Ultrazvukové získavanie fosforu z čistiarenských kalov
- Celosvetový dopyt po fosfore sa zvyšuje, zatiaľ čo ponuka prírodných zdrojov fosforu je čoraz vzácnejšia.
- Splaškové kaly a popol z čistiarenských kalov sú bohaté na fosfor, a preto ich možno použiť ako zdroj na regeneráciu fosforu.
- Ultrazvukové mokré chemické spracovanie a zrážanie zlepšuje regeneráciu fosfátov z čistiarenských kalov, ako aj z popola zo spáleného kalu a výrazne zvyšuje hospodárnosť zhodnocovania.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) je neobnoviteľný zdroj, ktorý sa vo veľkej miere používa v poľnohospodárstve ako hnojivo, ako aj v mnohých priemyselných odvetviach, kde je fosfor cennou prísadou (napr. farby, pracie prostriedky, spomaľovače horenia, krmivo pre zvieratá). Splaškové kaly, spálený splaškový kal (ISSA), hnoj a mliečne odpadové vody sú bohaté na fosfor, čo z nich robí zdroj zhodnocovania fosforu, pokiaľ ide o obmedzený zdroj fosforu, ako aj environmentálne obavy.
Miera regenerácie fosforu z kvapalných odpadových vôd môže dosiahnuť 40 až 50 %, zatiaľ čo miera zhodnocovania z čistiarenských kalov a popola z čistiarenských kalov môže dosiahnuť až 90 %. Fosfor sa môže zrážať v mnohých formách, jednou z nich je struvit (cenený ako vysoko kvalitné hnojivo s pomalým uvoľňovaním). Aby bola regenerácia fosforu ekonomická, musí sa zlepšiť proces obnovy. Ultrazvuk je metóda zintenzívňujúca proces, ktorá urýchľuje proces a zvyšuje výťažnosť získaných minerálov.
Ultrazvukové získavanie fosforu
Pri sonikácii je možné z odpadových tokov získať cenné materiály, ako je struvit (fosforečnan horečnatý amónny (MAP)), fosforečnan vápenatý, hydroxyapatit (HAP) / hydroxyapatit vápenatý, octafosforečnan vápenatý, fosforečnan vápenatý a dihydrát fosforečnanu vápenatého. Ultrazvukové ošetrenie zlepšuje mokro-chemickú extrakciu, ako aj zrážanie a kryštalizáciu (sonokryštalizáciu) cenných materiálov z čistiarenských kalov a z popola spáleného kalu.
Zatiaľ čo obsah fosforu (8-10%), železa (10-15%) a hliníka (5-10%) v popole mono-spáleného splaškového kalu je pomerne vysoký, obsahuje aj toxické ťažké kovy, ako je olovo, kadmium, meď a zinok.
Phopshorus Recovery – Dvojstupňový proces
- extrakcia kyselinou
Prvým krokom regenerácie fosforu je extrakcia alebo lúhovanie fosforu z čistiarenských kalov alebo spáleného popola z čistiarenských kalov (ISSA) pomocou kyseliny, ako je kyselina sírová alebo kyselina chlorovodíková. Ultrazvukové miešanie podporuje mokré chemické vylúhovanie zvýšením prenosu hmoty medzi kyselinou a ISSA, takže sa rýchlo dosiahne úplné vylúhovanie fosforu. Na zlepšenie extrakčného postupu sa môže použiť krok predbežnej úpravy s použitím kyseliny etyléndiamíntetraacetatovej (EDTA).
- Zrážanie fosforu
Ultrazvuková kryštalizácia výrazne zvyšuje zrážanie fosfátov zvýšením miest výsevu a urýchlením adsorpcie a agregácie molekúl za účelom vytvorenia kryštálu. Ultrazvukové zrážanie fosforu z odpadových vôd a ISSA je možné dosiahnuť napr. použitím hydroxidu horečnatého a hydroxidu amónneho. Výslednou zrazeninou je struvit, zlúčenina zložená z horčíka, amónia, fosforu a kyslíka.
Sonokryštalizácia struvitu
Ultrazvuková dispergácia podporuje prenos hmoty medzi fázami a iniciuje nukleáciu a rast kryštálov pre fosfáty (napr. struvit / MAP).
