Technologia ultradźwiękowa firmy Hielscher

Odzyskiwanie fosforu ultradźwiękowego z osadów ściekowych

  • Światowe zapotrzebowanie na fosfor rośnie, podczas gdy podaż naturalnych zasobów fosforu jest coraz mniejsza.
  • Osady ściekowe i popioły z osadów ściekowych są bogate w fosfor i dlatego mogą być wykorzystywane jako źródło do odzyskiwania fosforu.
  • Ultradźwiękowa obróbka mokro-chemiczna i wytrącanie poprawia odzyskiwanie fosforanu z osadów ściekowych, jak również z popiołu ze spalonego osadu i czyni odzyskiwanie znacznie bardziej ekonomicznym.

Fosfor

Osady ściekowe są bogate w fosfor. Ekstrakcja ultradźwiękowa i wytrącanie intensyfikuje proces odzyskiwania fosforu.Fosfor (fosfor, P) jest zasobem nieodnawialnym, który jest silnie wykorzystywany w rolnictwie jako nawóz, a także w wielu branżach, w których fosfor jest cennym dodatkiem (np. farby, detergenty do prania, środki zmniejszające palność, pasza dla zwierząt). Osady ściekowe, spalony popiół z osadów ściekowych (ISSA), obornik i ścieki mleczne są bogate w fosfor, co czyni je źródłem odzyskiwania fosforu w odniesieniu do ograniczonego zasobu fosforu, jak również problemów środowiskowych.
Wskaźniki odzysku fosforu ze strumieni ścieków płynnych mogą sięgać od 40 do 50%, podczas gdy wskaźniki odzysku osadów ściekowych i popiołów z osadów ściekowych mogą sięgać nawet 90%. Fosfor może być wytrącany w wielu formach, z których jedna jest struwitem (cenionym jako wysokiej jakości, wolno uwalniający się nawóz). W celu uczynienia rekultywacji fosforu ekonomicznym, należy usprawnić proces odzysku. Ultrasonizacja jest metodą intensyfikującą proces, która przyspiesza proces i zwiększa wydajność odzyskiwanych minerałów.

Odzyskiwanie fosforu metodą ultradźwiękową

Sonizacja intensyfikuje proces mokro-chemiczny i opady atmosferyczne podczas odzyskiwania fosforu z osadów ściekowych.W procesie sonizacji z odpadów można odzyskiwać wartościowe materiały, takie jak struwit (fosforan amonowo-magnezowy (MAP), fosforan wapnia, hydroksyapatyt (HAP) / hydroksyapatyt wapnia, fosforan oktakalcium, fosforan trójwapniowy i dwuwodny fosforan dwuwapniowy. Uzdatnianie ultradźwiękowe poprawia ekstrakcję mokro-chemiczną oraz precypitację i krystalizację (sonokrystalizację) cennych materiałów z osadów ściekowych i popiołu ze spalonego osadu.
Podczas gdy zawartość fosforu (8-10%), żelaza (10-15%) i glinu (5-10%) w popiele ze spalania osadów ściekowych jest dość wysoka, zawiera ona również toksyczne metale ciężkie, takie jak ołów, kadm, miedź i cynk.

Komora fermentacji beztlenowej biogazu

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Odzyskiwanie fosforu – Proces dwuetapowy

  1. ekstrakcja kwasowa
  2. Pierwszym etapem odzyskiwania fosforu jest ekstrakcja lub ługowanie fosforu z osadów ściekowych lub spalonych osadów ściekowych (ISSA) przy użyciu kwasu takiego jak kwas siarkowy lub kwas solny. Mieszanie ultradźwiękowe wspomaga wymywanie na mokro-chemiczne poprzez zwiększenie transferu masy pomiędzy kwasem a ISSA, dzięki czemu szybko uzyskuje się całkowite wymywanie fosforu. Etap obróbki wstępnej z zastosowaniem kwasu etylenodiaminotetraoctowego (EDTA) może być stosowany w celu usprawnienia procedury ekstrakcji.

  3. Wytrącanie fosforu
  4. Krystalizacja ultradźwiękowa znacznie zwiększa wytrącanie fosforanów poprzez zwiększenie punktów wysiewu oraz przyspieszenie adsorpcji i agregacji cząsteczek w celu utworzenia kryształu. Ultradźwiękowe wytrącanie fosforu ze śluzy kanalizacyjnej i ISSA można uzyskać np. stosując wodorotlenek magnezu i wodorotlenek amonu. Powstały osad to struwit, związek składający się z magnezu, amonu, fosforu i tlenu.

