Ultrazvočno pridobivanje fosforja iz blata iz čistilnih naprav
- Svetovno povpraševanje po fosforju narašča, medtem ko je oskrba z naravnimi viri fosforja vse redkajša.
- Blato iz čistilnih naprav in pepel iz blata iz čistilnih naprav sta bogata s fosforjem in se zato lahko uporabita kot vir za predelavo fosforja.
- Ultrazvočna mokro-kemična obdelava in obarjanje izboljšuje predelavo fosfata iz blata iz čistilnih naprav in iz pepela sežganega blata ter naredi predelavo bistveno bolj ekonomično.
fosfor
Fosfor (fosfor, P) je neobnovljiv vir, ki se močno uporablja v kmetijstvu kot gnojilo in v številnih industrijah, kjer je fosfor dragocen dodatek (npr. barve, detergenti za perilo, zaviralci gorenja, živalska krma). Blato iz čistilnih naprav, sežgan pepel iz blata iz čistilnih naprav (ISSA), gnoj in mlečne odpadne vode so bogati s fosforjem, zaradi česar so vir za predelavo fosforja glede omejenega vira fosforja in okoljskih vprašanj.
Stopnje predelave fosforja iz tekočih tokov odpadne vode lahko dosežejo 40 do 50%, medtem ko lahko stopnje predelave iz blata iz čistilnih naprav in pepela iz blata iz čistilnih naprav dosežejo do 90%. Fosfor se lahko obori v številnih oblikah, ena od njih je struvit (cenjen kot visokokakovostno gnojilo s počasnim sproščanjem). Da bi bila predelava fosforja ekonomična, je treba izboljšati proces predelave. Ultrasonication je metoda intenziviranja procesa, ki pospešuje proces in povečuje donos pridobljenih mineralov.
Ultrazvočno pridobivanje fosforja
Pri ultrazvočni obdelavi se lahko iz tokov odpadkov pridobijo dragoceni materiali, kot so struvit (magnezijev amonijev fosfat (MAP)), kalcijev fosfat, hidroksiapatit (HAP) / kalcijev hidroksiapatit, oktakalcijev fosfat, trikalcijev fosfat in dikalcijev fosfat dihidrat. Ultrazvočna obdelava izboljšuje mokro-kemično ekstrakcijo ter obarjanje in kristalizacijo (sonokristalizacijo) dragocenih materialov iz blata iz čistilnih naprav in iz pepela sežganega blata.
Medtem ko je vsebnost fosforja (8-10%), železa (10-15%) in aluminija (5-10%) v pepelu mono-sežiganega blata iz čistilnih naprav precej visoka, vsebuje tudi strupene težke kovine, kot so svinec, kadmij, baker in cink.
Okrevanje Phopshorus – Dvostopenjski postopek
-
- kislinska ekstrakcija
Prvi korak pridobivanja fosforja je ekstrakcija ali izpiranje fosforja iz blata iz čistilnih naprav ali sežiganega pepela iz blata iz čistilnih naprav (ISSA) z uporabo kisline, kot je žveplova kislina ali klorovodikova kislina. Ultrazvočno mešanje spodbuja mokro-kemično izpiranje s povečanjem prenosa mase med kislino in ISSA, tako da se hitro doseže popolno izpiranje fosforja. Za izboljšanje postopka ekstrakcije se lahko uporabi faza predobdelave z uporabo etilendiamintetraacetatne kisline (EDTA).
-
- Obarjanje fosforja
Ultrazvočna kristalizacija znatno poveča obarjanje fosfatov s povečanjem semenskih točk in pospeševanjem adsorpcije in agregacije molekul, da se oblikuje kristal. Ultrazvočno obarjanje fosforja iz kanalizacijskih polžev in ISSA je mogoče doseči npr. z uporabo magnezijevega hidroksida in amonijevega hidroksida. Nastala oborina je struvit, spojina, sestavljena iz magnezija, amonijaka, fosforja in kisika.
Sonokristalizacija struvita
Ultrazvočna disperzija spodbuja prenos mase med fazami in sproži nukleacijo in rast kristalov za fosfate (npr. struvit / MAP).
