Ультразвуковое извлечение фосфора из осадка сточных вод
- Мировой спрос на фосфор растет, в то время как предложение природных ресурсов фосфора становится все более скудным.
- Осадок сточных вод и зола осадков сточных вод богаты фосфором и поэтому могут использоваться в качестве источника для регенерации фосфора.
- Ультразвуковая влажная химическая обработка и осаждение улучшает извлечение фосфатов из осадков сточных вод, а также из золы сжигаемого осадка и делает рекуперацию значительно более экономичной.
фосфор
Фосфор (фосфор, P) является невозобновляемым ресурсом, который активно используется в сельском хозяйстве в качестве удобрения, а также во многих отраслях промышленности, где фосфор является ценной добавкой (например, краски, стиральные порошки, антипирены, корма для животных). Осадок сточных вод, зола сожженного осадка сточных вод (ISSA), навоз и молочные стоки богаты фосфором, что делает их источником для восстановления фосфора с учетом ограниченного ресурса фосфора, а также экологических проблем.
Степень извлечения фосфора из потоков жидких сточных вод может достигать от 40 до 50%, в то время как степень извлечения из осадка сточных вод и золы осадка сточных вод может достигать до 90%. Фосфор может выпадать в осадок во многих формах, одной из них является струвит (ценится как высококачественное удобрение с медленным высвобождением). Для того чтобы сделать регенерацию фосфора экономичной, процесс восстановления необходимо улучшить. Ультразвуковая технология – это метод интенсификации процесса, который ускоряет процесс и увеличивает выход извлекаемых минералов.
Ультразвуковое извлечение фосфора
При ультразвуковой обработке из сточных вод могут быть извлечены такие ценные материалы, как струвит (фосфат магния и аммония (MAP)), фосфат кальция, гидроксиапатит (HAP) / гидроксиапатит кальция, октакальцийфосфат, трикальцийфосфат и дигидрат дикальцийфосфата. Ультразвуковая обработка улучшает мокрую химическую экстракцию, а также осаждение и кристаллизацию (сонокристаллизацию) ценных материалов из осадка сточных вод и золы сжигаемого осадка.
Несмотря на то, что содержание фосфора (8-10%), железа (10-15%) и алюминия (5-10%) в золе моносжигаемого осадка сточных вод довольно высокое, он также содержит токсичные тяжелые металлы, такие как свинец, кадмий, медь и цинк.
Восстановление Фопсгора – Двухэтапный процесс
-
- кислотная экстракция
Первым этапом восстановления люминофора является извлечение или выщелачивание фосфора из осадка сточных вод или золы сожженного осадка сточных вод (ISSA) с использованием такой кислоты, как серная кислота или соляная кислота. Ультразвуковое перемешивание способствует мокрому химическому выщелачиванию за счет увеличения массопереноса между кислотой и ISSA, что позволяет быстро достичь полного выщелачивания фосфора. Стадия предварительной обработки с использованием этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА) может быть использована для улучшения процедуры экстракции.
-
- Выпадение в осадок фосфора
Ультразвуковая кристаллизация значительно усиливает осаждение фосфатов за счет увеличения точек затравки и ускорения адсорбции и агрегации молекул с целью формирования кристалла. Ультразвуковое осаждение фосфора из сточных вод и ISSA может быть достигнуто, например, с помощью гидроксида магния и гидроксида аммония. Образующийся осадок представляет собой струвит, соединение, состоящее из магния, аммония, фосфора и кислорода.
Сонокристаллизация струвита
Ультразвуковое диспергирование способствует массопереносу между фазами и инициирует зарождение и рост кристаллов фосфатов (например, струвита / MAP).
