Hielscher tecnologia de ultra-som

Recuperação ultra-sônica do Phosphor da lama de esgoto

  • A demanda mundial por fósforo está aumentando, enquanto a oferta de recursos naturais de fósforo está ficando escassa.
  • A lama de esgoto e as cinzas de lodo de esgoto são ricas em fósforo e, portanto, podem ser usadas como fonte para recuperar o fósforo.
  • O processamento de ultra-som molhado-químico e precipitação melhora a recuperação de fosfato de lodo de esgoto, bem como a partir da cinzas de lodo incinerado e torna a recuperação significativamente mais econômica.

Fósforo

O lodo de esgoto é rico em fósforo. Extração ultra-sônica e precipitação intensifica o processo de recuperação de fósforo.O fósforo (Phosphor, P) é um recurso não-renovável, que é usado pesadamente na agricultura como o fertilizante assim como em muitas indústrias, onde o fósforo é um aditivo valioso (por exemplo, pinturas, detergentes de lavanderia, retardadores de flama, alimentação animal). Lodo de esgoto, cinzas de lodo de esgoto incinerado (ISSA), esterco e efluentes lácteos 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 água residuais líquidas podem atingir 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 em muitas formas, sendo um deles estruvita (valorizado como fertilizante de liberação lenta de alta qualidade). A fim de fazer a recuperação do fósforo econômico, o processo de recuperação deve ser melhorado. Ultrasonication é um método de intensificação do processo que acelera o processo e aumenta o rendimento de minerais recuperados.

Recuperação ultra-sônica do fósforo

Sonication intensifica o processamento de molhado-químico e precipitação durante a recuperação de fósforo de lodo de esgoto.sonication, materiais valiosos como estruvita (fosfato de amônio de magnésio (MAP)), fosfato de cálcio, hidroxiapatita (HAP)/hidroxiapatita de cálcio, fosfato octacálcico, fosfato tricálcico e fosfato dicálcico di-hidratado podem ser recuperados de fluxos de resíduos. O tratamento ultra-sônico melhora a extração do molhado-produto químico assim como a precipitação e a cristalização (sono-Crystallization) de materiais valiosos do lodo de esgoto e da cinza da lama incinerada.
Enquanto o teor de fósforo (8-10%), ferro (10-15%) e alumínio (5-10%) em cinzas de lodo de esgoto mono-incinerado é bastante elevado, ele também contém metais pesados tóxicos, como chumbo, cádmio, cobre e zinco.

Digestor anaeróbio do biogás

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Phopshorus recuperação – Um processo de duas etapas

  1. extração ácida
  2. O primeiro passo da recuperação de fósforo é a extração ou lixiviação de fósforo proveniente de lodo de esgoto ou cinzas de lodo de esgoto incinerado (ISSA) usando um ácido como ácido sulfúrico ou ácido clorídrico. A mistura ultra-sônica promove a lixiviação molhado-química aumentando a transferência maciça entre o ácido e o ISSA de modo que uma lixiviação completa do fósforo seja conseguida ràpida. Uma etapa do pre-tratamento usando o ácido ethylenediaminetetraacetatic (EDTA) pode ser usada para melhorar o procedimento da extração.

  3. Precipitação de fósforo
  4. A cristalização ultra-sônica aumenta a precipitação de fosfatos significativamente aumentando os pontos de semeadura e acelerando a adsorção e agregação de moléculas, a fim de formar um cristal. A precipitação ultra-sônica do fósforo do sluge da água de esgoto e do ISSA pode ser conseguida por exemplo, usando o hidróxido de magnésio e o hidróxido de amônio. O precipitado resultante é struvite, composto constituído de magnésio, amônio, fósforo e oxigénio.

