Recuperação ultrassônica de fósforo do lodo de esgoto
- A demanda mundial por fósforo está aumentando, enquanto a oferta de recursos naturais de fósforo está ficando escassa.
- O lodo de esgoto e as cinzas de lodo de esgoto são ricos em fósforo e, portanto, podem ser usados como fonte para recuperar o fósforo.
- O processamento químico úmido ultrassônico e a precipitação melhoram a recuperação de fosfato do lodo de esgoto, bem como das cinzas do lodo incinerado e tornam a recuperação significativamente mais econômica.
fósforo
O fósforo (fósforo, P) é um recurso não renovável, muito utilizado na agricultura como fertilizante, bem como em muitas indústrias, onde o fósforo é um aditivo valioso (por exemplo, tintas, detergentes para roupas, retardadores de chama, ração animal). Lodo de esgoto, cinzas de lodo de esgoto incinerado (ISSA), esterco e efluentes de laticínios são ricos em fósforo, tornando-os uma fonte de recuperação de fósforo em relação ao recurso finito de fósforo, bem como de preocupações ambientais.
As taxas de recuperação de fósforo dos fluxos de águas residuais líquidas podem chegar a 40 a 50%, enquanto as taxas de recuperação de lodo de esgoto e cinzas de lodo de esgoto podem chegar a 90%. O fósforo pode ser precipitado de várias formas, sendo uma delas a estruvita (valorizada como um fertilizante de alta qualidade e liberação lenta). Para tornar a recuperação de fósforo econômica, o processo de recuperação deve ser melhorado. A ultrassonografia é um método de intensificação do processo que acelera o processo e aumenta o rendimento dos minerais recuperados.
Recuperação ultrassônica de fósforo
Sob sonicação, materiais valiosos como estruvita (fosfato de amônio e magnésio (MAP)), fosfato de cálcio, hidroxiapatita (HAP) / hidroxiapatita de cálcio, fosfato octacálcico, fosfato tricálcico e fosfato bicálcico di-hidratado podem ser recuperados de fluxos de resíduos. O tratamento ultrassônico melhora a extração química úmida, bem como a precipitação e cristalização (sonocristalização) de materiais valiosos do lodo de esgoto e das cinzas do lodo incinerado.
Embora o teor de fósforo (8-10%), ferro (10-15%) e alumínio (5-10%) nas cinzas de lodo de esgoto monoincinerado seja bastante alto, ele também contém metais pesados tóxicos, como chumbo, cádmio, cobre e zinco.
Recuperação de Phopshorus – Um processo de duas etapas
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- extração ácida
A primeira etapa da recuperação de fósforo é a extração ou lixiviação de fósforo do lodo de esgoto ou cinza de lodo de esgoto incinerado (ISSA) usando um ácido como ácido sulfúrico ou ácido clorídrico. A mistura ultrassônica promove a lixiviação química úmida, aumentando a transferência de massa entre o ácido e o ISSA, de modo que uma lixiviação completa do fósforo seja alcançada rapidamente. Uma etapa de pré-tratamento usando ácido etilenodiaminotetraacetásico (EDTA) pode ser usada para melhorar o procedimento de extração.
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- Precipitação de fósforo
A cristalização ultrassônica aumenta significativamente a precipitação de fosfatos, aumentando os pontos de semeadura e acelerando a adsorção e agregação de moléculas para formar um cristal. A precipitação ultrassônica de fósforo de lesma de esgoto e ISSA pode ser alcançada, por exemplo, usando hidróxido de magnésio e hidróxido de amônio. O precipitado resultante é a estruvita, um composto composto de magnésio, amônio, fósforo e oxigênio.
Sonocristalização de estruvita
A dispersão ultrassônica promove a transferência de massa entre as fases e inicia a nucleação e o crescimento de cristais para fosfatos (por exemplo, estruvita / MAP).
A precipitação ultrassônica em linha e a cristalização da estruvita permitem o tratamento de grandes volumes em escala industrial. A questão do processamento de um grande fluxo de lodo de esgoto pode ser resolvida por um processo ultrassônico contínuo, que acelera a cristalização da estruvita e melhora o tamanho do cristal, produzindo partículas de fosfato menores e mais uniformes. A distribuição de tamanho das partículas precipitadas é determinada pela taxa de nucleação e pela taxa de crescimento subsequente do cristal. A nucleação acelerada e o crescimento inibido são os fatores-chave para a precipitação de partículas de fosfato cristalino, ou seja, estruvita, em uma solução aquosa. A ultrassonografia é um método de intensificação de processos que melhora a mistura para obter uma distribuição homogênea de íons reativos.
A precipitação ultrassônica é conhecida por fornecer distribuição de tamanho de partícula mais estreita, tamanho de cristal menor, morfologia controlável e taxa de nucleação rápida.
