Recuperarea cu ultrasunete fosfor din nămolul de epurare
- Cererea mondială de fosfor este în creștere, în timp ce aprovizionarea cu resurse naturale de fosfor devine limitată.
- Nămolul de epurare și cenușa nămolului de epurare sunt bogate în fosfor și, prin urmare, pot fi utilizate ca sursă pentru recuperarea fosforului.
- Prelucrarea chimică umedă cu ultrasunete și precipitarea îmbunătățește recuperarea fosfatului din nămolul de epurare, precum și din cenușa nămolului incinerat și face recuperarea semnificativ mai economică.
fosfor
Fosforul (fosfor, P) este o resursă neregenerabilă, care este puternic utilizată în agricultură ca îngrășământ, precum și în multe industrii, unde fosforul este un aditiv valoros (de exemplu, vopsele, detergenți de rufe, substanțe ignifuge, hrană pentru animale). Nămolurile de epurare, cenușa de nămol de epurare incinerată (ISSA), gunoiul de grajd și efluenții din lapte sunt bogați în fosfor, ceea ce le face o sursă de recuperare a fosforului în ceea ce privește resursa finită de fosfor, precum și preocupările legate de mediu.
Ratele de recuperare a fosforului din fluxurile de ape uzate lichide pot ajunge la 40 până la 50%, în timp ce ratele de recuperare din nămolul de epurare și cenușa nămolului de epurare pot ajunge până la 90%. Fosforul poate fi precipitat în mai multe forme, una dintre ele fiind struvit (apreciat ca un îngrășământ de înaltă calitate, cu eliberare lentă). Pentru a face recuperarea fosforului economică, procesul de recuperare trebuie îmbunătățit. Ultrasonication este o metodă de intensificare a procesului care accelerează procesul și crește randamentul mineralelor recuperate.
Recuperare cu ultrasunete fosfor
Sub sonicare, materiale valoroase, ar fi struvit (fosfat de magneziu amoniu (MAP)), fosfat de calciu, hidroxiapatită (HAP) / hidroxiapatită de calciu, fosfat octacalcic, fosfat tricalcic, și fosfat dicalcic dihidrat pot fi recuperate din fluxurile de deșeuri. Tratamentul cu ultrasunete îmbunătățește extracția chimică umedă, precum și precipitarea și cristalizarea (sono-cristalizarea) materialelor valoroase din nămolul de epurare și din cenușa nămolului incinerat.
În timp ce conținutul de fosfor (8-10%), fier (10-15%) și aluminiu (5-10%) din cenușa nămolului de epurare monoincinerat este destul de ridicat, acesta conține și metale grele toxice, cum ar fi plumbul, cadmiul, cuprul și zincul.
Phopshorus Recovery – Un proces în două etape
-
- extracția acidă
Prima etapă a recuperării fosforului este extracția sau levigarea fosforului din nămolul de epurare sau cenușa de nămol de epurare incinerată (ISSA) folosind un acid precum acidul sulfuric sau acidul clorhidric. Amestecarea cu ultrasunete promovează leșierea umedă-chimică prin creșterea transferului de masă între acid și ISSA, astfel încât o scurgere completă a fosforului să se realizeze rapid. O etapă de pretratare utilizând acid etilendiaminotetraacetatic (EDTA) poate fi utilizată pentru a îmbunătăți procedura de extracție.
-
- Precipitarea fosforului
Cristalizarea cu ultrasunete îmbunătățește precipitarea fosfaților în mod semnificativ prin creșterea punctelor de însămânțare și accelerarea adsorbției și agregării moleculelor pentru a forma un cristal. Precipitarea cu ultrasunete a fosforului din melcul de canalizare și ISSA poate fi realizată, de exemplu, prin utilizarea hidroxidului de magneziu și a hidroxidului de amoniu. Precipitatul rezultat este struvit, un compus format din magneziu, amoniu, fosfor și oxigen.
