Ultraskaņas fosfora atgūšana no notekūdeņu dūņām
- Pieprasījums pēc fosfora visā pasaulē pieaug, bet dabisko fosfora resursu piedāvājums kļūst nepietiekams.
- Notekūdeņu dūņas un notekūdeņu dūņu pelni ir bagāti ar fosforu, tāpēc tos var izmantot kā avotu fosfora reģenerācijai.
- Ultraskaņas mitrā ķīmiskā apstrāde un nokrišņi uzlabo fosfātu atgūšanu no notekūdeņu dūņām, kā arī no sadedzināto dūņu pelniem un padara atgūšanu ievērojami ekonomiskāku.
fosfors
Fosfors (fosfors, P) ir neatjaunojams resurss, ko plaši izmanto lauksaimniecībā kā mēslojumu, kā arī daudzās nozarēs, kur fosfors ir vērtīga piedeva (piemēram, krāsas, veļas mazgāšanas līdzekļi, liesmas slāpētāji, dzīvnieku barība). Notekūdeņu dūņas, sadedzināto notekūdeņu dūņu pelni (ISSA), kūtsmēsli un piena notekūdeņi ir bagāti ar fosforu, padarot tos par fosfora reģenerācijas avotu attiecībā uz fosfora ierobežoto resursu, kā arī vides problēmām.
Fosfora reģenerācijas līmenis no šķidro notekūdeņu plūsmām var sasniegt 40 līdz 50%, savukārt reģenerācijas līmenis no notekūdeņu dūņām un notekūdeņu dūņu pelniem var sasniegt pat 90%. Fosforu var nogulsnēt daudzos veidos, viens no tiem ir struvīts (novērtēts kā augstas kvalitātes, lēnas izdalīšanās mēslojums). Lai fosfora atgūšana būtu ekonomiski izdevīga, ir jāuzlabo reģenerācijas process. Ultrasonication ir procesa pastiprināšanas metode, kas paātrina procesu un palielina atgūto minerālu ražu.
Ultraskaņas fosfora atgūšana
Saskaņā ar ultraskaņu no atkritumu plūsmām var atgūt vērtīgus materiālus, piemēram, struvītu (magnija amonija fosfātu (MAP)), kalcija fosfātu, hidroksiapatītu (HAP) / kalcija hidroksiapatītu, oktakalcija fosfātu, trikalcija fosfātu un dikalcija fosfāta dihidrātu. Ultraskaņas apstrāde uzlabo mitru ķīmisko ekstrakciju, kā arī nokrišņus un kristalizāciju (sono-kristalizāciju) vērtīgiem materiāliem no notekūdeņu dūņām un no sadedzināto dūņu pelniem.
Lai gan fosfora (8-10%), dzelzs (10-15%) un alumīnija (5-10%) saturs monosadedzinātu notekūdeņu dūņu pelnos ir diezgan augsts, tas satur arī toksiskus smagos metālus, piemēram, svinu, kadmiju, varu un cinku.
Phopshorus atveseļošanās – Divpakāpju process
-
- skābes ekstrakcija
Pirmais fosfora reģenerācijas solis ir fosfora ieguve vai izskalošanās no notekūdeņu dūņām vai sadedzinātiem notekūdeņu dūņu pelniem (ISSA), izmantojot skābi, piemēram, sērskābi vai sālsskābi. Ultraskaņas sajaukšana veicina mitru ķīmisko izskalošanos, palielinot masas pārnesi starp skābi un ISSA, lai ātri sasniegtu pilnīgu fosfora izskalošanos. Lai uzlabotu ekstrakcijas procedūru, var izmantot priekšapstrādes posmu, izmantojot etilēndiamīntetraacetānskābi (EDTA).
-
- Fosfora izgulsnēšana
Ultraskaņas kristalizācija ievērojami uzlabo fosfātu nogulsnēšanos, palielinot sēšanas punktus un paātrinot molekulu adsorbciju un agregāciju, lai izveidotu kristālu. Fosfora ultraskaņas nogulsnēšanos no notekūdeņu dūņām un ISSA var panākt, piemēram, izmantojot magnija hidroksīdu un amonija hidroksīdu. Iegūtais nogulsnes ir struvīts, savienojums, kas sastāv no magnija, amonija, fosfora un skābekļa.
Strūvītes sonokristalizācija
Ultraskaņas izkliedēšana veicina masas pārnesi starp fāzēm un ierosina fosfātu nukleāciju un kristālu augšanu (piemēram, struvīts / MAP).