Sonocrystallization de struvite

A dispersão ultra-sônica promove a transferência de massa entre fases e inicia a nucleação e o crescimento de cristais para fosfatos (por exemplo, estruvita/MAP).
A precipitação inline ultra-sônica e a cristalização do estruvita permitem o tratamento de grandes strams do volume na escala industrial. A questão do processamento de um grande fluxo de lodo de esgoto pode ser resolvida por um processo ultra-sônico contínuo, que acelera a cristalização de estruvita e melhora o tamanho de cristal produzindo partículas de fosfato menores, mais uniformes. A distribuição do tamanho de partículas precipitadas é taxa de nucleação determinada e a taxa de crescimento de cristal subseqüente. A nucleação acelerada e o crescimento inibido são os principais fatores para a precipitação de partículas de fosfato de cristalina, ou seja, struvite, em solução aquosa. Ultrasonication é um processo que intensifica o método que melhora a mistura a fim obter uma distribuição homogênea de íons reactivos.
A precipitação ultra-sônica é sabida para dar a distribuição mais estreita do tamanho de partícula, tamanho de cristal menor, morfologia controlável e assim como a taxa rápida da nucleação.

Os cristais de struvite podem ser precipitados das lamas de esgoto. Sonication melhora o processo de recuperação.

Cristais de struvite precipitados do efluente suíno (fonte: Kim et al. 2017)

Resultados de boa precipitação podem ser alcançados, por exemplo, com PO3-4 : NH+4 : Mgmais de 2 em uma proporção de 1:3: 4. A faixa de pH de 8 a 10 leva à liberação máxima de fosfato P

Ultrasonication é um processo altamente eficiente que intensifica a técnica para promover a precipitação de materiais valiosos tais como o fosfato de cálcio, o fosfato do amónio do magnésio (mapa) e o hidroxiapatita (HAP), o hidroxiapatita do cálcio, o fosfato octacálcico, fosfato tricálcio e fosfato dicálcio di-hidratado a partir de águas residuais. As lamas de esgoto, o estrume e os efluentes lácteos são conhecidos como águas residuais ricas em nutrientes, o que é adequado para a produção de materiais valiosos via precipitação ultrassonicamente assistida.

Struvite formação de cristal:
mgmais de 2 + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4Po4 ∙ 6H2O + H+

Hielscher ultrasonics fabrica ultrasonicators de alto desempenho para aplicações sonoquímicas.

Processadores ultra-sônicos de alta potência do laboratório à escala piloto e industrial.

Equipamento ultra-sônico industrial para a lixiviação e a precipitação

UIP4000hdT célula de fluxo para sonication inline em escala industrialSistemas ultra-sônicos de alto desempenho e reatores são necessários para tratar cinzas de lodo de esgoto incinerado (ISSA) e lodo de esgoto em escala industrial. Hielscher ultrasonics é especializada no projeto e fabricação de alta potência de equipamentos ultra-sônicos – do laboratório e do banco-parte superior às unidades inteiramente industriais. Hielscher ultrasonicators são robustos e construídos para a operação 24/7 carga total em ambientes exigentes. Os acessórios tais como reatores da pilha de fluxo com várias geometrias, sonotrodes (pontas de prova ultra-sônicas) e chifres do impulsionador permitem a adaptação óptima do sistema ultra-sônico às exigências do processo. A fim de processar grandes fluxos de volume, Hielscher oferece 4kW, 10kW e 16kW unidades Ultrassônicas, que podem ser facilmente combinadas em paralelo aos clusters ultrassônicos.
Os ultrasonicators sofisticados de Hielscher caracterizam uma exposição de toque digital para a operação fácil e o controle preciso dos parâmetros do processo.
A facilidade de utilização e uma operação fácil, segura são características chaves de ultrasonicators de Hielscher. O controle remoto do navegador permite a operação e o controle do sistema ultra-sônico através do PC, do telefone esperto ou da tabuleta.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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Literatura / Referências