Sonocristalizarea struvitului
Dispersarea cu ultrasunete promovează transferul de masă între faze și inițiază nucleația și creșterea cristalelor pentru fosfați (de exemplu, struvit / MAP).
Precipitarea cu ultrasunete inline și cristalizarea struvit permite tratarea strams de volum mare la scară industrială. Problema procesării unui flux mare de nămol de epurare poate fi rezolvată printr-un proces continuu cu ultrasunete, care accelerează cristalizarea struvitului și îmbunătățește dimensiunea cristalului, producând particule de fosfat mai mici și mai uniforme. Distribuția dimensională a particulelor precipitate este determinată de rata de nucleație și viteza ulterioară de creștere a cristalelor. Nucleația accelerată și creșterea inhibată sunt factorii cheie pentru precipitarea particulelor de fosfat cristalin, adică struvit, într-o soluție apoasă. Ultrasonication este o metodă de intensificare a procesului care îmbunătățește amestecarea pentru a obține o distribuție omogenă a ionilor reactivi.
Precipitațiile cu ultrasunete sunt cunoscute pentru a oferi o distribuție mai îngustă a dimensiunii particulelor, o dimensiune mai mică a cristalului, morfologie controlabilă și, precum și o rată de nucleație rapidă.
Cristale de struvit precipitate din efluentul porcin (sursa: Kim et al. 2017)
Rezultate bune ale precipitațiilor pot fi obținute, de exemplu, cu PO3-4 :NH+4 :Mg2+ la un raport de 1: 3: 4. Intervalul de pH de la 8 la 10 duce la eliberarea maximă de fosfat P
Ultrasonication este o tehnică extrem de eficientă de intensificare a procesului pentru a promova precipitarea materialelor valoroase, ar fi fosfat de calciu, fosfat de amoniu de magneziu (MAP) și hidroxiapatită (HAP), hidroxiapatită de calciu, fosfat octacalcic, fosfat tricalcic și fosfat dicalcic dihidrat din apele uzate. Nămolurile de epurare, gunoiul de grajd și efluenții de lapte sunt cunoscuți sub numele de ape uzate bogate în nutrienți, care sunt potrivite pentru producerea de materiale valoroase prin precipitații asistate ultrasonically.
Formarea cristalelor struvite:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Procesoare cu ultrasunete de mare putere de la laborator la pilot și scară industrială.
Echipamente industriale cu ultrasunete pentru leșiere și precipitații
Sistemele cu ultrasunete de înaltă performanță și reactoarele sunt necesare pentru a trata cenușa de nămol de epurare incinerată (ISSA) și nămolul de epurare la scară industrială. Hielscher Ultrasonics este specializata in proiectarea si fabricarea de echipamente cu ultrasunete de mare putere – de la laborator și banc-top la unități complet industriale. Hielscher ultrasonicators sunt robuste și construite pentru funcționarea 24/7 sub sarcină maximă în medii solicitante. Accesorii, ar fi reactoare cu celule de flux cu diferite geometrii, sonotrodes (sonde cu ultrasunete) și coarne de rapel permit adaptarea optimă a sistemului cu ultrasunete la cerințele procesului. În scopul de a procesa fluxuri de volum mare, Hielscher oferă 4kW, 10kW și 16kW unități cu ultrasunete, care pot fi ușor combinate în paralel cu clustere cu ultrasunete.
Hielscher ultrasonicators sofisticate dispun de un afișaj tactil digital pentru o operare ușoară și un control precis al parametrilor procesului.
Ușurința în utilizare și o operație ușoară, sigură sunt caracteristici cheie ale ultrasonicators Hielscher. Telecomanda browserului permite operarea și controlul sistemului cu ultrasunete prin PC, telefon inteligent sau tabletă.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Literatură/Referințe
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Efectul ultrasunetelor asupra proceselor de cristalizare-precipitare: Câteva exemple și un nou model de segregare. Caracterizarea sistemelor de particule și particule, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extracția nutrienților din apele uzate din lapte sub formă de MAP (fosfat de amoniu de magneziu) și HAP (hidroxiapatită). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K .; Lee, K .; Yu, MS:; Park, K.Y. (2017): Efectele pH-ului, raporturilor molare și pre-tratării asupra recuperării fosforului prin cristalizarea struvit din efluentul apelor uzate porcine digerate anaerob. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Producția de îngrășământ cristal cu eliberare lentă din apele uzate prin cristalizarea struvitului. Arab. J. Chem. 7, 139-155.
