Ultrasoon fosforherstel uit zuiveringsslib
- De wereldwijde vraag naar fosfor neemt toe, terwijl het aanbod van natuurlijke fosforbronnen schaars wordt.
- Zuiveringsslib en zuiveringsslibas zijn rijk aan fosfor en kunnen daarom worden gebruikt als bron om fosfor terug te winnen.
- De ultrasone nat-chemische verwerking en precipitatie verbetert de terugwinning van fosfaat uit zuiveringsslib en uit de as van verbrand slib en maakt de terugwinning aanzienlijk economischer.
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. verf, wasmiddelen, vlamvertragers, diervoeder). Zuiveringsslib, verbrande zuiveringsslibas (ISSA), mest en afvalwater van zuivelbedrijven zijn rijk aan fosfor, waardoor ze een bron zijn voor de terugwinning van fosfor met het oog op de eindigheid van fosfor en de bezorgdheid over het milieu.
Het terugwinnen van fosfor uit de vloeibare afvalwaterstromen kan 40 tot 50% bedragen, terwijl het terugwinnen van fosfor uit zuiveringsslib en zuiveringsslibas kan oplopen tot 90%. Fosfor kan in vele vormen worden neergeslagen, waaronder struviet (gewaardeerd als een hoogwaardige, langzaam vrijkomende meststof). Om de terugwinning van fosfor rendabel te maken, moet het terugwinningsproces worden verbeterd. Ultrasoon is een procesintensiverende methode die het proces versnelt en de opbrengst van teruggewonnen mineralen verhoogt.
Ultrasoon fosforherstel
Onder ultrasone behandeling kunnen waardevolle materialen zoals struviet (magnesiumammoniumfosfaat (MAP)), calciumfosfaat, hydroxyapatiet (HAP) / calciumhydroxyapatiet, octacalciumfosfaat, tricalciumfosfaat en dicalciumfosfaatdihydraat worden teruggewonnen uit afvalstromen. De ultrasone behandeling verbetert zowel de nat-chemische extractie als de precipitatie en kristallisatie (sonokristallisatie) van waardevolle materialen uit rioolslib en uit de as van verbrand slib.
Hoewel het gehalte aan fosfor (8-10%), ijzer (10-15%) en aluminium (5-10%) in as van monoverbrand zuiveringsslib vrij hoog is, bevat het ook giftige zware metalen zoals lood, cadmium, koper en zink.
Herstel Phopshorus – Een proces in twee stappen
-
- zuurextractie
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 natchemische uitloging door de massaoverdracht tussen het zuur en de ISSA te vergroten, zodat er snel een volledige uitloging van fosfor wordt bereikt. Een voorbehandelingsstap met ethyleendiaminetetraacetaatzuur (EDTA) kan worden gebruikt om de extractieprocedure te verbeteren.
-
- Neerslag van fosfor
Ultrasone kristallisatie verbetert de precipitatie van fosfaten aanzienlijk door de seeding points 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 bijvoorbeeld worden bereikt door 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 massaoverdracht tussen fasen en initieert de nucleatie en kristalgroei voor fosfaten (bijv. 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, waardoor kleinere, meer uniforme fosfaatdeeltjes worden geproduceerd. De grootteverdeling van neergeslagen deeltjes wordt bepaald door de nucleatiesnelheid en de daaropvolgende kristalgroeisnelheid. Versnelde nucleatie en geremde groei zijn de belangrijkste factoren voor het neerslaan van kristallijne fosfaatdeeltjes, d.w.z. struviet, in een waterige oplossing. Ultrasoonbehandeling is een procesversterkende methode die het mengen verbetert om een homogene verdeling van reactieve ionen te verkrijgen.
Ultrasone precipitatie staat bekend om de kleinere deeltjesgrootteverdeling, kleinere kristalgrootte, controleerbare morfologie en snelle nucleatiesnelheid.
Goede neerslagresultaten kunnen bijvoorbeeld worden bereikt met PO3-4 : NH+4 : Mg2+ in een verhouding van 1 : 3 : 4. Het pH-bereik van 8 tot 10 leidt tot maximale afgifte van fosfaat-P
Ultrasoonbehandeling is een zeer efficiënte procesintensiveringstechniek om het neerslaan van waardevolle materialen zoals calciumfosfaat, magnesiumammoniumfosfaat (MAP) en hydroxyapatiet (HAP), calciumhydroxyapatiet, octacalciumfosfaat, tricalciumfosfaat en dicalciumfosfaatdihydraat uit afvalwater te bevorderen. Zuiveringsslib, mest en afvalwater van zuivelbedrijven staan bekend als nutriëntenrijk afvalwater, dat geschikt is voor de productie van waardevolle materialen via ultrasoon geassisteerde precipitatie.