Ультразвуковое поточное осаждение и кристаллизация струвита позволяют обрабатывать большие объемы струвитов в промышленных масштабах. Вопрос переработки большого потока осадка сточных вод может быть решен с помощью непрерывного ультразвукового процесса, который ускоряет кристаллизацию струвита и улучшает размер кристаллов, производя более мелкие и однородные фосфатные частицы. Распределение по размерам осажденных частиц определяет скорость зарождения и последующую скорость роста кристаллов. Ускоренное зародышеобразование и ингибирование роста являются ключевыми факторами осаждения частиц кристалллинового фосфата, т.е. струвита, в водном растворе. Ультразвуковая обработка – это метод интенсификации процесса, который улучшает смешивание с целью получения однородного распределения реакционноспособных ионов.
Известно, что ультразвуковое осаждение дает более узкое распределение частиц по размерам, меньший размер кристаллов, контролируемую морфологию, а также высокую скорость зародышеобразования.
Кристаллы струвита, выпавшие в осадок из сточных вод свиней (источник: Kim et al. 2017)
Хорошие результаты выпадения осадков могут быть достигнуты, например, при использовании PO3-4 : NH+4 :Мг2+ в соотношении 1 : 3 : 4. Диапазон pH от 8 до 10 приводит к максимальному выделению фосфата P
Ультразвуковое исследование является высокоэффективным методом интенсификации процесса, способствующим осаждению из сточных вод ценных веществ, таких как фосфат кальция, фосфат магния и аммония (MAP) и гидроксиапатит (HAP), гидроксиапатит кальция, октакальцийфосфат, трикальцийфосфат и дигидрат дикальцийфосфата. Осадок сточных вод, навоз и молочные стоки известны как богатые питательными веществами сточные воды, которые подходят для производства ценных материалов с помощью осаждения с ультразвуковой поддержкой.
Формирование кристаллов струвитов:
Мг2+ + Нью-Йорк+4 + HPO2-4 + Ч2O –> MgNH4Заказ на поставку4 ∙ 6 часов2О + Н+
Мощные ультразвуковые процессоры от лабораторных до пилотных и промышленных масштабов.
Промышленное ультразвуковое оборудование для выщелачивания и осаждения
Высокопроизводительные ультразвуковые системы и реакторы необходимы для обработки золы сжигаемого осадка сточных вод (ISSA) и осадка сточных вод в промышленных масштабах. Компания Hielscher Ultrasonics специализируется на проектировании и производстве мощного ультразвукового оборудования – От лабораторных и настольных до полностью промышленных установок. Ультразвуковые аппараты Hielscher надежны и рассчитаны на работу в режиме 24/7 при полной нагрузке в сложных условиях. Такие аксессуары, как проточные реакторы с ячейками различной геометрии, сонотроды (ультразвуковые зонды) и бустерные рупоры, позволяют оптимально адаптировать ультразвуковую систему к требованиям технологического процесса. Для обработки больших объемных потоков Hielscher предлагает ультразвуковые установки мощностью 4 кВт, 10 кВт и 16 кВт, которые можно легко комбинировать параллельно с ультразвуковыми кластерами.
Современные ультразвуковые аппараты Hielscher оснащены цифровым сенсорным дисплеем, обеспечивающим простоту эксплуатации и точный контроль параметров процесса.
Удобство использования и простая, безопасная эксплуатация являются ключевыми особенностями ультразвуковых аппаратов Hielscher. Дистанционное управление через браузер позволяет управлять ультразвуковой системой с помощью ПК, смартфона или планшета.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Литература/Литература
- Доддс, Джон А.; Эспиталье, Фабьен; Луизнар, Оливье; Гроссье, Ромен; Давид, Рене; Хассун, Мириам; Байон, Фабьен; Gatumel, Cendrine; Лычко, Натали (2007): Влияние ультразвука на процессы кристаллизации-осаждения: некоторые примеры и новая модель сегрегации. Определение характеристик частиц и систем частиц, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), стр.18-28
- Харбанда, А.; Прасанна, К. (2016): Извлечение питательных веществ из сточных вод молочных продуктов в форме MAP (фосфат магния и аммония) и HAP (гидроксиапатит). Расаянский химический журнал, том 9, No 2; 2016. 215-221.
