Ultrasone Fosforterugwinning uit rioolslib
- De wereldwijde vraag naar fosfor neemt toe, terwijl het aanbod van natuurlijke fosforbronnen schaarser wordt.
- Zuiveringsslib en zuiveringsslibas zijn rijk aan fosfor en kunnen daarom worden gebruikt als bron voor de terugwinning van fosfor.
- De ultrasone nat-chemische verwerking en neerslag verbetert de terugwinning van fosfaat uit zuiveringsslib en uit de as van het verbrande slib en maakt de terugwinning aanzienlijk zuiniger.
Fosfor
Fosfor (fosfor, P) is een niet-hernieuwbare hulpbron, die veel wordt gebruikt in de landbouw als meststof en in veel industrieën, waar fosfor een waardevol additief is (bijv. verven, wasmiddelen, wasmiddelen, brandvertragers, diervoeders). Zuiveringsslib, verbrande as van zuiveringsslib (ISSA), mest en afvalwater van zuivelfabrieken zijn rijk aan fosfor, waardoor ze een bron van fosfor zijn voor de terugwinning van de eindige bron van fosfor en van milieuoverwegingen.
De fosforterugwinning uit de vloeibare afvalwaterstromen kan 40 tot 50% bedragen, terwijl de terugwinningspercentages uit zuiveringsslib en as van zuiveringsslib tot 90% kunnen oplopen. Fosfor kan in vele vormen worden neergeslagen, waaronder struviet (gewaardeerd als een hoogwaardige, langzaam vrijkomende meststof). Om de terugwinning van fosfor zuinig te maken, moet het terugwinningsproces worden verbeterd. Ultrasoon is een procesversterkende methode die het proces versnelt en de opbrengst van teruggewonnen mineralen verhoogt.
Ultrasone fosforterugwinning
Onder sonering kunnen waardevolle materialen zoals struviet (magnesiumammoniumfosfaat (MAP)), calciumfosfaat, hydroxyapatiet (HAP) / calciumhydroxyapatiet, octacalciumfosfaat, tricalciumfosfaat, dicalciumfosfaat en dicalciumfosfaatdihydraat uit afvalstromen worden teruggewonnen. De ultrasoonbehandeling verbetert de nat-chemische extractie, alsmede de neerslag en kristallisatie (sonokristallisatie) van waardevolle materialen uit zuiveringsslib en uit de as van verbrand slib.
Hoewel het gehalte aan fosfor (8-10%), ijzer (10-15%) en aluminium (5-10%) in as van monoverbrandingsslib vrij hoog is, bevat het ook giftige zware metalen zoals lood, cadmium, koper en zink.
Phopshorus herstel – Een proces in twee stappen
-
- zure extractie
De eerste stap van fosforterugwinning is de extractie of uitloging van fosfor uit zuiveringsslib of verbrande zuiveringsslibas (ISSA) met behulp van een zuur zoals zwavelzuur of zoutzuur. Ultrasoon mengen bevordert de nat-chemische uitloging door de massatransfer tussen het zuur en de ISSA te verhogen, zodat een volledige uitloging van fosfor snel wordt bereikt. Een voorbehandeling met ethyleendiaminetetraacetaatzuur (EDTA) kan worden gebruikt om de extractieprocedure te verbeteren.
-
- Neerslag van fosfor
Ultrasone kristallisatie verhoogt de neerslag van fosfaten aanzienlijk door de zaaipunten te verhogen en de adsorptie en aggregatie van moleculen te versnellen om een kristal te vormen. Ultrasone precipitatie van fosfor uit rioolslib en ISSA kan worden bereikt door bijvoorbeeld magnesiumhydroxide en ammoniumhydroxide te gebruiken. Het resulterende neerslag is struviet, een verbinding bestaande uit magnesium, ammonium, fosfor en zuurstof.
Sonokristallisatie van Struviet
Ultrasoon dispergeren bevordert de massatransfer tussen de fasen en initieert de nucleatie en kristalgroei voor fosfaten (bv. struviet / MAP).