Struviet kristalvorming:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Industriële Ultrasone Apparatuur voor Uitlogen en Precipitatie
Ultrasone systemen en reactoren met hoge prestaties zijn nodig om verbrande rioolslibas (ISSA) en rioolslib op industriële schaal te behandelen. Hielscher Ultrasonics is gespecialiseerd in het ontwerp en de productie van ultrasone apparatuur met een hoog vermogen. – Van laboratorium- en tafelmodellen tot volledig industriële eenheden. Hielscher ultrasoontoestellen zijn robuust en gebouwd voor een 24/7 werking onder volle belasting in veeleisende omgevingen. Accessoires zoals flowcelreactoren met verschillende geometrieën, sonotrodes (ultrasone sondes) en boosterhoorns maken een optimale aanpassing van het ultrasone systeem aan de procesvereisten mogelijk. Om grote volumestromen te verwerken, biedt Hielscher ultrasone eenheden van 4kW, 10kW en 16kW, die eenvoudig parallel kunnen worden gecombineerd tot ultrasone clusters.
De geavanceerde ultrasoonapparaten van Hielscher zijn voorzien van een digitaal aanraakscherm voor eenvoudige bediening en nauwkeurige controle van de procesparameters.
Gebruiksvriendelijkheid en een eenvoudige, veilige bediening zijn de belangrijkste kenmerken van Hielscher ultrasone apparaten. Met de browserbediening op afstand kan het ultrasone systeem worden bediend en bestuurd via pc, smartphone of tablet.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
---|---|---|
10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Literatuur/referenties
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): The effect of ultrasound on crystallisation-precipitation processes: Enkele voorbeelden en een nieuw segregatiemodel. Karakterisering van deeltjes en deeltjessystemen, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28.
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extraction of Nutrients from Dairy Wastewater in the Form of MAP (Magnesium Ammonium Phosphate) and HAP (Hydroxyapatite). 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 fosforterugwinning door struvietkristallisatie uit effluent van anaeroob vergist varkensafvalwater. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Productie van langzaam vrijkomende kristalmeststof uit afvalwater door struvietkristallisatie. Arab. J. Chem. 7, 139-155.
Wetenswaardigheden
Hoe werkt ultrasone neerslag?
Ultrasoon beïnvloeden nucleatie en kristalgroei, een proces dat bekend staat als sonokristallisatie.
Ten eerste maakt de toepassing van ultrageluid het mogelijk om de nucleatiesnelheid te beïnvloeden, waarbij vaste kristallen worden gevormd uit een vloeibare oplossing. Ultrageluid met een hoog vermogen creëert cavitatie, wat de groei en implosie van vacuümbellen in een vloeibaar medium is. De implosie van de vacuümbellen introduceert energie in het systeem en verlaagt de kritische overtollige vrije energie. Hierdoor worden in een hoog tempo en op het vroegst mogelijke tijdstip seeding points en nucleatie geïnitieerd. Op het grensvlak tussen de cavitatiebel en de oplossing wordt de helft van een molecuul opgelost door het oplosmiddel, terwijl de andere helft van het molecuuloppervlak wordt bedekt door de cavitatiebel, zodat de oplossnelheid afneemt. Het opnieuw oplossen van de opgeloste molecule wordt voorkomen, terwijl de coagulatie van moleculen in de oplossing toeneemt.
Ten tweede bevordert sonicatie de kristalgroei. Ultrasoon mengen bevordert de groei van kristallen door de massaoverdracht en aggregatie van moleculen te stimuleren.
De resultaten die worden bereikt door sonicatie kunnen worden geregeld door de sonicatiemodus:
Continue Sonicatie:
Voortdurende ultrasone behandeling van de oplossing produceert veel kernen, zodat een groot aantal kleine kristallen ontstaat.
Gepulseerde Sonicatie:
De toepassing van gepulseerde/gecyclede sonicatie maakt een nauwkeurige regeling van de kristalgrootte mogelijk.
Sonificatie om nucleatie te initiëren:
Wanneer ultrageluid alleen wordt toegepast tijdens het begin van het kristallisatieproces, wordt er een eindig aantal kernen gevormd, die vervolgens groter worden.
Met behulp van ultrasone trillingen tijdens kristallisatie kunnen de groeisnelheid, grootte en vorm van de kristalstructuren worden beïnvloed en geregeld. De verschillende opties van sonicatie maken sono-kristallisatieprocessen nauwkeurig controleerbaar en herhaalbaar.
ultrasone cavitatie
Wanneer ultrasoon geluid met hoge intensiteit een vloeibaar medium doorkruist, gaan er afwisselend golven met hoge druk (compressie) en lage druk (rarefactie) door de vloeistof. Wanneer de negatieve druk die wordt veroorzaakt door een ultrasone golf die een vloeistof doorkruist 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. Deze vacuümbellen staan ook bekend als cavitatie bellen.