Ultraskaņas inline nokrišņi un struvīta kristalizācija ļauj apstrādāt liela apjoma stramus rūpnieciskā mērogā. Jautājumu par lielas notekūdeņu dūņu plūsmas apstrādi var atrisināt ar nepārtrauktu ultraskaņas procesu, kas paātrina struvīta kristalizāciju un uzlabo kristāla izmēru, radot mazākas, vienveidīgākas fosfātu daļiņas. Nogulsnēto daļiņu lieluma sadalījums tiek noteikts nukleācijas ātrums un sekojošais kristālu augšanas ātrums. Paātrināta nukleācija un kavēta augšana ir galvenie faktori cristalline fosfāta daļiņu, t.i., struvīta, nogulsnēšanai ūdens šķīdumā. Ultrasonication ir procesa pastiprināšanas metode, kas uzlabo sajaukšanu, lai iegūtu reaktīvo jonu viendabīgu sadalījumu.
Ir zināms, ka ultraskaņas nokrišņi nodrošina šaurāku daļiņu izmēru sadalījumu, mazāku kristāla izmēru, kontrolējamu morfoloģiju un arī ātru nukleācijas ātrumu.
Struvīta kristāli, kas izgulsnējušies no cūku notekūdeņiem (avots: Kim et al. 2017)
Labus nokrišņu rezultātus var sasniegt, piemēram, ar PO3-4 :NH+4 :Mg2+ ar attiecību 1: 3: 4. pH diapazons no 8 līdz 10 noved pie maksimālas fosfāta P izdalīšanās
Ultrasonication ir ļoti efektīva procesa pastiprināšanas metode, lai veicinātu vērtīgu materiālu, piemēram, kalcija fosfāta, magnija amonija fosfāta (MAP) un hidroksiapatīta (HAP), kalcija hidroksiapatīta, oktakalcija fosfāta, trikalcija fosfāta un dikalcija fosfāta dihidrāta nokrišņu nokrišņiem. Notekūdeņu dūņas, kūtsmēsli un piena notekūdeņi ir pazīstami kā barības vielām bagāti notekūdeņi, kas ir piemēroti vērtīgu materiālu ražošanai, izmantojot ultrasoniski atbalstītus nokrišņus.
Struvīta kristāla veidošanās:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Augstas jaudas ultraskaņas procesori no laboratorijas līdz izmēģinājuma un rūpnieciskajam mērogam.
Rūpnieciskās ultraskaņas iekārtas izskalošanai un nokrišņiem
Augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas un reaktori ir nepieciešami, lai rūpnieciskā mērogā apstrādātu sadedzinātās notekūdeņu dūņas, pelnus (ISSA) un notekūdeņu dūņas. Hielscher Ultrasonics ir specializējies lieljaudas ultraskaņas iekārtu projektēšanā un ražošanā – no laboratorijas un stenda virsmas līdz pilnībā rūpnieciskām vienībām. Hielscher ultrasonikatori ir izturīgi un būvēti 24/7 darbībai ar pilnu slodzi prasīgā vidē. Piederumi, piemēram, 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, kuras var viegli apvienot paralēli ultraskaņas klasteriem.
Hielscher izsmalcinātajiem ultrasonikatoriem ir digitālais skārienekrāns, lai ērti darbotos un precīzi kontrolētu procesa parametrus.
Lietotājdraudzīgums un viegla, droša darbība ir Hielscher ultrasonikatoru galvenās iezīmes. Attālā pārlūka vadība ļauj darboties un kontrolēt ultraskaņas sistēmu, izmantojot datoru, viedtālruni vai planšetdatoru.
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra/Atsauces
- Dodds, Jānis A.; Espitalier, Fabienne; Luisnards, Olivjē; Grossier, Romain; Dāvids, Renē; Hassoun, Myriam; Baillons, Fabiens; Gatumels, Cendrīns; Lyczko, Nathalie (2007): Ultraskaņas ietekme uz kristalizācijas-nokrišņu procesiem: Daži piemēri un jauns segregācijas modelis. Daļiņu un daļiņu sistēmu raksturojums, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), 18.-28.lpp.
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Barības vielu ekstrakcija no piena notekūdeņiem MAP (magnija amonija fosfāts) un HAP (hidroksiapatīts) veidā. Rasayan Journal of Chemistry 9. sējums, Nr. 2; 2016. 215-221.
- Kima, D.; Džins Mins, K.; Lī, K.; Yu, M.S:; Parks, K.Y. (2017): pH, molāro attiecību un priekšapstrādes ietekme uz fosfora reģenerāciju, kristalizējoties struvītam no anaerobi sagremotu cūku notekūdeņu notekūdeņiem. Vides inženierijas pētījumi 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Lēnas izdalīšanās kristāla mēslojuma ražošana no notekūdeņiem, izmantojot struvīta kristalizāciju. Arābu. J. Čem. 7, 139–155.