  • Dodds, John A.; De, Fabienne; Oliveira, Bernardo; De; Silva, Luiz Carlos; Lopes, Myriam; Oliveira, Fábio; Carvalho, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): o efeito do ultra-som em processos da cristalização-precipitação: alguns exemplos e um modelo novo da segregação. Caracterização de sistemas de partículas e partículas, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp. 18-28
  • Soares, A.; Prasanna, K. (2016): extração de nutrientes de águas residuais leiteiras a forma de mapa (fosfato de amônio de magnésio) e HAP (hidroxiapatita). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, no. 2; 2016.215-221.
  • Kim, D.; M., K.; Lopes, K.; Yu, M. S:; Parque, KY (2017): Efeitos do pH, das proporções molares e do pré-tratamento na recuperação do fósforo através da cristalização de estruvite do efluente de efluentes de suínos anaerógicamente digeridos. Pesquisa de engenharia ambiental 22 (1), 2017. 12-18.
  • Rahman, m., Salleh, m., Ahsan, A., Hossain, m., ra, C. (2014): produção de fertilizante de cristal da liberação lenta das águas residuais através do Crystallization do estruvita. Árabe. J. Chem. 7, 139 – 155.


Fatos, vale a pena conhecer

Como funciona a precipitação ultra-sônica?

Ultrasonication impactos nucleação e crescimento de cristal, um processo conhecido como sonocrystallization.
Em primeiro lugar, a aplicação de ultra-som permite influenciar a taxa de nucleação, onde há cristais sólidos formam a partir de uma solução líquida. Ultrasond 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 a uma taxa alta e, no momento mais precoce. Na relação entre a bolha da cavitação e a solução, a metade de uma molécula do soluto é solvated pelo solvente, quando a outra metade da superfície da molécula for coberta pela bolha da cavitação, de modo que a taxa da solvatação seja diminuída. A re-dissolução da molécula de soluto é impedida, enquanto a coagulação de moléculas na solução é aumentada.
Em segundo lugar, sonication promove o crescimento de cristal. Mistura ultra-sônica promove o crescimento de cristais por elevando a transferência de massa e agregação de moléculas.
Os resultados conseguidos pelo sonication podem ser controlados pelo modo sonication:
Sonicação contínua:
O tratamento ultra-sônico contínuo da solução produz muitos locais da nucleação, de modo que um grande número cristais pequenos seja criado
Sonication pulsado:
A aplicação de sonication pulsado/um ciclo permite o controle preciso sobre o tamanho de cristal
Sonication para iniciar a nucleação:
Quando o ultra-som é aplicado apenas durante o início do processo de cristalização, um número finito de núcleos são formados, que, em seguida, são cultivadas para um tamanho maior.

Usando ultrasonication durante a cristalização, a taxa de crescimento, tamanho e forma das estruturas de cristal pode ser influenciado e controlado. As várias opções de sonication fazer sono-cristalização processos precisamente controlável e repetível.

cavitação ultra-sônica

Quando a ultrassonografia de alta intensidade cruza um meio líquido, ondas de alta pressão (compressão) e de baixa pressão (rarefação) são alternadas através do líquido. Quando a pressão negativa causada para uma onda ultra-sônica que cruza um líquido é grande bastante, a distância entre as moléculas do líquido excede a distância molecular mínima exigida para prender o líquido intacto, e então o líquido quebra para baixo de modo que o vácuo bolhas ou vazios são criados. Essas bolhas de vácuo também são conhecidas como cavitação Bolhas.
Bolhas da cavitação usadas para aplicações ultra-sônicas do poder tais como a mistura, Dispersão, fresagem, Extração etc. ocorrem intensidades de ultra-som superiores a 10 WCM2. As bolhas da cavitação crescem sobre diversos ciclos acústicos da baixo-pressão/alta pressão até que alcancem uma dimensão onde não possam absorver mais energia. Quando uma bolha da cavitação alcançou seu tamanho máximo, implode violentamente durante um ciclo da compressão. Os colaps violentos de uma bolha transitória da cavitação criam circunstâncias extremas tais como temperaturas e pressões muito elevadas, diferenciais muito elevados da pressão e da temperatura e jatos líquidos. Essas forças são a fonte de efeitos químicos e mecânicos utilizados em aplicações Ultrassônicas. Cada bolha desmoronando pode ser considerada como um Microrreator em que as temperaturas de diversos milhares graus e pressões mais altamente de 1000 atmosferas são criadas instantaneamente [Suslick et al 1986].