Sonokrystalizacja strukturywitu

Dyspersja ultradźwiękowa sprzyja przenoszeniu masy pomiędzy fazami i inicjuje zarodkowanie i krystaliczny wzrost fosforanów (np. struwit / MAP).
Ultradźwiękowe wytrącanie inline i krystalizacja struwitu pozwala na obróbkę dużych objętości taśm na skalę przemysłową. Kwestia przetwarzania dużego strumienia osadów ściekowych może być rozwiązana przez ciągły proces ultradźwiękowy, który przyspiesza krystalizację struwitu i poprawia rozmiar kryształu produkując mniejsze, bardziej jednolite cząstki fosforanu. Rozkład wielkości wytrąconych cząstek jest określany w zależności od szybkości zarodkowania i późniejszego tempa wzrostu kryształu. Przyspieszona zarodkowanie i zahamowany wzrost są kluczowymi czynnikami dla wytrącania cząsteczek fosforanu krystalicznego, tj. struwitu, w roztworze wodnym. Ultrasonizacja jest metodą intensyfikacji procesu, która poprawia mieszanie w celu uzyskania jednorodnego rozkładu jonów reaktywnych.
Opady ultradźwiękowe dają węższy rozkład wielkości cząstek, mniejszy rozmiar kryształu, kontrolowaną morfologię oraz szybkie tempo nukleacji.

Kryształy struwitu mogą być wytrącane z osadów ściekowych. Udźwiękowienie usprawnia proces odzyskiwania danych.

Kryształy struwitu wytrącone ze ścieków świńskich (źródło: Kim et al. 2017)

Dobre wyniki w zakresie opadów atmosferycznych można osiągnąć na przykład za pomocą PO3-4 : NH+4 : Mg2+ w stosunku 1 : 3 : 4. Zakres pH od 8 do 10 prowadzi do maksymalnego uwalniania fosforanu P

Ultrasonizacja jest wysoce wydajną techniką intensyfikacji procesu, której celem jest wspomaganie wytrącania cennych materiałów, takich jak fosforan wapnia, fosforan amonowo-magnezowy (MAP) i hydroksyapatytowy (HAP), hydroksyapatyt wapnia, fosforan oktakwapniowy, fosforan trójwapniowy i dwuwodny fosforan dwuwapniowy ze ścieków. Osady ściekowe, obornik i ścieki mleczne znane są jako bogate w składniki odżywcze ścieki, które nadają się do produkcji cennych materiałów za pomocą opadów ultradźwiękowych.

Tworzenie kryształu strukturalnego:
mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne ultradźwięki do zastosowań sonochemicznych.

Wysokowydajne procesory ultradźwiękowe od laboratorium do skali pilotażowej i przemysłowej.

Przemysłowe urządzenia ultradźwiękowe do odcieku i opadów atmosferycznych

Komora przepływowa UIP4000hdT do sonizacji inline na skalę przemysłowąWysokowydajne systemy ultradźwiękowe i reaktory są niezbędne do oczyszczania spalonych osadów ściekowych (ISSA) i osadów ściekowych na skalę przemysłową. Hielscher Ultrasonics specjalizuje się w projektowaniu i produkcji urządzeń ultradźwiękowych o dużej mocy. – od laboratoriów i ławek po jednostki przemysłowe. Ultradźwięki firmy Hielscher są wytrzymałe i przystosowane do pracy w trybie 24/7 pod pełnym obciążeniem w wymagających środowiskach. Akcesoria takie jak reaktory przepływowe z różnymi geometriami, sonotrody (sondy ultradźwiękowe) i rogi wspomagające pozwalają na optymalne dostosowanie systemu ultradźwiękowego do wymagań procesu. W celu przetwarzania dużych strumieni objętościowych firma Hielscher oferuje urządzenia ultradźwiękowe o mocy 4kW, 10kW i 16kW, które można łatwo łączyć równolegle z klastrami ultradźwiękowymi.
Wyrafinowane ultradźwięki firmy Hielscher wyposażone są w cyfrowy wyświetlacz dotykowy ułatwiający obsługę i precyzyjną kontrolę parametrów procesu.
Przyjazność dla użytkownika oraz łatwa i bezpieczna obsługa to kluczowe cechy ultradźwiękowych urządzeń firmy Hielscher. Zdalne sterowanie przeglądarką umożliwia obsługę i sterowanie systemem ultradźwiękowym za pomocą komputera, smartfona lub tabletu.
Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
10 do 2000mL 20-400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000hdT
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Skorzystaj z formularza poniżej, jeśli chcesz zażądać dodatkowych informacji na temat ultradźwiękowej homogenizacji. Chętnie zaoferujemy Państwu system ultradźwiękowy, spełniający Państwa wymagań.