- Ким, Д.; Цзинь Минь, К.; Ли, К.; Yu, M.S:; Парк, К.Й. (2017): Влияние pH, молярных соотношений и предварительной очистки на извлечение фосфора путем кристаллизации струвитов из сточных вод анаэробно сброженных свиней. Исследования в области инженерии окружающей среды 22 (1), 2017. 12-18.
- Рахман, М., Саллех, М., Ахсан, А., Хоссейн, М., Ра, К. (2014): Производство кристаллических удобрений с медленным высвобождением из сточных вод путем кристаллизации струвитов. Араб. J. Chem. 7, 139–155.
Факты, которые стоит знать
Как работает ультразвуковое осаждение?
Ультразвуковое исследование влияет на зарождение и рост кристаллов, процесс, известный как Сонокристаллизация.
Во-первых, применение ультразвука позволяет влиять на скорость зародышеобразования, когда из жидкого раствора образуются твердые кристаллы. Ультразонд высокой мощности создает кавитацию, которая представляет собой рост и схлопывание вакуумных пузырьков в жидкой среде. Схлопывание вакуумных пузырьков вводит энергию в систему и снижает критический избыток свободной энергии. Таким образом, точки посева и зародышеобразования инициируются с высокой скоростью и в самые ранние сроки. На границе раздела между кавитационным пузырьком и раствором половина молекулы растворенного вещества сольватируется растворителем, в то время как другая половина поверхности молекулы покрывается кавитационным пузырем, так что скорость сольватации снижается. Повторное растворение молекулы растворенного вещества предотвращается, при этом коагуляция молекул в растворе увеличивается.
Во-вторых, ультразвук способствует росту кристаллов. Ультразвуковое перемешивание способствует росту кристаллов за счет увеличения массопереноса и агрегации молекул.
Результатами, полученными с помощью ультразвука, можно управлять с помощью режима ультразвуковой обработки:
Непрерывная ультразвуковая обработка:
Непрерывная ультразвуковая обработка раствора дает множество участков зародышеобразования, так что создается большое количество мелких кристаллов
Импульсная ультразвуковая обработка:
Применение импульсной/циклической ультразвука позволяет точно контролировать размер кристаллов
Ультразвуковая обработка для инициирования зародышеобразования:
Когда ультразвук применяется только в начале процесса кристаллизации, образуется конечное число ядер, которые затем увеличиваются до большего размера.
Используя ультразвук во время кристаллизации, можно влиять на скорость роста, размер и форму кристаллических структур и контролировать их. Различные варианты ультразвуковой обработки делают процессы сонокристаллизации точно контролируемыми и повторяемыми.
ультразвуковая кавитация
Когда ультразвук высокой интенсивности пересекает жидкую среду, волны высокого давления (сжатие) и низкого давления (разрежение) чередуются через жидкость. Когда отрицательное давление, вызванное ультразвуковой волной, проходящей через жидкость, достаточно велико, расстояние между молекулами жидкости превышает минимальное молекулярное расстояние, необходимое для удержания жидкости в целости, и тогда жидкость разрушается, образуя вакуумные пузырьки или пустоты. Эти вакуумные пузыри также известны как кавитация Пузыри.
Кавитационные пузырьки, используемые для силовых ультразвуковых применений, таких как смешивание, Диспергирующий, измельчение, Извлечение и т.д. возникают при интенсивности ультразвука выше 10 Вт²2. Кавитационные пузырьки растут в течение нескольких акустических циклов низкого и высокого давления, пока не достигнут размера, при котором они не смогут поглощать больше энергии. Когда кавитационный пузырь достигает своего максимального размера, он сильно схлопывается во время цикла сжатия. Сильное схлопывание переходного кавитационного пузыря создает экстремальные условия, такие как очень высокие температуры и давления, очень высокие перепады давления и температуры, а также струи жидкости. Эти силы являются источником химических и механических эффектов, используемых в ультразвуковых исследованиях. Каждый схлопывающийся пузырь можно рассматривать как микрореактор, в котором мгновенно создаются температуры в несколько тысяч градусов и давление выше одной тысячи атмосфер [Suslick et al 1986].