Fakti, kurus ir vērts zināt
Kā darbojas ultraskaņas nokrišņi?
Ultrasonication ietekmē nukleāciju un kristālu augšanu, procesu, kas pazīstams kā sonokristalizācija.
Pirmkārt, ultraskaņas pielietošana ļauj ietekmēt nukleācijas ātrumu, kur no šķidra šķīduma veidojas cietie kristāli. Augstas jaudas ultrasond rada kavitāciju, kas ir vakuuma burbuļu augšana un implosija šķidrā vidē. Vakuuma burbuļu implosija ievada enerģiju sistēmā un samazina kritisko lieko brīvo enerģiju. Tādējādi sēšanas punkti un nukleācija tiek uzsākti lielā ātrumā un agrākajā laikā. Saskarnē starp kavitācijas burbuli un šķīdumu pusi no izšķīdušās molekulas izšķīdina šķīdinātājs, bet otru pusi molekulas virsmas pārklāj kavitācijas burbulis, lai samazinātu šķīdināšanas ātrumu. Tiek novērsta izšķīdušās molekulas atkārtota izšķīdināšana, bet molekulu koagulācija šķīdumā palielinās.
Otrkārt, ultraskaņas apstrāde veicina kristāla augšanu. Ultraskaņas sajaukšana veicina kristālu augšanu, iekļaujot molekulu masas pārnesi un agregāciju.
Rezultātus, kas sasniegti ar ultraskaņu, var kontrolēt ar ultraskaņas režīmu:
Nepārtraukta ultraskaņas apstrāde:
Nepārtraukta šķīduma ultraskaņas apstrāde rada daudzas nukleācijas vietas, lai izveidotu lielu skaitu mazu kristālu
Pulsējoša ultraskaņas apstrāde:
Impulsa / ciklēta ultraskaņas pielietojums ļauj precīzi kontrolēt kristāla izmēru
Ultraskaņas apstrāde, lai uzsāktu nukleāciju:
Ja ultraskaņa tiek izmantota tikai kristalizācijas procesa sākumā, veidojas ierobežots skaits kodolu, kas pēc tam tiek audzēti līdz lielākam izmēram.
Izmantojot ultrasonikāciju kristalizācijas laikā, var ietekmēt un kontrolēt kristāla struktūru augšanas ātrumu, lielumu un formu. Dažādās ultraskaņas apstrādes iespējas padara sonokristalizācijas procesus precīzi kontrolējamus un atkārtojamus.
Ultraskaņas kavitācija
Kad augstas intensitātes ultraskaņa šķērso šķidru vidi, caur šķidrumu mainās augstspiediena (kompresijas) un zema spiediena (retināšanas) viļņi. Ja negatīvais spiediens, ko izraisa ultraskaņas vilnis, kas šķērso šķidrumu, ir pietiekami liels, attālums starp šķidruma molekulām pārsniedz minimālo molekulāro attālumu, kas nepieciešams, lai saglabātu šķidrumu neskartu, un tad šķidrums sadalās tā, ka rodas vakuuma burbuļi vai tukšumi. Šie vakuuma burbuļi ir pazīstami arī kā Kavitāciju Burbuļi.
Kavitācijas burbuļi, ko izmanto jaudas ultraskaņas lietojumiem, piemēram, sajaukšanai, Izkliedēt, Malšanas, Ekstrakcijas u.c. notiek pie ultraskaņas intensitātes, kas pārsniedz 10 Wcm2. Kavitācijas burbuļi aug vairākos akustiskos zema spiediena / augsta spiediena ciklos, līdz tie sasniedz dimensiju, kurā tie nevar absorbēt vairāk enerģijas. Kad kavitācijas burbulis ir sasniedzis maksimālo izmēru, tas spēcīgi implodē kompresijas cikla laikā. Pārejoša kavitācijas burbuļa vardarbīgie sabrukumi rada ekstremālus apstākļus, piemēram, ļoti augstu temperatūru un spiedienu, ļoti augstas spiediena un temperatūras atšķirības un šķidruma strūklas. Šie spēki ir ķīmisko un mehānisko efektu avots, ko izmanto ultraskaņas lietojumos. Katru sabrukušo burbuli var uzskatīt par mikroreaktoru, kurā momentāni tiek radīta vairāku tūkstošu grādu temperatūra un spiediens, kas pārsniedz tūkstoš atmosfēras [Suslick et al 1986].