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Literatura / Referencje

  • Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Wpływ ultradźwięków na procesy krystalizacji irecipitacji: Kilka przykładów i nowy model segregacji. Charakterystyka układów cząstek stałych i cząstek stałych, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s. 18-28.
  • Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Ekstrakcja składników pokarmowych ze ścieków mlecznych w postaci MAP (fosforan magnezu i amonu) i HAP (hydroksyapatyt). 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): Wpływ pH, stosunku molowego i wstępnego oczyszczania na odzysk fosforu poprzez krystalizację struwitu z beztlenowo trawionych ścieków świńskich.. Badania inżynieryjne środowiska naturalnego 22(1), 2017. 12-18.
  • Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Produkcja wolno uwalnianego nawozu krystalicznego z ścieków poprzez krystalizację struwitu. Arabski. J. Chem. 7, 139–155.


Fakty Warto wiedzieć

Jak działa opad ultradźwiękowy?

Ultrasonizacja wpływa na zarodkowanie i wzrost kryształów, proces znany jako sonokrystalizacja.
Po pierwsze, zastosowanie ultradźwięków pozwala wpływać na szybkość nukleacji, w której powstają stałe kryształy z płynnego roztworu. Ultradźwięk o dużej mocy tworzy kawitację, czyli wzrost i implozję pęcherzyków próżniowych w medium płynnym. Implozja pęcherzyków próżni wprowadza energię do systemu i redukuje krytyczny nadmiar darmowej energii. W ten sposób punkty wysiewu i zarodkowanie są inicjowane z dużą szybkością i w najwcześniejszym czasie. Na styku bańki kawitacyjnej i roztworu, połowa cząsteczki rozpuszczalnej jest rozpuszczana przez rozpuszczalnik, podczas gdy druga połowa powierzchni cząsteczki jest pokryta bańką kawitacyjną, tak że szybkość rozpuszczania jest zmniejszona. Zapobiega się ponownemu rozpuszczeniu cząsteczki solutu, a koagulacja cząsteczek w roztworze jest zwiększona.
Po drugie, sonizacja sprzyja wzrostowi kryształów. Mieszanie ultradźwiękowe wspomaga wzrost kryształów poprzez zwiększanie transferu masy i agregację cząsteczek.
Wyniki uzyskane dzięki sonizacji mogą być kontrolowane przez tryb sonikowania:
Ciągłe Sonikacja:
Ciągła obróbka ultradźwiękowa roztworu wytwarza wiele miejsc zarodkowania, dzięki czemu powstaje duża liczba małych kryształów.
Sonizacja pulsacyjna:
Zastosowanie sonikowania impulsowego/cyklicznego pozwala na precyzyjne sterowanie wielkością kryształu.
Sonizacja do zainicjowania zarodkowania:
Kiedy ultradźwięki są stosowane tylko na początku procesu krystalizacji, powstaje skończona liczba jąder, które następnie są uprawiane do większego rozmiaru.

Korzystanie z ultradźwięków podczas krystalizacji, szybkość wzrostu, wielkość i kształt struktur krystalicznych mogą być kształtowane i kontrolowane. Różne opcje sonikowania sprawiają, że procesy sonokrystalizacji są precyzyjnie kontrolowane i powtarzalne.

Kawitacja ultradźwiękowa

Kiedy ultradźwięki o wysokiej intensywności przecinają płynne medium, fale wysokociśnieniowe (kompresja) i niskociśnieniowe (rzadka czynność) przechodzą naprzemiennie przez ciecz. Gdy podciśnienie wywołane przez falę ultradźwiękową przechodzącą przez ciecz jest wystarczająco duże, odległość pomiędzy cząsteczkami cieczy przekracza minimalną odległość cząsteczkową wymaganą do utrzymania cieczy w stanie nienaruszonym, a następnie ciecz rozpada się tak, że powstają pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Te bąbelki próżniowe znane są również jako kawitacja pęcherzyki powietrza.
Pęcherzyki kawitacyjne używane do zastosowań ultradźwiękowych, takich jak mieszanie, Dyspersacja, Przemiał, ekstracji itp. występują w warunkach intensywności ultradźwięków wyższych niż 10 Wcm.2. Pęcherzyki kawitacyjne rosną w kilku nisko- i wysokociśnieniowych cyklach akustycznych, aż osiągną wymiar, w którym nie są w stanie wchłonąć większej ilości energii. Kiedy bańka kawitacyjna osiągnie swój maksymalny rozmiar, imploduje gwałtownie podczas cyklu kompresji. Gwałtowne zawalenie się przejściowej bańki kawitacyjnej tworzy ekstremalne warunki, takie jak bardzo wysokie temperatury i ciśnienia, bardzo wysokie różnice ciśnień i temperatur oraz strumienie cieczy. Siły te są źródłem efektów chemicznych i mechanicznych stosowanych w aplikacjach ultradźwiękowych. Każda zawalająca się bańka może być uważana za mikroreaktor, w którym temperatury kilku tysięcy stopni i ciśnienia wyższe niż tysiąc atmosfer są tworzone natychmiast [Suslick et al 1986].