Ультразвуковая экстракция основана на акустической кавитации и ее гидродинамических силах сдвига
фосфор
Фосфор является важным, невозобновляемым ресурсом, и эксперты уже предсказывают, что мир нанесет удар “Люминофорный пик”, т.е. время, с которого предложение больше не может удовлетворять возросший спрос, примерно через 20 лет. Европейская комиссия уже отнесла фосфор к критически важным сырьевым материалам.
Осадок сточных вод часто используется в качестве удобрения, разбрасываемого на полях. Однако, поскольку осадок сточных вод содержит не только ценные фосфаты, но и вредные тяжелые металлы и органические загрязнители, многие страны, такие как Германия, законодательно ограничивают количество осадка сточных вод, которое можно использовать в качестве удобрения. Во многих странах, таких как Германия, действуют строгие правила внесения удобрений, которые строго ограничивают загрязнение тяжелыми металлами. Поскольку фосфор является ограниченным ресурсом, Регламент Германии о осадке сточных вод от 2017 года требует от операторов очистных сооружений перерабатывать фосфаты.
Фосфор может быть извлечен из сточных вод, осадков сточных вод, а также из золы сожженного осадка сточных вод.
фосфат
Фосфат, неорганическое химическое вещество, представляет собой соль фосфорной кислоты. Неорганические фосфаты добываются для получения фосфора для использования в сельском хозяйстве и промышленности. В органической химии фосфат, или фосфорорганический орган, представляет собой сложный эфир фосфорной кислоты.
Не стоит путать название фосфор с элементом фосфор (химический символ Р). Это разные вещи. Многовалентный неметалл азотной группы, фосфор обычно встречается в неорганических фосфатных породах.
Органические фосфаты играют важную роль в биохимии и биогеохимии.
Фосфат — это название иона PO43-. Фосфорная кислота, с другой стороны, является названием трипротонной кислоты H3PO3. Это комбинация из 3 Н+ ионы и один фосфит (PO33-) ион.
Фосфор – это химический элемент, который имеет символ Р и атомный номер 15. Соединения фосфора также широко используются во взрывчатых веществах, нервно-паралитических веществах, фрикционных спичках, фейерверках, пестицидах, зубной пасте и моющих средствах.
струвит
Струвит, также называемый фосфатом магния и аммония (MAP), представляет собой фосфатный минерал с химической формулой NH4MgPO4·6Ч2O. Струвит кристаллизуется в орторомбической системе в виде пирамидальных кристаллов от белого до желтоватого или коричневато-белого цвета или в виде пластинок. Будучи мягким минералом, струвит имеет твердость по шкале Мооса от 1,5 до 2 и низкий удельный вес 1,7. В нейтральных и щелочных условиях струвит труднорастворим, но легко растворяется в кислоте. Кристаллы струвита образуются при соотношении моль и моль (1:1:1) магния, аммиака и фосфата в сточных водах. Все три элемента – магний, аммиак и фосфат – обычно присутствуют в сточных водах: магний, поступающий в основном из почвы, морской воды и питьевой воды, аммиак расщепляется из мочевины в сточных водах, а фосфаты поступают из пищи, мыла и моющих средств в сточные воды. При наличии этих трех элементов струвит с большей вероятностью образуется при более высоких значениях pH, более высокой проводимости, более низких температурах и более высоких концентрациях магния, аммиака и фосфатов. Многообещающим является извлечение фосфора из сточных вод в виде струвитов и переработка этих питательных веществ в качестве удобрений для сельского хозяйства.
Струвит является ценным минеральным удобрением с медленным высвобождением, используемым в сельском хозяйстве, которое имеет такие преимущества, как гранулированное, простое в использовании и не имеющее запаха.