Ultrasone inline precipitatie en kristallisatie van struviet maakt de behandeling van grote volumestromen op industriële schaal mogelijk. Het probleem van de verwerking van een grote rioolslibstroom kan worden opgelost door een continu ultrasoon proces, dat de kristallisatie van struviet versnelt en de kristalgrootte verbetert door kleinere, meer uniforme fosfaatdeeltjes te produceren. De grootteverdeling van neergeslagen deeltjes wordt bepaald door de nucleatiesnelheid en de daaropvolgende kristalgroei. Versnelde nucleatie en geremde groei zijn de belangrijkste factoren voor de precipitatie van kristallijne fosfaatdeeltjes, d.w.z. struviet, in een waterige oplossing. Ultrasoon is een procesversterkende methode die de menging verbetert om een homogene verdeling van reactieve ionen te verkrijgen.
Van ultrasone neerslag is bekend dat het een kleinere deeltjesgrootteverdeling, een kleinere kristalgrootte, een beheersbare morfologie en een snelle nucleatiesnelheid geeft.
Struvietkristallen neergeslagen uit het afvalwater van varkens (bron: Kim et al. 2017)
Goede neerslagresultaten kunnen worden bereikt met bijvoorbeeld PO3-4 : NH+4 : Mg2+ in een verhouding van 1 : 3 : 4. Het pH-bereik van 8 tot 10 leidt tot een maximale fosfaat P-vrijgave.
Ultrasoontechniek is een zeer efficiënte procesintensiveringstechniek om de neerslag van waardevolle materialen zoals calciumfosfaat, magnesiumammoniumfosfaat (MAP) en hydroxyapatiet (HAP), calciumhydroxyapatiet, octacalciumfosfaat, tricalciumfosfaat en dicalciumfosfaatdihydraat uit afvalwater te bevorderen. Riool-, mest- en zuiveleffluenten staan bekend als nutriëntenrijk afvalwater, dat geschikt is voor de productie van waardevolle materialen door middel van ultrasoon begeleide neerslag.
Struvietkristalvorming:
mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2de –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Krachtige ultrasone processoren van laboratorium tot piloot en industriële schaal.
Industriële ultrasone apparatuur voor uitloging en neerslag
Voor de behandeling van verbrande zuiveringsslibas (ISSA) en zuiveringsslib op industriële schaal zijn ultrasone systemen en reactoren met hoge prestaties nodig. Hielscher Ultrasonics is gespecialiseerd in het ontwerp en de productie van ultrasone apparatuur met hoog vermogen. – van lab en bench-top tot volledig industriële units. Hielscher ultrasoonapparaten zijn robuust en gebouwd voor de 24/7 werking onder volledige belasting in veeleisende omgevingen. Toebehoren zoals flowcelreactoren met verschillende geometrieën, sonotrodes (ultrasone sondes) en boosterhoorns maken een optimale aanpassing van het ultrasone systeem aan de procesvereisten mogelijk. Voor de verwerking van grote volumestromen biedt Hielscher 4kW, 10kW en 16kW ultrasone eenheden aan, die eenvoudig parallel aan ultrasone clusters kunnen worden gecombineerd.
Hielscher's geavanceerde ultrasoonapparatuur is voorzien van een digitaal touch display voor eenvoudige bediening en nauwkeurige controle van de procesparameters.
Gebruiksvriendelijkheid en een eenvoudige, veilige bediening zijn de belangrijkste kenmerken van de Hielscher ultrasoonapparaten. Met de afstandsbediening van de browser kan het ultrasone systeem via de PC, smartphone of tablet bediend en bediend worden.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10 l / min | UIP4000hdT |
| na | 10 tot 100 l / min | UIP16000 |
| na | grotere | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag ons!
Literatuur / Referenties
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Het effect van ultrageluid op kristallisatie- en neerslagprocessen: Enkele voorbeelden en een nieuw segregatiemodel. Karakterisering van deeltjes en deeltjessystemen, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), blz. 18-28.
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extractie van nutriënten uit melkwater in de vorm van MAP (magnesiumammoniumfosfaat) en HAP (hydroxyapatiet). 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): Effecten van pH, molaire verhoudingen en voorbehandeling op de fosforterugwinning door struvietkristallisatie van afvalwater van anaërobe vergisting van varkens door middel van struvietkristallisatie.. Milieutechnisch onderzoek 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Productie van langzaam vrijkomende kristalmeststof uit afvalwater door middel van struvietkristallisatie. Arabier. J. Chem. 7, 139–155.