Ultrazvočno inline obarjanje in kristalizacija struvita omogoča obdelavo velikih prostornin stramov v industrijskem merilu. Vprašanje predelave velikega toka blata iz čistilnih naprav je mogoče rešiti z neprekinjenim ultrazvočnim postopkom, ki pospešuje kristalizacijo struvita in izboljša velikost kristalov, ki proizvajajo manjše, bolj enakomerne fosfatne delce. Določi se porazdelitev velikosti oborenih delcev, hitrost nukleacije in kasnejša hitrost rasti kristalov. Pospešena nukleacija in zavirana rast sta ključna dejavnika za obarjanje kristalnih fosfatnih delcev, tj. struvita, v vodni raztopini. Ultrasonication je metoda intenziviranja procesa, ki izboljša mešanje, da se doseže homogena porazdelitev reaktivnih ionov.
Znano je, da ultrazvočne padavine dajejo ožjo porazdelitev velikosti delcev, manjšo velikost kristalov, nadzorovano morfologijo in hitro hitrost nukleacije.
Kristali struvita, oborjeni iz prašičjih odpadnih voda (vir: Kim et al. 2017)
Dobre rezultate padavin je mogoče doseči na primer z PO3-4 :NH+4 :Mg2+ v razmerju 1 : 3 : 4. Območje pH od 8 do 10 vodi do največjega sproščanja fosfata P
Ultrasonication je zelo učinkovita tehnika intenziviranja procesov za spodbujanje obarjanja dragocenih materialov, kot so kalcijev fosfat, magnezijev amonijev fosfat (MAP) in hidroksiapatit (HAP), kalcijev hidroksiapatit, oktakalcijev fosfat, trikalcijev fosfat in dikalcijev fosfat dihidrat iz odpadne vode. Blato iz čistilnih naprav, gnoj in mlečne odpadne vode so znane kot odpadna voda, bogata s hranili, ki je primerna za proizvodnjo dragocenih materialov z ultrazvočno podprto obarjanjem.
Nastajanje kristalov struvita:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Ultrazvočni procesorji visoke moči od laboratorija do pilotnega in industrijskega obsega.
Industrijska ultrazvočna oprema za izpiranje in padavine
Visoko zmogljivi ultrazvočni sistemi in reaktorji so potrebni za obdelavo sežiganega blata iz čistilnih naprav (ISSA) in blata iz čistilnih naprav v industrijskem obsegu. Hielscher Ultrasonics je specializiran za načrtovanje in izdelavo ultrazvočne opreme visoke moči – od laboratorijskih in namiznih do popolnoma industrijskih enot. Hielscher ultrazvočni aparati so robustni in izdelani za 24/7 delovanje pri polni obremenitvi v zahtevnih okoljih. Dodatki, kot so reaktorji pretočnih celic z različnimi geometrijami, sonotrode (ultrazvočne sonde) in ojačevalni rogovi, omogočajo optimalno prilagoditev ultrazvočnega sistema zahtevam procesa. Za obdelavo velikih količin tokov Hielscher ponuja ultrazvočne enote 4kW, 10kW in 16kW, ki jih je mogoče enostavno kombinirati vzporedno z ultrazvočnimi grozdi.
Hielscherjevi prefinjeni ultrazvočni aparati imajo digitalni zaslon na dotik za enostavno upravljanje in natančen nadzor procesnih parametrov.
Prijaznost do uporabnika in enostavno in varno delovanje sta ključni lastnosti ultrazvočnih aparatov Hielscher. Daljinski nadzor brskalnika omogoča delovanje in nadzor ultrazvočnega sistema prek računalnika, pametnega telefona ali tabličnega računalnika.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura/Reference
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Učinek ultrazvoka na procese kristalizacije in obarjanja: Nekaj primerov in nov model segregacije. Karakterizacija delcev in sistemov delcev, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), str.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Ekstrakcija hranil iz mlečnih odpadnih voda v obliki MAP (magnezijev amonijev fosfat) in HAP (hidroksiapatit). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, št. 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, MS:; Park, K.Y. (2017): Učinki pH, molarnih razmerij in predobdelave na predelavo fosforja s kristalizacijo struvita iz odplak anaerobno prebavljene odpadne vode prašičev. Raziskave okoljskega inženiringa 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Proizvodnja kristalnega gnojila s počasnim sproščanjem iz odpadnih voda s kristalizacijo struvita. Arabski. J. Chem. 7, 139–155.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Kako delujejo ultrazvočne padavine?
