Ultradźwiękowy odzysk fosforu z osadów ściekowych

Co warto wiedzieć

Jak działa strącanie ultradźwiękowe?

Sonikacja wpływa na zarodkowanie i wzrost kryształów, a proces ten jest określany jako sonokrystalizacja.
Po pierwsze, zastosowanie ultradźwięków pozwala wpływać na szybkość zarodkowania, podczas którego z ciekłego roztworu powstają kryształy stałe. Ultradźwięki dużej mocy wywołują kawitację, czyli wzrost i implozję pęcherzyków próżniowych w ciekłym ośrodku. Implozja pęcherzyków próżniowych wprowadza energię do układu i zmniejsza krytyczny nadmiar energii swobodnej. W ten sposób powstawanie miejsc zarodkowania i samo zarodkowanie są inicjowane z dużą szybkością i w najwcześniejszym momencie. Na granicy faz między pęcherzykiem kawitacyjnym a roztworem połowa cząsteczki substancji rozpuszczonej jest solwatowana przez rozpuszczalnik, podczas gdy druga połowa powierzchni cząsteczki jest pokryta pęcherzykiem kawitacyjnym, co zmniejsza szybkość solwatacji. Zapobiega się ponownemu rozpuszczaniu cząsteczki substancji rozpuszczonej, a koagulacja cząsteczek w roztworze ulega nasileniu.
Po drugie, sonikacja wspomaga wzrost kryształów. Mieszanie ultradźwiękowe wspomaga wzrost kryształów, zwiększając przenoszenie masy i agregację cząsteczek.
Wyniki uzyskiwane za pomocą sonikacji można kontrolować poprzez jej tryb:
Sonikacja ciągła:
Ciągła obróbka ultradźwiękowa roztworu wytwarza wiele miejsc zarodkowania, dzięki czemu powstaje duża liczba małych kryształów
Sonikacja impulsowa:
Zastosowanie sonikacji impulsowej / cyklicznej umożliwia precyzyjną kontrolę wielkości kryształów
Sonikacja w celu zainicjowania zarodkowania:
Gdy ultradźwięki są stosowane tylko na początku procesu krystalizacji, powstaje skończona liczba zarodków, które następnie rosną do większych rozmiarów.

Stosując sonikację podczas krystalizacji, można wpływać na szybkość wzrostu, wielkość i kształt struktur krystalicznych oraz je kontrolować. Różne warianty sonikacji zapewniają precyzyjną kontrolę i powtarzalność procesów sonokrystalizacji.

Kawitacja ultradźwiękowa

Gdy ultradźwięki o wysokiej intensywności przechodzą przez ciekły ośrodek, w cieczy występują naprzemiennie fale wysokiego ciśnienia (sprężania) i niskiego ciśnienia (rozrzedzania). Gdy podciśnienie wywołane przez falę ultradźwiękową przechodzącą przez ciecz jest wystarczająco duże, odległość między cząsteczkami cieczy przekracza minimalną odległość międzycząsteczkową wymaganą do zachowania ciągłości cieczy, a następnie ciągłość cieczy zostaje przerwana, wskutek czego powstają pęcherzyki próżniowe lub pustki. Te pęcherzyki próżniowe są również nazywane pęcherzykami kawitacyjnymi .
Pęcherzyki kawitacyjne wykorzystywane w zastosowaniach ultradźwięków dużej mocy, takich jak mieszanie, dyspergowanie, mielenie, ekstrakcja itp., powstają przy intensywności ultradźwięków wyższej niż 10 Wcm². Pęcherzyki kawitacyjne rosną przez kilka akustycznych cykli niskiego / wysokiego ciśnienia, aż osiągną rozmiar, przy którym nie mogą pochłaniać więcej energii. Gdy pęcherzyk kawitacyjny osiągnie maksymalny rozmiar, gwałtownie imploduje podczas cyklu sprężania. Gwałtowne zapadanie się przejściowego pęcherzyka kawitacyjnego tworzy ekstremalne warunki, takie jak bardzo wysokie temperatury i ciśnienia, bardzo duże różnice ciśnienia i temperatury oraz strugi cieczy. Siły te są źródłem efektów chemicznych i mechanicznych wykorzystywanych w zastosowaniach ultradźwiękowych. Każdy zapadający się pęcherzyk można uznać za mikroreaktor, w którym natychmiast powstają temperatury rzędu kilku tysięcy stopni i ciśnienia wyższe niż tysiąc atmosfer [Suslick et al 1986].