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Hoe werkt ultrasone neerslag?
Ultrasoonisatie heeft invloed op de nucleatie en kristalgroei, een proces dat bekend staat als sonokristallisatie.
Ten eerste, de toepassing van ultrageluid maakt het mogelijk om de nucleatiesnelheid te beïnvloeden, waar zich vaste kristallen vormen uit een vloeibare oplossing. High-power ultrasond creëert cavitatie, dat is de groei en implosie van vacuümbellen in een vloeibaar medium. De implosie van de vacuümbellen brengt energie in het systeem en vermindert het kritische overschot aan vrije energie. Hierdoor worden de zaai- en nucleatiepunten in een hoog tempo en op het vroegst mogelijke moment geïnitieerd. Op het grensvlak tussen de cavitatiebel en de oplossing wordt de helft van een oplosmiddel opgelost door het oplosmiddel, terwijl de andere helft van het moleculoppervlak door de cavitatiebel wordt afgedekt, zodat het oplossend vermogen wordt verminderd. De her-oplossing van het opgeloste molecuul wordt voorkomen, terwijl de coagulatie van de moleculen in de oplossing wordt verhoogd.
Ten tweede bevordert sonisatie de kristalgroei. Ultrasoon mengen bevordert de groei van kristallen door het inbrengen van massa-overdracht en aggregatie van moleculen.
De resultaten van de sonificatie kunnen worden gecontroleerd door de sonische modus:
Continu Ultrasoonbehandeling:
Continue ultrasone behandeling van de oplossing levert veel nucleatieplaatsen op, zodat een groot aantal kleine kristallen ontstaan
Gepulseerde geluidssignaal:
De toepassing van gepulseerde/gecyclierde geluidssignalen maakt een nauwkeurige controle over de kristalgrootte mogelijk.
Sonicatie om de nucleatie te initiëren:
Wanneer pas bij het begin van het kristallisatieproces echografie wordt toegepast, wordt een eindig aantal kernen gevormd, die vervolgens tot een groter formaat worden uitgebreid.
Met behulp van ultrasone trillingen tijdens de kristallisatie kunnen de groeisnelheid, grootte en vorm van de kristalstructuren worden beïnvloed en gecontroleerd. De verschillende mogelijkheden van sonokristallisatie maken sonokristallisatieprocessen nauwkeurig beheersbaar en herhaalbaar.
ultrasone cavitatie
Wanneer hoge intensiteit echografieën een vloeibaar medium kruisen, wisselen hoge druk (compressie) en lage druk (rarefaction) golven elkaar af door de vloeistof. Wanneer de negatieve druk die veroorzaakt wordt door een ultrasone golf die een vloeistof kruist, groot genoeg is, overschrijdt de afstand tussen de moleculen van de vloeistof de minimale moleculaire afstand die nodig is om de vloeistof intact te houden, en dan breekt de vloeistof af zodat er vacuümbellen of holtes ontstaan. Deze vacuümbellen zijn ook bekend als cavitatie bubbels.
Cavitatiebellen die gebruikt worden voor ultrasone toepassingen zoals mengen, Dispergeren, frezen, extractie enz. komen voor bij een ultrasoongeluidintensiteit hoger dan 10 Wcm.2. De cavitatiebellen groeien over verschillende akoestische lagedruk-/hogedrukcycli tot ze een dimensie bereiken waarbij ze niet meer energie kunnen opnemen. Wanneer een cavitatiebel zijn maximale grootte heeft bereikt, implodeert hij heftig tijdens een compressiecyclus. De hevige instortingen van een kortstondige cavitatiebel creëren extreme omstandigheden zoals zeer hoge temperaturen en drukken, zeer hoge druk- en temperatuurverschillen en vloeistofjets. Deze krachten zijn de bron voor chemische en mechanische effecten die gebruikt worden in ultrasone toepassingen. Elke instortende luchtbel kan worden beschouwd als een microreactor waarin temperaturen van enkele duizenden graden en drukken hoger dan duizend atmosferen onmiddellijk worden gecreëerd [Suslick e.a. 1986].