Cavitatiebellen gebruikt voor krachtige ultrasone toepassingen zoals mengen, Verspreiden, frezen, Extractie enz. optreden bij ultrageluidintensiteiten hoger dan 10 Wcm2. De cavitatiebellen groeien gedurende verschillende akoestische lagedruk / hogedruk cycli totdat ze een afmeting bereiken waarbij ze niet meer energie kunnen absorberen. Wanneer een cavitatiebel zijn maximale grootte heeft bereikt, implodeert hij heftig tijdens een compressiecyclus. Het gewelddadig imploderen van een voorbijgaande cavitatiebel creëert extreme omstandigheden zoals zeer hoge temperaturen en drukken, zeer hoge druk- en temperatuurverschillen en vloeistofstralen. Deze krachten vormen de bron voor chemische en mechanische effecten die in ultrasone toepassingen worden gebruikt. Elke instortende bel kan worden beschouwd als een microreactor waarin onmiddellijk temperaturen van enkele duizenden graden en drukken van meer dan duizend atmosfeer worden gecreëerd [Suslick et al 1986].

Ultrasone extractie is gebaseerd op akoestische cavitatie en de bijbehorende hydrodynamische schuifkrachten
Fosfor
Fosfor is een essentiële, niet-regenereerbare hulpbron en deskundigen voorspellen nu al dat de wereld zal raken “fosfor piek”d.w.z. het moment vanaf wanneer het aanbod niet meer kan voldoen aan de toegenomen vraag, over ongeveer 20 jaar. De Europese Commissie heeft fosfor al geclassificeerd als kritieke grondstof.
Zuiveringsslib wordt vaak gebruikt als meststof op akkers. Omdat zuiveringsslib echter niet alleen waardevol fosfaat bevat, maar ook schadelijke zware metalen en organische verontreinigende stoffen, leggen veel landen, zoals Duitsland, wettelijk beperkingen op aan de hoeveelheid zuiveringsslib die als meststof mag worden gebruikt. Veel landen, zoals Duitsland, hebben strenge regels voor meststoffen, die de verontreiniging met zware metalen strikt beperken. Omdat fosfor een eindige grondstof is, verplicht de Duitse zuiveringsslibverordening van 2017 exploitanten van rioolwaterzuiveringsinstallaties om fosfaten te recyclen.
Fosfor kan worden teruggewonnen uit afvalwater, rioolslib en uit de as van verbrand rioolslib.
fosfaat
Een fosfaat, een anorganische chemische stof, is een zout van fosforzuur. Anorganische fosfaten worden gedolven 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 gevonden in anorganisch fosfaatgesteente.
Organische fosfaten zijn belangrijk in de biochemie en biogeochemie.
Fosfaat is de naam van het ion PO43-. Fosforzuur daarentegen is de naam van het drieprotonzuur H3PO3. Dit is een combinatie van 3 H+ ionen en één fosfiet (PO33-) ion.
Fosfor is een chemisch element dat het symbool P en atoomnummer 15 heeft. Fosforverbindingen worden ook veel gebruikt in explosieven, zenuwgas, lucifers, vuurwerk, pesticiden, tandpasta en wasmiddelen.
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 bruinachtig-witte piramidale kristallen of in plaatachtige 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 basische omstandigheden is struviet nauwelijks oplosbaar, maar het kan gemakkelijk opgelost worden in zuur. Struvietkristallen worden gevormd wanneer er een verhouding (1:1:1) is van magnesium, ammoniak en fosfaat in afvalwater. Alle drie de elementen – magnesium, ammoniak en fosfaat – zijn normaal aanwezig in afvalwater: magnesium komt voornamelijk uit de bodem, zeewater en drinkwater, ammoniak wordt afgebroken uit het ureum in afvalwater en fosfaat komt uit voedsel, zeep en detergenten in het afvalwater. Als deze drie elementen aanwezig zijn, zal struviet zich eerder vormen bij hogere pH-waarden, hogere geleidbaarheid, lagere temperaturen en hogere concentraties magnesium, ammoniak en fosfaat. Het terugwinnen van fosfor uit afvalwaterstromen als struviet en het recyclen van deze voedingsstoffen als meststof voor de landbouw is veelbelovend.
Struviet is een waardevolle minerale meststof die langzaam vrijkomt en wordt gebruikt in de landbouw. Het heeft het voordeel dat het korrelvormig, gemakkelijk te gebruiken en geurvrij is.