Ultrazvukové inline zrážanie a kryštalizácia struvitu umožňuje ošetrenie veľkoobjemových strút v priemyselnom meradle. Problém spracovania veľkého prúdu splaškových kalov je možné vyriešiť kontinuálnym ultrazvukovým procesom, ktorý urýchľuje kryštalizáciu struvitu a zlepšuje veľkosť kryštálov pri vytváraní menších, rovnomernejších fosfátových častíc. Rozdeľuje sa distribúcia veľkosti vyzrážaných častíc, rýchlosť nukleácie a následná rýchlosť rastu kryštálov. Zrýchlená nukleácia a inhibovaný rast sú kľúčovými faktormi zrážania častíc krystallínfosfátu, t. j. struvita, vo vodnom roztoku. Ultrazvuk je metóda zintenzívňujúca proces, ktorá zlepšuje miešanie, aby sa dosiahla homogénna distribúcia reaktívnych iónov.
Je známe, že ultrazvukové zrážanie poskytuje užšiu distribúciu veľkosti častíc, menšiu veľkosť kryštálov, kontrolovateľnú morfológiu a tiež rýchlu rýchlosť nukleácie.
Kryštály struvitu vyzrážané z odpadových vôd ošípaných (zdroj: Kim et al. 2017)
Dobré výsledky zrážok možno dosiahnuť napríklad pomocou PO3-4 :NH+4 :Mg2+ v pomere 1 : 3 : 4. Rozsah pH 8 až 10 vedie k maximálnemu uvoľňovaniu fosfátu P
Ultrazvuk je vysoko účinná technika zintenzívňujúca proces na podporu zrážania cenných materiálov, ako je fosforečnan vápenatý, fosforečnan horečnatý amónny (MAP) a hydroxyapatit (HAP), hydroxyapatit vápenatý, fosforečnan oktavápenatý, fosforečnan vápenatý a dihydrát fosforečnanu vápenatého z odpadových vôd. Splaškové kaly, hnoj a mliečne odpadové vody sú známe ako odpadové vody bohaté na živiny, ktoré sú vhodné na výrobu cenných materiálov prostredníctvom ultrazvukom podporovaného zrážania.
Tvorba kryštálov struvitu:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Vysokovýkonné ultrazvukové procesory od laboratórneho až po pilotné a priemyselné meradlo.
Priemyselné ultrazvukové zariadenia na lúhovanie a zrážanie
Vysokovýkonné ultrazvukové systémy a reaktory sú potrebné na spracovanie spáleného splaškového kalu (ISSA) a splaškových kalov v priemyselnom meradle. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics sa špecializuje na návrh a výrobu vysokovýkonných ultrazvukových zariadení – od laboratórnych a stolových až po plne priemyselné jednotky. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú robustné a skonštruované pre prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri plnom zaťažení v náročných prostrediach. Príslušenstvo, ako sú reaktory s prietokovými bunkami s rôznymi geometriami, sonotródy (ultrazvukové sondy) a posilňovacie klaksóny, umožňujú optimálne prispôsobenie ultrazvukového systému požiadavkám procesu. Na spracovanie veľkých objemov prúdov ponúka spoločnosť Hielscher ultrazvukové jednotky s výkonom 4 kW, 10 kW a 16 kW, ktoré je možné ľahko kombinovať paralelne s ultrazvukovými klastrami.
Sofistikované ultrazvukové prístroje Hielscher sú vybavené digitálnym dotykovým displejom pre jednoduchú obsluhu a presné ovládanie parametrov procesu.
Užívateľská prívetivosť a jednoduchá a bezpečná obsluha sú kľúčovými vlastnosťami ultrazvukových prístrojov Hielscher. Diaľkové ovládanie prehliadača umožňuje ovládanie a ovládanie ultrazvukového systému pomocou počítača, smartfónu alebo tabletu.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Literatúra/Referencie
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Vplyv ultrazvuku na kryštalizačno-zrážacie procesy: Niekoľko príkladov a nový segregačný model. Charakterizácia častíc a časticových systémov, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Extrakcia živín z mliečnych odpadových vôd vo forme MAP (fosforečnan horečnatý amónny) a HAP (hydroxyapatit). Rasayan Journal of Chemistry zv. 9, č. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, MS:; Park, K.Y. (2017): Účinky pH, molárnych pomerov a predbežnej úpravy na regeneráciu fosforu kryštalizáciou struvitov z odpadových vôd anaeróbne strávených odpadových vôd ošípaných. Výskum environmentálneho inžinierstva 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Výroba kryštálového hnojiva s pomalým uvoľňovaním z odpadových vôd kryštalizáciou struvitu. Arabský. J. Chem. 7, 139–155.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Ako funguje ultrazvukové zrážanie?