Ultrasone extractie is gebaseerd op akoestische cavitatie en de hydrodynamische afschuifkrachten.
Fosfor
Fosfor is een essentiële, niet-regenereerbare hulpbron en deskundigen voorspellen nu al dat de wereld zal raken. “fosforpiek”Dat wil zeggen de tijd vanaf wanneer het aanbod niet meer aan de toegenomen vraag kan voldoen, in ongeveer 20 jaar. De Europese Commissie heeft fosfor al geclassificeerd als kritische grondstof.
Als meststof wordt vaak rioolslib gebruikt dat op de velden wordt gestrooid. Aangezien zuiveringsslib niet alleen waardevol fosfaat, maar ook schadelijke zware metalen en organische verontreinigingen bevat, beperken veel landen zoals Duitsland door middel van wetgeving de hoeveelheid zuiveringsslib die als meststof mag worden gebruikt. Veel landen, zoals Duitsland, hebben strenge bemestingsvoorschriften, die de verontreiniging met zware metalen strikt beperken. Aangezien fosfor een eindige hulpbron is, verplicht de Duitse rioolslibverordening vanaf 2017 de exploitanten van rioolwaterzuiveringsinstallaties om fosfaten te recycleren.
Fosfor kan worden teruggewonnen uit afvalwater, zuiveringsslib en uit de as van verbrand zuiveringsslib.
Fosfaat
Een fosfaat, een anorganische chemische stof, is een zout van fosforzuur. Anorganische fosfaten worden gewonnen om fosfor te verkrijgen voor gebruik in de landbouw en industrie. In de organische chemie is een fosfaat of organofosfaat een ester van fosforzuur.
Verwar de naam fosfor niet met het element fosfor (chemisch symbool P). Het zijn twee verschillende dingen. Fosfor is een multivalent niet-metaal van de stikstofgroep en wordt vaak aangetroffen in anorganische fosfaatertsen.
Organische fosfaten zijn belangrijk in de biochemie en biogeochemie.
Fosfaat is de naam van het ion PO43-. Fosforzuur daarentegen is de naam van het triprotinezuur H3PO3. Dit is een combinatie van 3 H+ ionen en een fosfiet (PO33-).
Fosfor is het chemische element dat het symbool P en atoomnummer 15 heeft. Fosforverbindingen worden ook op grote schaal gebruikt in explosieven, zenuwgas, zenuwgas, wrijvingsgelijken, vuurwerk, pesticiden, tandpasta en detergenten.
struviet
Struviet, ook wel magnesiumammoniumfosfaat (MAP) genoemd, is een fosfaatmineraal met de chemische formule NH4MgPO4· 6H2O. Struviet kristalliseert in het orthorhombisch systeem als witte tot geelachtige of bruinwitte piramidevormige kristallen of in platletachtige vormen. Omdat het een zacht mineraal is, heeft struviet een Mohs-hardheid van 1,5 tot 2 en een laag soortelijk gewicht van 1,7. Onder neutrale en alkalische omstandigheden is struviet nauwelijks oplosbaar, maar kan het gemakkelijk in zuur worden opgelost. Struviet kristallen vormen zich wanneer er een mol/mole/mole-verhouding (1:1:1) van magnesium, ammoniak en fosfaat in het afvalwater aanwezig is. Alle drie de elementen – magnesium, ammoniak en fosfaat – zijn normaal gesproken aanwezig in afvalwater: magnesium dat voornamelijk afkomstig is van de bodem, zeewater en drinkwater, ammoniak wordt afgebroken uit het ureum in afvalwater en fosfaat uit voedsel, zepen en detergenten in het afvalwater. Met deze drie elementen is de kans groter dat struviet zich vormt bij hogere pH-waarden, hogere geleidbaarheid, lagere temperaturen en hogere concentraties magnesium, ammoniak en fosfaat. De terugwinning van fosfor uit afvalwaterstromen als struviet en de recycling van deze nutriënten als meststof voor de landbouw is veelbelovend.
Struviet is een waardevolle, langzaam vrijkomende minerale meststof die in de landbouw wordt gebruikt en die het voordeel heeft dat hij korrelig, gemakkelijk te gebruiken en geurloos is.