Cavitação ultra-sônica/acústica cria forças altamente intensas que abre as paredes celulares conhecidas como lise (clique para ampliar!)

A extração ultra-sônica é baseada em cavitação acústica e suas forças de cisalhamento hidrodinâmicas

Fósforo

O fósforo é um recurso essencial, não regenerável e os peritos já prevêem que o mundo vai bater “pico de fósforo”, ou seja, o tempo a partir do qual a oferta já não pode satisfazer o aumento da procura, em cerca de 20 anos. A Comissão Europeia já classificou o fósforo como matéria-prima crítica.
O lodo de esgoto é freqüentemente usado como fertilizante espalhado nos campos. No entanto, uma vez que a lama de esgoto não só contém fosfato valioso, mas também metais pesados nocivos e poluentes orgânicos, muitos países como a Alemanha, restringir por legislação quanto lodo de esgoto pode ser usado como fertilizante. Muitos países tais como Germany têm regulamentos estritos do fertilizante, que limitam a contaminação com metais pesados estritamente. Desde que o fósforo é um recurso finito, o Regulamento alemão das lamas de esgoto de 2017 exige operadores da planta de esgoto reciclar fosfatos.
O fósforo pode ser recuperado de águas residuais, lamas de esgoto, bem como a partir das cinzas de 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 organofosfato, é um éster de ácido fosfórico.
Não confunda o nome fosforoso com o fósforo do elemento (símbolo químico P). São duas coisas diferentes. Um metalóide multivalente do grupo do nitrogênio, fósforo é encontrado geralmente em rochas inorgânicas do fosfato.
Os fosfatos orgânicos são importantes em bioquímica e biogeoquímica.
Fosfato é o nome do íon PO43-. O ácido fosfórico, por outro lado, é o nome do ácido triprotico H3PO3. Esta é uma combinação de 3 H+ íons e um fosfito (PO33-Ion.
O fósforo é o elemento químico que tem o símbolo P e o número atômico 15. Compostos de fósforo também são amplamente utilizados em explosivos, agentes nervosos, fósforos de atrito, fogos de artifício, pesticidas, pasta de dentes e detergentes.

Estruvita

Struvite, também conhecido como fosfato de amônio de magnésio (MAP), é um mineral fosfato com a fórmula química NH4Método MgPO4· 6H2O. struvite cristaliza no sistema ortorrômbico como cristais piramidal branco a amarelado ou acastanhado-branco ou em platlet-como formulários. Sendo um mineral macio, estruvita tem uma dureza de Mohs de 1,5 a 2 e uma baixa gravidade específica de 1,7. as circunstâncias neutras e alcalinas o estruvita é mal solúvel, mas pode facilmente ser dissolvido no ácido. Os cristais de struvite formam-se quando há uma toupeira à relação da toupeira à toupeira (1:1:1) do magnésio, da amônia e do fosfato nas águas residuais. Todos os três elementos – magnésio, amônia e fosfato – estão normalmente presentes em águas residuais: o magnésio proveniente principalmente do solo, água do mar e agua potável, a amônia é discriminada a partir da ureia em águas residuais, e fosfato proveniente de alimentos, sabonetes e detergentes para o esgoto. Com estes três elementos presentes, o estruvita é mais provável de se formar em valores de pH mais elevados, maior condutividade, temperaturas mais baixas e concentrações mais elevadas de magnésio, amônia e fosfato. A recuperação do fósforo dos waterstreams waste como estruvita e recicl aqueles nutrientes como o fertilizante para a agricultura é prometedora.
Struvite é um valioso fertilizante mineral de liberação lenta usado na agricultura, que tem as vantagens de ser granular, fácil de usar, e livre de odores.