Ultrasonication vpliva na nukleacijo in rast kristalov, proces, znan kot Sonokristalizacija.
Prvič, uporaba ultrazvoka omogoča vpliv na hitrost nukleacije, kjer se iz tekoče raztopine oblikujejo trdni kristali. Ultrasond visoke moči ustvarja kavitacijo, ki je rast in implozija vakuumskih mehurčkov v tekočem mediju. Implozija vakuumskih mehurčkov vnaša energijo v sistem in zmanjšuje kritično presežek proste energije. S tem se sejalne točke in nukleacija začnejo z veliko hitrostjo in v najkrajšem času. Na vmesniku med kavitacijskim mehurčkom in raztopino polovico molekule topila solvatira, medtem ko je druga polovica površine molekule prekrita s kavitacijskim mehurčkom, tako da se hitrost solvatacije zmanjša. Prepreči se ponovno raztapljanje molekule topila, medtem ko se poveča koagulacija molekul v raztopini.
Drugič, ultrazvočno razbijanje spodbuja rast kristalov. Ultrazvočno mešanje spodbuja rast kristalov s povečanjem prenosa mase in agregacije molekul.
Rezultate, dosežene s ultrazvočnim razbijanjem, lahko nadzorujemo z načinom ultrazvočnega razbijanja:
Neprekinjeno ultrazvočno razbijanje:
Neprekinjena ultrazvočna obdelava raztopine proizvaja veliko nukleacijskih mest, tako da se ustvari veliko število majhnih kristalov
Impulzno ultrazvočno razbijanje:
Uporaba impulzne / ciklične ultrazvočne razbijanje omogoča natančen nadzor nad velikostjo kristalov
Sonication za začetek nukleacije:
Ko se ultrazvok uporablja šele na začetku procesa kristalizacije, nastane končno število jeder, ki se nato povečajo do večje velikosti.
Z uporabo ultrasonication med kristalizacijo je mogoče vplivati in nadzorovati stopnjo rasti, velikost in obliko kristalnih struktur. Različne možnosti ultrazvočne razbijanje omogočajo natančno nadzorovane in ponovljive procese sonokristalizacije.
Ultrazvočna kavitacija
Ko ultrazvok visoke intenzivnosti prečka tekoči medij, se skozi tekočino izmenjujejo visokotlačni (kompresijski) in nizkotlačni (redčenje) valovi. Ko je negativni tlak, ki ga povzroča ultrazvočni val, ki prečka tekočino, dovolj velik, razdalja med molekulami tekočine presega najmanjšo molekularno razdaljo, ki je potrebna za ohranjanje tekočine nedotaknjene, nato pa se tekočina razgradi, tako da nastanejo vakuumski mehurčki ali praznine. Ti vakuumski mehurčki so znani tudi kot Kavitacija Mehurčki.
Kavitacijski mehurčki, ki se uporabljajo za ultrazvočne aplikacije, kot je mešanje, Razpršitvijo, Rezkanje, Ekstrakcija itd. se pojavljajo pri ultrazvočnih intenzivnostih, višjih od 10 Wcm2. Kavitacijski mehurčki rastejo v več akustičnih nizkotlačnih / visokotlačnih ciklih, dokler ne dosežejo dimenzije, kjer ne morejo absorbirati več energije. Ko kavitacijski mehurček doseže svojo največjo velikost, med ciklom stiskanja silovito implodira. Siloviti kolapi prehodnega kavitacijskega mehurčka ustvarjajo ekstremne pogoje, kot so zelo visoke temperature in tlaki, zelo visoke tlakne in temperaturne razlike ter curki tekočine. Te sile so vir kemičnih in mehanskih učinkov, ki se uporabljajo v ultrazvočnih aplikacijah. Vsak propadajoči mehurček lahko obravnavamo kot mikroreaktor, v katerem se takoj ustvarijo temperature več tisoč stopinj in tlaki, višji od tisoč atmosfer [Suslick et al 1986].