Cristais de estruvita precipitados de efluentes suínos (fonte: Kim et al. 2017)
Bons resultados de precipitação podem ser alcançados, por exemplo, com PO3-4 :NH+4 :Mg2+ na proporção de 1 : 3 : 4. A faixa de pH de 8 a 10 leva à liberação máxima de fosfato P
A ultrassonografia é uma técnica de intensificação de processo altamente eficiente para promover a precipitação de materiais valiosos, como fosfato de cálcio, fosfato de amônio e magnésio (MAP) e hidroxiapatita (HAP), hidroxiapatita de cálcio, fosfato octacálcico, fosfato tricálcico e fosfato bicálcico di-hidratado de águas residuais. Lodo de esgoto, esterco e efluentes de laticínios são conhecidos como águas residuais ricas em nutrientes, adequadas para a produção de materiais valiosos por meio de precipitação assistida por ultrassom.
Formação de cristal da estruvita:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Processadores ultrassônicos de alta potência do laboratório ao piloto e escala industrial.
Equipamento ultrassônico industrial para lixiviação e precipitação
Sistemas ultrassônicos e reatores de alto desempenho são necessários para tratar cinzas de lodo de esgoto incinerado (ISSA) e lodo de esgoto em escala industrial. A Hielscher Ultrasonics é especializada no projeto e fabricação de equipamentos ultrassônicos de alta potência – de laboratório e bancada a unidades totalmente industriais. Os ultrassônicos Hielscher são robustos e construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total em ambientes exigentes. Acessórios como reatores de célula de fluxo com várias geometrias, sonotrodos (sondas ultrassônicas) e buzinas de reforço permitem a adaptação ideal do sistema ultrassônico aos requisitos do processo. Para processar fluxos de grande volume, a Hielscher oferece unidades ultrassônicas de 4kW, 10kW e 16kW, que podem ser facilmente combinadas em paralelo a clusters ultrassônicos.
Os sofisticados ultrasonicadores da Hielscher apresentam um display digital sensível ao toque para fácil operação e controle preciso dos parâmetros do processo.
A facilidade de uso e uma operação fácil e segura são as principais características dos ultrasonicadores Hielscher. O controle remoto do navegador permite a operação e o controle do sistema ultrassônico via PC, smartphone ou tablet.
A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
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Literatura/Referências
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): O efeito do ultrassom nos processos de cristalização-precipitação: alguns exemplos e um novo modelo de segregação. Caracterização de Partículas e Sistemas de Partículas, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extração de nutrientes de águas residuais de laticínios na forma de MAP (fosfato de amônio e magnésio) e HAP (hidroxiapatita). Rasayan Jornal de Química Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, MS :; Parque, K.Y. (2017): Efeitos do pH, razões molares e pré-tratamento na recuperação de fósforo por cristalização de estruvita a partir de efluente de água residuária de suinocultura digerida anaeróbia. Pesquisa em Engenharia Ambiental 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Produção de fertilizante cristalino de liberação lenta a partir de águas residuais por meio de cristalização de estruvita. Árabe. J. Química 7, 139–155.
Fatos, vale a pena conhecer
Como funciona a precipitação ultrassônica?
A ultrassonografia afeta a nucleação e o crescimento do cristal, um processo conhecido como de sonocristalização.
Em primeiro lugar, a aplicação do ultrassom permite influenciar a taxa de nucleação, onde se formam cristais sólidos a partir de uma solução líquida. O ultrassom de alta potência cria cavitação, que é o crescimento e implosão de bolhas de vácuo em um meio líquido. A implosão das bolhas de vácuo introduz energia no sistema e reduz o excesso crítico de energia livre. Assim, os pontos de semeadura e a nucleação são iniciados em alta taxa e o mais cedo possível. Na interface entre a bolha de cavitação e a solução, metade de uma molécula de soluto é solvatada pelo solvente, enquanto a outra metade da superfície da molécula é coberta pela bolha de cavitação, de modo que a taxa de solvatação é diminuída. A redissolução da molécula de soluto é evitada, enquanto a coagulação das moléculas na solução é aumentada.
Em segundo lugar, a sonicação promove o crescimento do cristal. A mistura ultrassônica promove o crescimento de cristais, aumentando a transferência de massa e a agregação de moléculas.
Os resultados alcançados pela sonicação podem ser controlados pelo modo de sonicação:
Sonicação contínua:
O tratamento ultrassônico contínuo da solução produz muitos locais de nucleação, de modo que um grande número de pequenos cristais é criado
Sonicação pulsada:
A aplicação de sonicação pulsada / cíclica permite o controle preciso sobre o tamanho do cristal
Sonicação para iniciar a nucleação:
Quando o ultrassom é aplicado apenas durante o início do processo de cristalização, um número finito de núcleos é formado, que então cresce para um tamanho maior.
Usando ultrassom durante a cristalização, a taxa de crescimento, tamanho e forma das estruturas cristalinas podem ser influenciados e controlados. As várias opções de sonicação tornam os processos de ultracristalização precisamente controláveis e repetíveis.
cavitação ultrassônica
Quando o ultrassom de alta intensidade atravessa um meio líquido, as ondas de alta pressão (compressão) e baixa pressão (rarefação) se alternam através do líquido. Quando a pressão negativa causada por uma onda ultrassônica que atravessa um líquido é grande o suficiente, a distância entre as moléculas do líquido excede a distância molecular mínima necessária para manter o líquido intacto e, em seguida, o líquido se decompõe de modo que bolhas de vácuo ou vazios são criados. Essas bolhas de vácuo também são conhecidas como cavitação Bolhas.