Ultraskaņas ekstrakcija ir balstīta uz akustisko kavitāciju un tās hidrodinamiskajiem bīdes spēkiem
fosfors
Fosfors ir būtisks, neatjaunojams resurss, un eksperti jau prognozē, ka pasaule cietīs “fosfora maksimums”, t. i., laiks, no kura aptuveni 20 gadu laikā piedāvājums vairs nevar apmierināt pieaugošo pieprasījumu. Eiropas Komisija fosforu jau ir klasificējusi kā kritiski svarīgu izejvielu.
Notekūdeņu dūņas bieži izmanto kā mēslojumu, kas izplatās uz laukiem. Tomēr, tā kā notekūdeņu dūņas satur ne tikai vērtīgus fosfātus, bet arī kaitīgus smagos metālus un organiskos piesārņotājus, daudzas valstis, piemēram, Vācija, ar tiesību aktiem ierobežo to, cik daudz notekūdeņu dūņu var izmantot kā mēslojumu. Daudzās valstīs, piemēram, Vācijā, ir stingri mēslošanas līdzekļu noteikumi, kas stingri ierobežo piesārņojumu ar smagajiem metāliem. Tā kā fosfors ir ierobežots resurss, Vācijas 2017. gada Notekūdeņu dūņu regulā ir noteikts, ka notekūdeņu iekārtu operatoriem ir jāpārstrādā fosfāti.
Fosforu var atgūt no notekūdeņiem, notekūdeņu dūņām, kā arī no sadedzināto notekūdeņu dūņu pelniem.
Fosfāta
Fosfāts, neorganiska ķīmiska viela, ir fosforskābes sāls. Neorganiskos fosfātus iegūst, lai iegūtu fosforu izmantošanai lauksaimniecībā un rūpniecībā. Organiskajā ķīmijā fosfāts vai organofosfāts ir fosforskābes esteris.
Nejauciet nosaukumu fosfors ar elementu fosfors (ķīmiskais simbols P). Tās ir divas dažādas lietas. Slāpekļa grupas daudzvērtīgs nemetāls, fosfors parasti atrodams neorganiskajos fosfātu iežos.
Organiskie fosfāti ir svarīgi bioķīmijā un bioģeoķīmijā.
Fosfāts ir jonu PO nosaukums43-. No otras puses, fosforskābe ir triprotīnskābes H3PO3 nosaukums. Tā ir 3 H kombinācija+ joni un viens fosfīts (PO33-) jonu.
Fosfors ir ķīmiskais elements ar simbolu P un atomu skaitu 15. Fosfora savienojumus plaši izmanto arī sprāgstvielās, nervu aģentos, berzes sērkociņos, uguņošanas ierīcēs, pesticīdos, zobu pastā un mazgāšanas līdzekļos.
struvīts
Struvīts, saukts arī par magnija amonija fosfātu (MAP), ir fosfātu minerāls ar ķīmisko formulu NH4MgPO4·6H2O. struvīts kristalizējas ortorombiskajā sistēmā kā balti līdz dzeltenīgi vai brūngani balti piramīdas kristāli vai platletiem līdzīgās formās. Tā kā struvīts ir mīksts minerāls, tā Mosa cietība ir no 1,5 līdz 2 un zems īpatnējais svars ir 1,7. Neitrālos un sārmainos apstākļos struvīts gandrīz nešķīst, bet to var viegli izšķīdināt skābē. Strūvīta kristāli veidojas, ja notekūdeņos ir mola un mola attiecība (1:1:1) magnija, amonjaka un fosfāta. Visi trīs elementi – magnijs, amonjaks un fosfāts – parasti atrodas notekūdeņos: magnijs galvenokārt nāk no augsnes, jūras ūdens un dzeramā ūdens, amonjaks tiek sadalīts no urīnvielas notekūdeņos, un fosfāti, kas no pārtikas, ziepēm un mazgāšanas līdzekļiem nonāk notekūdeņos. Ja ir šie trīs elementi, struvīts, visticamāk, veidojas pie augstākām pH vērtībām, augstākas vadītspējas, zemākas temperatūras un augstākām magnija, amonjaka un fosfāta koncentrācijām. Fosfora reģenerācija no notekūdeņu plūsmām kā struvīts un šo barības vielu pārstrāde kā mēslojums lauksaimniecībai ir daudzsološa.
Struvīts ir vērtīgs lauksaimniecībā izmantojams lēnas iedarbības minerālmēsls, kura priekšrocība ir tā, ka tas ir granulēts, viegli lietojams un bez smaržas.