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i wywoływanych przez nią hydrodynamicznych siłach ścinania

Fosfor

Fosfor jest niezbędnym, nieodnawialnym zasobem, a eksperci już przewidują, że za około 20 lat świat osiągnie „szczyt fosforowy”, tj. moment, od którego podaż nie będzie już w stanie zaspokoić zwiększonego zapotrzebowania. Komisja Europejska już sklasyfikowała fosfor jako surowiec krytyczny.
Osady ściekowe są często stosowane jako nawóz rozprowadzany na polach. Ponieważ jednak osady ściekowe zawierają nie tylko cenne fosforany, lecz także szkodliwe metale ciężkie i zanieczyszczenia organiczne, wiele krajów, takich jak Niemcy, prawnie ogranicza ilość osadów ściekowych, które można wykorzystać jako nawóz. Wiele krajów, takich jak Niemcy, ma rygorystyczne przepisy dotyczące nawozów, które ściśle ograniczają zanieczyszczenie metalami ciężkimi. Ponieważ fosfor jest zasobem ograniczonym, niemieckie rozporządzenie dotyczące osadów ściekowych z 2017 wymaga od operatorów oczyszczalni ścieków recyklingu fosforanów.
Fosfor można odzyskiwać ze ścieków, osadów ściekowych, a także z popiołu ze spalonych osadów ściekowych.

Fosforan

Fosforan, nieorganiczna substancja chemiczna, jest solą kwasu fosforowego. Fosforany nieorganiczne wydobywa się w celu uzyskania fosforu do zastosowań w rolnictwie i przemyśle. W chemii organicznej fosforan, czyli fosforan organiczny, jest estrem kwasu fosforowego.
Nie należy mylić nazwy „phosphorous” z pierwiastkiem „phosphorus” (fosforem, o symbolu chemicznym P). Są to dwie różne rzeczy. Fosfor, wielowartościowy niemetal z grupy azotowców, powszechnie występuje w nieorganicznych skałach fosforanowych.
Fosforany organiczne odgrywają ważną rolę w biochemii i biogeochemii.
Fosforan to nazwa jonu PO₄^3-. Natomiast kwas fosforawy to nazwa kwasu trójprotonowego H3PO3. Jest to połączenie 3 jonów H⁺ i jednego jonu fosforynowego (PO₃^3-).
Fosfor jest pierwiastkiem chemicznym o symbolu P i liczbie atomowej 15. Związki fosforu są również szeroko stosowane w materiałach wybuchowych, bojowych środkach paralityczno-drgawkowych, zapałkach zapalanych przez potarcie, fajerwerkach, pestycydach, pastach do zębów i detergentach.

Struwit

Struwit, określany również jako fosforan magnezowo-amonowy (MAP), jest minerałem fosforanowym o wzorze chemicznym NH₄MgPO₄·6H₂O. Struwit krystalizuje w układzie rombowym w postaci piramidalnych kryształów o barwie od białej do żółtawej lub brunatnobiałej albo w postaciach płytkowych. Jako miękki minerał struwit ma twardość w skali Mohsa od 1,5 do 2 i niską gęstość względną wynoszącą 1,7. W warunkach obojętnych i zasadowych struwit jest trudno rozpuszczalny, ale łatwo rozpuszcza się w kwasie. Kryształy struwitu powstają, gdy stosunek molowy magnezu, amoniaku i fosforanu w ściekach wynosi 1:1:1. Wszystkie trzy pierwiastki – magnez, amoniak i fosforan – są zwykle obecne w ściekach: magnez pochodzi głównie z gleby, wody morskiej i wody pitnej, amoniak powstaje w wyniku rozkładu mocznika w ściekach, a fosforan trafia do ścieków z żywności, mydeł i detergentów. Przy obecności tych trzech pierwiastków struwit tworzy się z większym prawdopodobieństwem przy wyższych wartościach pH, wyższej przewodności, niższych temperaturach oraz wyższych stężeniach magnezu, amoniaku i fosforanu. Odzysk fosforu ze strumieni ścieków w postaci struwitu i ponowne wykorzystanie tych składników odżywczych jako nawozu w rolnictwie są obiecujące.
Struwit jest cennym nawozem mineralnym o powolnym uwalnianiu składników, stosowanym w rolnictwie, którego zaletami są ziarnista postać, łatwość stosowania i brak zapachu.