Bolhas de cavitação usadas para aplicações ultrassônicas de potência, como mistura, Dispersão, moagem, Extração etc. ocorrem sob intensidades de ultrassom superiores a 10 Wcm2. As bolhas de cavitação crescem ao longo de vários ciclos acústicos de baixa pressão / alta pressão até atingirem uma dimensão em que não podem absorver mais energia. Quando uma bolha de cavitação atinge seu tamanho máximo, ela implode violentamente durante um ciclo de compressão. Os colapsos violentos de uma bolha de cavitação transitória criam condições extremas, como temperaturas e pressões muito altas, diferenciais de pressão e temperatura muito altos e jatos de líquido. Essas forças são a fonte de efeitos químicos e mecânicos usados em aplicações ultrassônicas. Cada bolha em colapso pode ser considerada como um microrreator no qual temperaturas de vários milhares de graus e pressões superiores a mil atmosferas são criadas instantaneamente [Suslick et al 1986].
A extração ultrassônica é baseada na cavitação acústica e suas forças de cisalhamento hidrodinâmicas
fósforo
O fósforo é um recurso essencial e não regenerável e os especialistas já preveem que o mundo será atingido “pico de fósforo”, ou seja, o tempo a partir do qual a oferta não pode mais atender ao aumento da demanda, em aprox. 20 anos. A Comissão Europeia já classificou o fósforo como uma matéria-prima crítica.
O lodo de esgoto é frequentemente usado como fertilizante espalhado nos campos. No entanto, como o lodo de esgoto não contém apenas fosfato valioso, mas também metais pesados nocivos e poluentes orgânicos, muitos países, como a Alemanha, restringem por legislação a quantidade de lodo de esgoto que pode ser usada como fertilizante. Muitos países, como a Alemanha, têm regulamentos rigorosos de fertilizantes, que limitam estritamente a contaminação com metais pesados. Como o fósforo é um recurso finito, o Regulamento Alemão de Lodo de Esgoto de 2017 exige que os operadores de estações de esgoto reciclem fosfatos.
O fósforo pode ser recuperado de águas residuais, lodo de esgoto, bem como das cinzas do lodo de esgoto incinerado.
fosfato
Um fosfato, um produto químico inorgânico, é um sal de ácido fosfórico. Os fosfatos inorgânicos são extraídos para obter fósforo para uso na agricultura e na indústria. Em química orgânica, um fosfato, ou organofosforado, é um éster de ácido fosfórico.
Não confunda o nome fósforo com o elemento fósforo (símbolo químico P). São duas coisas diferentes. Um não-metal multivalente do grupo nitrogênio, o fósforo é comumente encontrado em rochas fosfáticas inorgânicas.
Os fosfatos orgânicos são importantes em bioquímica e biogeoquímica.
Fosfato é o nome do íon PO43-. Ácido fosforoso, por outro lado, é o nome do ácido triprótico H3PO3. Esta é uma combinação de 3 H+ íons e um fosfito (PO33-) íon.
O fósforo é o elemento químico que tem o símbolo P e o número atômico 15. Os compostos de fósforo também são amplamente utilizados em explosivos, agentes nervosos, fósforos de fricção, fogos de artifício, pesticidas, pasta de dente e detergentes.
estruvita
A estruvita, também conhecida como fosfato de amônio e magnésio (MAP), é um mineral fosfato com a fórmula química NH4MgPO4· 6H2O. A estruvita cristaliza no sistema ortorrômbico como cristais piramidais brancos a amarelados ou branco-acastanhados ou em formas semelhantes a platlets. Por ser um mineral macio, a estruvita tem uma dureza de Mohs de 1,5 a 2 e uma baixa gravidade específica de 1,7. Em condições neutras e alcalinas, a estruvita é dificilmente solúvel, mas pode ser facilmente dissolvida em ácido. Os cristais de estruvita se formam quando há uma proporção mol para mol para molar (1:1:1) de magnésio, amônia e fosfato nas águas residuais. Todos os três elementos – magnésio, amônia e fosfato – estão normalmente presentes nas águas residuais: o magnésio proveniente principalmente do solo, da água do mar e da água potável, o amoníaco é decomposto a partir da ureia nas águas residuais e o fosfato proveniente dos alimentos, sabões e detergentes nas águas residuais. Com esses três elementos presentes, é mais provável que a estruvita se forme em valores de pH mais altos, maior condutividade, temperaturas mais baixas e concentrações mais altas de magnésio, amônia e fosfato. A recuperação de fósforo de cursos de águas residuais como estruvita e a reciclagem desses nutrientes como fertilizante para a agricultura são promissoras.
A estruvita é um valioso fertilizante mineral de liberação lenta usado na agricultura, que tem as vantagens de ser granular, fácil de usar e sem odor.