Ultrazvuk ovplyvňuje nukleáciu a rast kryštálov, čo je proces známy ako sonokryštalizácia.
Po prvé, aplikácia ultrazvuku umožňuje ovplyvniť rýchlosť nukleácie, kde sa z kvapalného roztoku tvoria pevné kryštály. Vysokovýkonný ultrasond vytvára kavitáciu, čo je rast a implózia vákuových bublín v kvapalnom médiu. Implózia vákuových bublín zavádza energiu do systému a znižuje kritickú prebytočnú voľnú energiu. Tým sa výsevné body a nukleácia iniciujú vysokou rýchlosťou a v najskoršom čase. Na rozhraní medzi kavitačnou bublinou a roztokom je polovica molekuly rozpustenej látky solvatovaná rozpúšťadlom, zatiaľ čo druhá polovica povrchu molekuly je pokrytá kavitačnou bublinou, takže rýchlosť solvatácie sa zníži. Zabráni sa opätovnému rozpusteniu molekuly rozpustenej látky, zatiaľ čo sa zvyšuje koagulácia molekúl v roztoku.
Po druhé, sonikácia podporuje rast kryštálov. Ultrazvukové miešanie podporuje rast kryštálov zvýšením prenosu hmoty a agregácie molekúl.
Výsledky dosiahnuté sonikáciou je možné ovládať režimom sonikácie:
Nepretržitá sonikácia:
Kontinuálna ultrazvuková úprava roztoku vytvára veľa nukleačných miest, takže sa vytvára veľké množstvo malých kryštálov
Pulzná sonikácia:
Aplikácia pulznej / cyklovanej sonikácie umožňuje presnú kontrolu nad veľkosťou kryštálov
Sonikácia na začatie nukleácie:
Keď sa ultrazvuk aplikuje až na začiatku procesu kryštalizácie, vytvorí sa konečný počet jadier, ktoré sa potom zväčšia.
Pomocou ultrazvuku počas kryštalizácie je možné ovplyvniť a kontrolovať rýchlosť rastu, veľkosť a tvar kryštálových štruktúr. Vďaka rôznym možnostiam sonikácie sú procesy sonokryštalizácie presne kontrolovateľné a opakovateľné.
ultrazvuková kavitácia
Keď ultrazvuk s vysokou intenzitou prechádza kvapalným médiom, kvapalinou sa striedajú vysokotlakové (kompresné) a nízkotlakové (zriedenie) vlny. Keď je podtlak spôsobený ultrazvukovou vlnou prechádzajúcou kvapalinou dostatočne veľký, vzdialenosť medzi molekulami kvapaliny prekročí minimálnu molekulovú vzdialenosť potrebnú na udržanie kvapaliny neporušenej a potom sa kvapalina rozpadne, takže sa vytvoria vákuové bubliny alebo dutiny. Tieto vákuové bubliny sú známe aj ako Kavitácie Bubliny.
Kavitačné bubliny používané na výkonové ultrazvukové aplikácie, ako je miešanie, Rozptyľuje, Frézovanie, Extrakcia atď. sa vyskytujú pri intenzite ultrazvuku vyššej ako 10 Wcm2. Kavitačné bubliny rastú počas niekoľkých akustických nízkotlakových / vysokotlakových cyklov, kým nedosiahnu rozmer, v ktorom nemôžu absorbovať viac energie. Keď kavitačná bublina dosiahne svoju maximálnu veľkosť, počas kompresného cyklu prudko imploduje. Prudké zrútenie prechodnej kavitačnej bubliny vytvára extrémne podmienky, ako sú veľmi vysoké teploty a tlaky, veľmi vysoké tlakové a teplotné rozdiely a prúdy kvapaliny. Tieto sily sú zdrojom chemických a mechanických účinkov používaných v ultrazvukových aplikáciách. Každú kolabujúcu bublinu možno považovať za mikroreaktor, v ktorom sa okamžite vytvárajú teploty niekoľkých tisíc stupňov a tlaky vyššie ako tisíc atmosfér [Suslick et al 1986].