Kawitacja ultradźwiękowa/akustyczna tworzy wysoce intensywne siły, które otwierają ściany komórkowe zwane lizą (kliknij, aby powiększyć!).

Ekstrakcja ultradźwiękowa opiera się na kawitacji akustycznej i jej hydrodynamicznych siłach ścinających.

Fosfor

Fosfor jest podstawowym, nieodnawialnym zasobem, a eksperci już teraz przewidują, że świat uderzy w niego. “szczyt fosforu”tj. okres, od którego podaż nie jest w stanie zaspokoić zwiększonego popytu, za około 20 lat. Komisja Europejska zaklasyfikowała już fosfor jako surowiec krytyczny.
Osady ściekowe są często wykorzystywane jako nawóz rozrzucany na polach. Ponieważ jednak osady ściekowe zawierają nie tylko cenny fosforan, ale także szkodliwe metale ciężkie i zanieczyszczenia organiczne, wiele krajów, takich jak Niemcy, na mocy przepisów prawnych ogranicza ilość osadów ściekowych, które mogą być wykorzystywane jako nawóz. W wielu krajach, takich jak Niemcy, obowiązują rygorystyczne przepisy dotyczące nawozów, które ściśle ograniczają zanieczyszczenie metalami ciężkimi. Ponieważ fosfor jest zasobem ograniczonym, niemieckie rozporządzenie w sprawie osadów ściekowych z 2017 r. nakłada na operatorów oczyszczalni obowiązek recyklingu fosforanów.
Fosfor może być odzyskiwany ze ścieków, osadów ściekowych, a także z popiołu ze spalonych osadów ściekowych.

Fosforan

Fosforan, substancja chemiczna nieorganiczna, jest solą kwasu fosforowego. Fosforany nieorganiczne są wydobywane w celu uzyskania fosforu do wykorzystania w rolnictwie i przemyśle. W chemii organicznej fosforan lub organofosforan jest estrem kwasu fosforowego.
Nie należy mylić nazwy fosforu z pierwiastkiem fosfor (symbol chemiczny P). To dwie różne rzeczy. Wielozawartościowy niemetal grupy azotowej, fosfor jest powszechnie spotykany w nieorganicznych skałach fosforanowych.
Fosforany organiczne są ważne w biochemii i biogeochemii.
Fosforan to nazwa jonowego PO.43-. Natomiast kwas fosforowy to nazwa kwasu triprotycznego H3PO3. Jest to kombinacja 3 H+ jony i jeden fosforyt (PO33-) jon.
Fosfor jest pierwiastkiem chemicznym, który ma symbol P i liczbę atomową 15. Związki fosforu są również szeroko stosowane w materiałach wybuchowych, środkach nerwowych, zapałkach ciernych, fajerwerkach, pestycydach, pastach do zębów i detergentach.

struwit

Struwit, zwany również fosforanem amonowo-magnezowym (MAP), jest minerałem fosforowym o wzorze chemicznym NH4MgPO4· 6H2O. Struwit krystalizuje się w systemie orthorhombicznym w postaci białych do żółtawych lub brązowobiałych kryształów piramidalnych lub w postaci platletów. Jako miękki minerał, struwit ma twardość Mohsa od 1,5 do 2 i niską gęstość właściwą 1,7. W warunkach obojętnych i zasadowych struwit jest trudno rozpuszczalny, ale może być łatwo rozpuszczalny w kwasie. Kryształy struwitu tworzą się, gdy istnieje stosunek mol/mol do mol (1:1:1) magnezu, amoniaku i fosforanu w ściekach. Wszystkie trzy elementy – magnez, amoniak i fosforan – są zwykle obecne w ściekach: magnez pochodzący głównie z gleby, wody morskiej i wody pitnej, amoniak jest rozkładany z mocznika w ściekach, a fosforan pochodzący z żywności, mydeł i detergentów do ścieków. Przy obecności tych trzech pierwiastków, struwit może powstawać przy wyższych wartościach pH, wyższej przewodności, niższych temperaturach i wyższych stężeniach magnezu, amoniaku i fosforanu. Odzyskiwanie fosforu ze strumieni ścieków w postaci struwitu i recykling tych składników odżywczych jako nawóz dla rolnictwa jest obiecujące.
Struvite jest cennym, wolno uwalnianym nawozem mineralnym stosowanym w rolnictwie, który ma zalety granulowanego, łatwego w użyciu i bezzapachowego.