Fapte care merită știute
Cum funcționează precipitațiile cu ultrasunete?
Ultrasonication are impact asupra nucleației și creșterii cristalelor, un proces cunoscut sub numele de sonocristalizare.
În primul rând, aplicarea ultrasunetelor permite influențarea ratei de nucleație, unde se formează cristale solide dintr-o soluție lichidă. Ultrasondul de mare putere creează cavitație, care este creșterea și implozia bulelor de vid într-un mediu lichid. Implozia bulelor de vid introduce energie în sistem și reduce excesul critic de energie liberă. Astfel, punctele de însămânțare și nucleația sunt inițiate la o rată ridicată și în cel mai scurt timp. La interfața dintre bula de cavitație și soluție, jumătate dintr-o moleculă dizolvată este rezolvată de solvent, în timp ce cealaltă jumătate a suprafeței moleculei este acoperită de bula de cavitație, astfel încât rata de solvație este scăzută. Re-dizolvarea moleculei dizolvate este împiedicată, în timp ce coagularea moleculelor din soluție este crescută.
În al doilea rând, sonicare promovează creșterea cristalului. Amestecarea cu ultrasunete promovează creșterea cristalelor prin creșterea transferului de masă și agregarea moleculelor.
Rezultatele obținute prin sonicare pot fi controlate prin modul sonicare:
Sonicare continuă:
Tratamentul continuu cu ultrasunete al soluției produce multe site-uri de nucleație, astfel încât se creează un număr mare de cristale mici
Sonicare pulsată:
Aplicarea sonicare pulsate / ciclice permite controlul precis asupra dimensiunii cristalului
Sonicare pentru a iniția nucleația:
Când ultrasunetele sunt aplicate numai la începutul procesului de cristalizare, se formează un număr finit de nuclee, care apoi sunt crescute la o dimensiune mai mare.
Folosind ultrasonication în timpul cristalizării, rata de creștere, dimensiunea, și forma structurilor cristaline pot fi influențate și controlate. Diferitele opțiuni de sonicare fac procesele de sono-cristalizare precis controlabile și repetabile.
Cavitație cu ultrasunete
Când ultrasunetele de înaltă intensitate traversează un mediu lichid, undele de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (rarefiere) alternează prin lichid. Când presiunea negativă cauzată de un val ultrasonic care traversează un lichid este suficient de mare, distanța dintre moleculele lichidului depășește distanța moleculară minimă necesară pentru a menține lichidul intact și apoi lichidul se descompune astfel încât se creează bule de vid sau goluri. Aceste bule de vid sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de Cavitaţie Bule.
Bule de cavitație utilizate pentru aplicații cu ultrasunete de putere, cum ar fi amestecarea, Dispersarea, Frezare, Extracție etc. apar la intensități cu ultrasunete mai mari de 10 Wcm2. Bulele de cavitație cresc pe parcursul mai multor cicluri acustice de joasă presiune / înaltă presiune până când ajung la o dimensiune în care nu pot absorbi mai multă energie. Când o bulă de cavitație a atins dimensiunea maximă, aceasta implodează violent în timpul unui ciclu de compresie. Colapsurile violente ale unei bule de cavitație tranzitorii creează condiții extreme, cum ar fi temperaturi și presiuni foarte ridicate, diferențe foarte mari de presiune și temperatură și jeturi lichide. Aceste forțe sunt sursa efectelor chimice și mecanice utilizate în aplicațiile cu ultrasunete. Fiecare bulă care se prăbușește poate fi considerată un microreactor în care temperaturile de câteva mii de grade și presiunile mai mari de o mie de atmosfere sunt create instantaneu [Suslick et al 1986].