Ultrazvočna ekstrakcija temelji na akustični kavitaciji in njenih hidrodinamičnih strižnih silah
fosfor
Fosfor je bistveni, neobnovljiv vir in strokovnjaki že napovedujejo, da bo svet prizadel “fosforni vrh”, tj. čas, od katerega ponudba ne more več zadovoljiti povečanega povpraševanja, v približno 20 letih. Evropska komisija je fosfor že uvrstila med kritične surovine.
Blato iz čistilnih naprav se pogosto uporablja kot gnojilo, ki se širi po poljih. Ker pa blato iz čistilnih naprav ne vsebuje le dragocenih fosfatov, temveč tudi škodljive težke kovine in organska onesnaževala, številne države, kot je Nemčija, z zakonodajo omejujejo, koliko blata iz čistilnih naprav se lahko uporablja kot gnojilo. Številne države, kot je Nemčija, imajo stroge predpise o gnojilih, ki strogo omejujejo kontaminacijo s težkimi kovinami. Ker je fosfor omejen vir, nemška uredba o blatu iz čistilnih naprav iz leta 2017 zahteva, da upravljavci čistilnih naprav reciklirajo fosfate.
Fosfor se lahko predela iz odpadne vode, blata iz čistilnih naprav in iz pepela sežganega blata iz čistilnih naprav.
fosfat
Fosfat, anorganska kemikalija, je sol fosforne kisline. Anorganski fosfati se kopajo za pridobivanje fosforja za uporabo v kmetijstvu in industriji. V organski kemiji je fosfat ali organofosfat ester fosforne kisline.
Ne zamenjujte imena fosfor z elementom fosfor (kemični simbol P). To sta dve različni stvari. Večvalentna nekovina dušikove skupine, fosfor se običajno nahaja v anorganskih fosfatnih kamninah.
Organski fosfati so pomembni v biokemiji in biogeokemiji.
Fosfat je ime ionskega PO43-. Fosforna kislina pa je ime triprotske kisline H3PO3. To je kombinacija 3 H+ ioni in en fosfit (PO33-) ion.
Fosfor je kemični element, ki ima simbol P in atomsko število 15. Fosforjeve spojine se pogosto uporabljajo tudi v eksplozivih, živčnih strupih, tornih vžigalicah, ognjemetih, pesticidih, zobni pasti in detergentih.
struvit
Struvit, imenovan tudi magnezijev amonijev fosfat (MAP), je fosfatni mineral s kemijsko formulo NH4MgPO4·6H2O. Struvit kristalizira v ortorombičnem sistemu kot beli do rumenkasti ali rjavkasto-beli piramidni kristali ali v obliki ploščat. Ker je mehak mineral, ima struvit Mohsovo trdoto 1,5 do 2 in nizko specifično težo 1,7. V nevtralnih in alkalnih pogojih je struvit težko topen, vendar se lahko zlahka raztopi v kislini. Kristali struvita nastanejo, ko je v odpadni vodi razmerje med molom in molom (1: 1: 1) magnezija, amoniaka in fosfata. Vsi trije elementi – magnezij, amoniak in fosfat – so običajno prisotni v odpadni vodi: magnezij prihaja predvsem iz tal, morske vode in pitne vode, amoniak se razgrajuje iz sečnine v odpadni vodi, fosfat pa prihaja iz hrane, mila in detergentov v odpadno vodo. S temi tremi elementi je bolj verjetno, da se struvit tvori pri višjih pH vrednostih, višji prevodnosti, nižjih temperaturah in višjih koncentracijah magnezija, amoniaka in fosfata. Pridobivanje fosforja iz odpadnih vodotokov v obliki struvita in recikliranje teh hranil kot gnojilo za kmetijstvo je obetavno.
Struvit je dragoceno mineralno gnojilo s počasnim sproščanjem, ki se uporablja v kmetijstvu, ki ima prednosti, da je zrnato, enostavno za uporabo in brez vonja.