated ar šķīdinātāju, bet otra puse no molekulu virsmas ir pārklāta ar KAVITĀCIJAS burbulis, tā ka sološanās likme ir samazinājies. Atkārtota šķīdināšana izšķīdušās vielas molekula ir novērsta, kamēr koagulācijas molekulu šķīdumā tiek palielināts.
Otrkārt, ultraskaņas apstrāde veicina kristāla augšanu. Ultraskaņas sajaukšana veicina kristālu augšanu, veicot masu pārnesi un molekulu agregēšanu.
Ar ultraskaņas apstrādi sasniedzamos rezultātus var regulēt ar ultraskaņas režīmu:
Nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu:
Nepārtraukta risinājuma ultraskaņas apstrāde rada daudzas nukācijas vietas, lai izveidotu lielu skaitu mazu kristālu
Pulsācija ar ultraskaņu:
Pulsveida ultraskaņu pielietojums ļauj precīzi kontrolēt kristāla izmēru
Ultraskaņas apstrāde, lai uzsāktu kodēšanu:
Kad Ultraskaņa tiek uzklāts tikai kristalizācijas procesa sākumā, veidojas ierobežots kodolu skaits, kas pēc tam tiek audzēti lielākā izmērā.
Izmantojot ultrasonication kristalizācijas laikā, kristāla konstrukciju augšanas ātrumu, lielumu un formu var ietekmēt un kontrolēt. Dažādas ultraskaņas apstrādes iespējas padara Sono kristalizācijas procesus precīzi kontrolējamu un atkārtojamu.
ultraskaņas kavitācija
Kad augstas intensitātes Ultraskaņa šķērso šķidro barotni, augstspiediena (kompresijas) un zema spiediena (rarefrakcija) viļņi ir pārmaiņus caur šķidrumu. Kad negatīvais spiediens, ko izraisa ultraskaņas vilnis, kas šķērso šķidrumu, ir pietiekami liels, attālums starp šķidruma molekulām pārsniedz minimālo molekulāro attālumu, kas vajadzīgs, lai šķidrums būtu neskarts, un pēc tam šķidrums sabojājas, lai vakuums burbuļi vai tukšumi tiek izveidoti. Šie vakuuma burbuļi ir pazīstami arī kā kavitācija Burbuļi.
KAVITĀCIJAS burbuļi izmanto jaudas ultraskaņas lietojumprogrammas, piemēram, sajaukšana, Izkliedēšana, frēzēšana, Ekstrakcija utt. notiek ar ultraskaņas intensitāti virs 10 WCM2. KAVITĀCIJAS burbuļi aug vairākos akustiskos zema spiediena/augstspiediena ciklos, līdz tie sasniedz dimensiju, kur tie nespēj absorbēt vairāk enerģijas. Kad KAVITĀCIJAS burbulis ir sasniedzis savu maksimālo izmēru, tas implodes vardarbīgi laikā kompresijas ciklā. Pārejošas KAVITĀCIJAS burbuļa vardarbīgās kolādes rada ārkārtīgus apstākļus, piemēram, ļoti augstas temperatūras un spiedienus, ļoti augsta spiediena un temperatūras diferenciāļus un šķidrās strūklas. Šie spēki ir ultraskaņas lietojumos izmantotās ķīmiskās un mehāniskās iedarbības avots. Katru sabrukšanas burbulis var uzskatīt par mikroreaktoru, kurā temperatūras vairāku tūkstošu grādu un spiedieniem augstāka par 1000 atmosfērām tiek radīti uzreiz [Suslick et al 1986].
Ultraskaņas ekstrakcija pamatojas uz akustisko kavitāciju un tās hidrodinamisko bīdes spēku
Fosfora
Fosfors ir būtisks, neatatjaunojams resurss, un eksperti jau prognozē, ka pasaule dosies “fosfora virsotne”, t. i., laiks, no kura piegāde vairs nevar apmierināt palielināto pieprasījumu, aptuveni 20 gadu laikā. Eiropas Komisija jau klasificējusi fosforu kā kritiski svarīgu izejvielu.