Extracția cu ultrasunete se bazează pe cavitație acustică și forțele sale hidrodinamice de forfecare
fosfor
Fosforul este o resursă esențială, negenerabilă, iar experții prezic deja că lumea va lovi “Vârful fosforului”, adică momentul de la care oferta nu mai poate satisface cererea crescută, în aproximativ 20 de ani. Comisia Europeană a clasificat deja fosforul ca materie primă critică.
Nămolul de epurare este adesea folosit ca îngrășământ răspândit pe câmpuri. Cu toate acestea, deoarece nămolul de epurare conține nu numai fosfat valoros, ci și metale grele dăunătoare și poluanți organici, multe țări, cum ar fi Germania, restricționează prin legislație cantitatea de nămol de epurare care poate fi utilizată ca îngrășământ. Multe țări, cum ar fi Germania, au reglementări stricte privind îngrășămintele, care limitează strict contaminarea cu metale grele. Deoarece fosforul este o resursă finită, Regulamentul german privind nămolurile de epurare din 2017 impune operatorilor stațiilor de epurare să recicleze fosfații.
Fosforul poate fi recuperat din apele uzate, nămolul de epurare, precum și din cenușa nămolului de epurare incinerat.
fosfat
Un fosfat, o substanță chimică anorganică, este o sare a acidului fosforic. Fosfații anorganici sunt extrași pentru a obține fosfor pentru utilizare în agricultură și industrie. În chimia organică, un fosfat sau organofosfat este un ester al acidului fosforic.
Nu confundați numele fosfor cu elementul fosfor (simbol chimic P). Sunt două lucruri diferite. Un nemetal multivalent din grupul azotului, fosforul se găsește în mod obișnuit în rocile fosfatice anorganice.
Fosfații organici sunt importanți în biochimie și biogeochimie.
Fosfatul este numele ionului PO43-. Acidul fosforos, pe de altă parte, este numele acidului triprotic H3PO3. Aceasta este o combinație de 3 H+ ioni și un fosfit (PO33-) ion.
Fosforul este elementul chimic care are simbolul P și numărul atomic 15. Compușii fosforului sunt, de asemenea, utilizați pe scară largă în explozivi, agenți nervoși, meciuri de frecare, focuri de artificii, pesticide, pastă de dinți și detergenți.
struvit
Struvitul, denumit și fosfat de magneziu și amoniu (MAP), este un mineral fosfat cu formula chimică NH4MgPO4·6H2O. Struvite cristalizează în sistemul ortorombic sub formă de cristale piramidale albe până la gălbui sau alb-maroniu sau în forme asemănătoare platletelor. Fiind un mineral moale, struvitul are o duritate Mohs de 1,5 la 2 și o greutate specifică scăzută de 1,7. În condiții neutre și alcaline, struvit este greu solubil, dar poate fi ușor dizolvat în acid. Cristalele de struvit se formează atunci când există un raport aluniță-aluniță-aluniță (1: 1: 1) de magneziu, amoniac și fosfat în apele uzate. Toate cele trei elemente – magneziu, amoniac și fosfat – sunt prezente în mod normal în apele reziduale: magneziul provine în principal din sol, apa de mare și apa potabilă, amoniacul este descompus din ureea din apele uzate și fosfatul provenit din alimente, săpunuri și detergenți în apele uzate. Cu aceste trei elemente prezente, struvit este mai probabil să se formeze la valori mai mari ale pH-ului, conductivitate mai mare, temperaturi mai scăzute și concentrații mai mari de magneziu, amoniac și fosfat. Recuperarea fosforului din fluxurile de ape reziduale ca struvit și reciclarea acestor nutrienți ca îngrășământ pentru agricultură este promițătoare.
Struvit este un îngrășământ mineral valoros cu eliberare lentă utilizat în agricultură, care are avantajele de a fi granular, ușor de utilizat și fără miros.