Ultrazvuková extrakcia je založená na akustickej kavitácii a jej hydrodynamických šmykových silách
fosfor
Fosfor je základný, neobnoviteľný zdroj a odborníci už predpovedajú, že svet zasiahne “fosforový pík”, t. j. čas, od ktorého ponuka už nemôže uspokojiť zvýšený dopyt, o cca 20 rokov. Európska komisia už klasifikovala fosfor ako kritickú surovinu.
Čistiarenské kaly sa často používajú ako hnojivo na poliach. Keďže však splaškové kaly obsahujú nielen cenné fosfáty, ale aj škodlivé ťažké kovy a organické znečisťujúce látky, mnohé krajiny, ako napríklad Nemecko, legislatívou obmedzujú, koľko splaškových kalov sa môže použiť ako hnojivo. Mnohé krajiny, ako napríklad Nemecko, majú prísne predpisy o hnojivách, ktoré prísne obmedzujú kontamináciu ťažkými kovmi. Keďže fosfor je obmedzený zdroj, nemecké nariadenie o splaškových kaloch z roku 2017 vyžaduje, aby prevádzkovatelia čističiek odpadových vôd recyklovali fosfáty.
Fosfor je možné získať z odpadových vôd, čistiarenských kalov, ako aj z popola spálených splaškových kalov.
fosfát
Fosfát, anorganická chemikália, je soľ kyseliny fosforečnej. Anorganické fosfáty sa ťažia na získanie fosforu na použitie v poľnohospodárstve a priemysle. V organickej chémii je fosfát alebo organofosfát ester kyseliny fosforečnej.
Nezamieňajte si názov fosfor s prvkom fosfor (chemická značka P). Sú to dve rôzne veci. Fosfor, multivalentný nekov skupiny dusíka, sa bežne nachádza v anorganických fosfátových horninách.
Organické fosfáty sú dôležité v biochémii a biogeochémii.
Fosfát je názov iónu PO43-. Kyselina fosforečná je na druhej strane názov kyseliny triprotovej H3PO3. Ide o kombináciu 3 H+ iónov a jedného fosfitu (PO33-) ión.
Fosfor je chemický prvok, ktorý má symbol P a atómové číslo 15. Zlúčeniny fosforu sa tiež široko používajú v výbušninách, nervovo paralytických látkach, trecích zápalkách, ohňostrojoch, pesticídoch, zubných pastách a čistiacich prostriedkoch.
struvit
Struvit, tiež označovaný ako fosforečnan horečnatý amónny (MAP), je fosfátový minerál s chemickým vzorcom NH4MgPO4·6H2O. Struvit kryštalizuje v ortorombickej sústave ako biele až žltkasté alebo hnedobiele pyramídové kryštály alebo v platletových formách. Keďže je struvit mäkký minerál, má Mohsovu tvrdosť 1.5 až 2 a nízku špecifickú hmotnosť 1.7. Za neutrálnych a zásaditých podmienok je struvit ťažko rozpustný, ale dá sa ľahko rozpustiť v kyseline. Kryštály struvitu sa tvoria, keď je v odpadových vodách pomer mólov a mólov (1:1:1) horčíka, amoniaku a fosfátu. Všetky tri prvky – horčík, amoniak a fosfát – sú bežne prítomné v odpadových vodách: horčík pochádza najmä z pôdy, morskej vody a pitnej vody, amoniak sa rozkladá z močoviny v odpadových vodách a fosfáty prichádzajúce z potravín, mydiel a čistiacich prostriedkov do odpadových vôd. S prítomnosťou týchto troch prvkov je pravdepodobnejšie, že sa struvit vytvorí pri vyšších hodnotách pH, vyššej vodivosti, nižších teplotách a vyšších koncentráciách horčíka, amoniaku a fosfátu. Sľubné je získavanie fosforu z odpadových vôd ako struvitu a recyklácia týchto živín ako hnojiva pre poľnohospodárstvo.
Struvit je cenné minerálne hnojivo s pomalým uvoľňovaním používané v poľnohospodárstve, ktoré má výhody v tom, že je granulované, ľahko použiteľné a bez zápachu.