Notekūdeņu dūņas bieži izmanto kā mēslojumu, kas izplatās uz lauka. Tomēr, tā kā notekūdeņu dūņas satur ne tikai vērtīgus fosfātus, bet arī kaitīgus smagos metālus un organiskos piesārņotājus, daudzas valstis, piemēram, Vācija, ierobežo likumdošanu, cik daudz notekūdeņu dūņu var izmantot kā mēslojumu. Daudzās valstīs, piemēram, Vācijā ir stingras mēslojuma noteikumiem, kas ierobežo piesārņojumu ar smago metālu stingri. Tā kā fosfors ir ierobežots resurss, Vācijas notekūdeņu dūņu regula no 2017 prasa notekūdeņu attīrīšanas uzņēmumiem pārstrādāt fosfātus.
Fosforu var reģenerēt no notekūdeņiem, notekūdeņu dūņām, kā arī no pelnu sadedzināšanas notekūdeņu dūņām.
Fosfāta
Fosfāts, neorganiska ķīmiska viela, ir fosforskābes sāls. Ir iegūti neorganiskie fosfāti, lai iegūtu fosforu izmantošanai lauksaimniecībā un rūpniecībā. Organiskā ķīmijā, fosfātu vai fosfororu, ir esteris fosforskābes.
Nejauciet nosaukumu fosfors ar elementu fosfors (ķīmiskais simbols P). Tās ir divas dažādas lietas. Daudzvalenta slāpekļa grupas nonmetāls, fosfors parasti atrodams neorganiskos fosfātu akmeņos.
Organiskie fosfāti ir svarīgi bioķīmijā un bioģeoķīmijā.
Fosfāts ir jona PO43-. No otras puses, fosfora skābe ir nosaukums triprotic Acid H3PO3. Šī kombinācija ir 3 H+ joni un viens foshīts (PP33-jonu.
Fosfors ir ķīmiskais elements ar simbolu P un atomskaitli 15. Fosfora savienojumi tiek plaši izmantoti arī sprāgstvielu, nervu aģentiem, berzes sacensībām, uguņošanas ierīcēm, pesticīdiem, zobu pastu un mazgāšanas līdzekļiem.
Struvītu
Struvite, ko dēvē arī par magnija amonija fosfātu (MAP), ir fosfātu minerāls ar ķīmisko formulu NH4MgPO4· 6H2O. struvīts kristalizējas ororombombisku sistēmā, kā baltas vai dzeltenīgi vai brūngani baltas Piramīdveida kristāli vai platlet līdzīgu formu. Būdams mīksts minerālu, struvītu ir mohs cietību 1,5 līdz 2 un zemu īpatnējā smaguma 1,7. Saskaņā ar neitrālo un sārmu nosacījumiem struvītu ir grūti šķīst, bet to var viegli izšķīdina skābi. Struvite kristāli forma, kad ir mols, lai dzimumzīme līdz Mole attiecība (1:1:1) magnija, amonjaka un fosfātu notekūdeņos. Visi trīs elementi – magnija, amonjaka un fosfātu – parasti atrodas notekūdeņos: magnijs, kas galvenokārt nāk no augsnes, jūras ūdens un dzeramais ūdens, amonjaks tiek sadalīts no urīnvielas notekūdeņos un fosfāts no pārtikas, ziepēm un mazgāšanas līdzekļiem nonāk notekūdeņos. Ar šiem trim elementiem, struvītu ir lielāka iespēja veidot pie augstākas pH vērtības, augstāka vadītspēja, zemākas temperatūras un augstākas koncentrācijas magnija, amonjaka un fosfātu. Fosfora reģenerācija no notekūdeņu plūsmām, kā struvīts un otrreizējo izejvielu pārstrāde kā mēslojums lauksaimniecībai ir daudzsološa.
Struvite ir vērtīgs lēnas darbības minerālu mēslojums, ko izmanto lauksaimniecībā, kas ir priekšrocības, ir granulu, viegli lietojams, un smarža-free.