Ултразвучно издвајање фосфора из канализационог муља
- Светска потражња за фосфором је у порасту, док је снабдевање природним ресурсима фосфора све мање.
- Канализациони муљ и пепео из канализационог муља су богати фосфором и стога се могу користити као извор за регенерацију фосфора.
- Ултразвучна влажно-хемијска обрада и таложење побољшавају опоравак фосфата из канализационог муља као и из пепела спаљеног муља и чини опоравак знатно економичнијим.
фосфор
Фосфор (фосфор, П) је необновљив ресурс, који се у великој мери користи у пољопривреди као ђубриво, као иу многим индустријама, где је фосфор вредан адитив (нпр. боје, детерџенти за веш, успоривачи пламена, храна за животиње). Канализациони муљ, пепео из спаљеног канализационог муља (ИССА), стајњак и ефлуенти млека су богати фосфором, што их чини извором за опоравак фосфора у погледу ограничених ресурса фосфора као и еколошких проблема.
Стопе извлачења фосфора из токова течних отпадних вода могу достићи 40 до 50%, док стопе опоравка из канализационог муља и пепела из канализационог муља могу достићи и до 90%. Фосфор се може исталожити у многим облицима, а један од њих је струвит (цењен као висококвалитетно ђубриво са спорим ослобађањем). Да би рекултивација фосфора била економична, процес опоравка се мора побољшати. Ултразвук је метода која интензивира процес који убрзава процес и повећава принос опорављених минерала.
Ултразвучни опоравак фосфора
Под ултразвуком, вредни материјали као што су струвит (магнезијум амонијум фосфат (МАП)), калцијум фосфат, хидроксиапатит (ХАП) / калцијум хидроксиапатит, октакалцијум фосфат, трикалцијум фосфат и дикалцијум фосфат дихидрат се могу опоравити. Ултразвучни третман побољшава влажну хемијску екстракцију, као и таложење и кристализацију (сонокристализацију) вредних материјала из канализационог муља и пепела спаљеног муља.
Док је садржај фосфора (8-10%), гвожђа (10-15%) и алуминијума (5-10%) у пепелу моноспаљеног канализационог муља прилично висок, он такође садржи токсичне тешке метале као што је олово, кадмијум, бакар и цинк.
Пхопсхорус Рецовери – Процес у два корака
-
- екстракција киселине
Први корак опоравка фосфора је екстракција или испирање фосфора из канализационог муља или пепела из спаљеног канализационог муља (ИССА) коришћењем киселине као што је сумпорна киселина или хлороводонична киселина. Ултразвучно мешање промовише влажно хемијско испирање повећањем преноса масе између киселине и ИССА тако да се брзо постиже потпуно испирање фосфора. Корак претходног третмана коришћењем етилендиаминтетраацетатне киселине (ЕДТА) може се користити за побољшање поступка екстракције.
-
- Преципитатион оф Пхоспхорус
Ултразвучна кристализација значајно повећава преципитацију фосфата повећањем тачака засијавања и убрзавањем адсорпције и агрегације молекула како би се формирао кристал. Ултразвучна преципитација фосфора из канализационог муља и ИССА може се постићи нпр. коришћењем магнезијум хидроксида и амонијум хидроксида. Настали талог је струвит, једињење које се састоји од магнезијума, амонијума, фосфора и кисеоника.
Сонокристализација Струвита
Ултразвучно дисперговање промовише пренос масе између фаза и покреће нуклеацију и раст кристала за фосфате (нпр. струвит / МАП).
Ултразвучна инлине преципитација и кристализација струвита омогућавају третман великих количина у индустријским размерама. Проблем прераде великог тока канализационог муља може се решити континуираним ултразвучним процесом, који убрзава кристализацију струвита и побољшава величину кристала производећи мање, уједначеније честице фосфата. Дистрибуција величине преципитираних честица је одређена брзином нуклеације и накнадном брзином раста кристала. Убрзана нуклеација и инхибирани раст су кључни фактори за таложење честица кристалног фосфата, односно струвита, у воденом раствору. Ултрасоницатион је метода интензивирања процеса која побољшава мешање како би се добила хомогена дистрибуција реактивних јона.
Познато је да ултразвучна преципитација даје ужу дистрибуцију величине честица, мању величину кристала, контролну морфологију и као и брзу брзину нуклеације.
Кристали струвита исталожени из ефлуента свиња (извор: Ким ет ал. 2017)
Добри резултати падавина могу се постићи на пример са ПО3-4 : НХ+4 : Мг2+ у односу 1 : 3 : 4. Опсег пХ од 8 до 10 доводи до максималног ослобађања фосфата П
Ултразвук је веома ефикасна техника која интензивира процесе за промовисање таложења вредних материјала као што су калцијум фосфат, магнезијум амонијум фосфат (МАП) и хидроксиапатит (ХАП), калцијум хидроксиапатит, октакалцијум фосфат, трикалцијум фосфат дифат дифат воде из воде. Канализациони муљ, ђубриво и ефлуенти млека познати су као отпадне воде богате хранљивим материјама, које су погодне за производњу вредних материјала путем ултразвучне преципитације.
Формирање кристала струвита:
Мг2+ + НХ+4 + ХПО2-4 + Х2О –> МгНХ4ПО4 ∙ 6Х2О + Х+
Ултразвучни процесори велике снаге од лабораторијских до пилотских и индустријских размера.
Индустријска ултразвучна опрема за испирање и преципитацију
Ултразвучни системи и реактори високих перформанси су потребни за третирање пепела од спаљеног канализационог муља (ИССА) и канализационог муља на индустријском нивоу. Хиелсцхер Ултрасоницс је специјализован за дизајн и производњу ултразвучне опреме велике снаге – од лабораторијских и стоних до потпуно индустријских јединица. Хиелсцхер ултрасоникатори су робусни и направљени за рад 24/7 под пуним оптерећењем у захтевним окружењима. Додатна опрема као што су реактори са проточним ћелијама различите геометрије, сонотроде (ултразвучне сонде) и бустер рогови омогућавају оптимално прилагођавање ултразвучног система захтевима процеса. У циљу обраде великих токова запремине, Хиелсцхер нуди ултразвучне јединице од 4кВ, 10кВ и 16кВ, које се лако могу комбиновати паралелно са ултразвучним кластерима.
Хиелсцхер-ови софистицирани ултрасоникатори поседују дигитални екран осетљив на додир за лак рад и прецизну контролу параметара процеса.
Лакоћа за коришћење и једноставан, сигуран рад су кључне карактеристике Хиелсцхер ултрасоникатора. Даљинска контрола претраживача омогућава рад и контролу ултразвучног система преко рачунара, паметног телефона или таблета.
Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата:
| Батцх Волуме | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20Л | 0.2 до 4Л/мин | УИП2000хдТ |
| 10 до 100 л | 2 до 10 л/мин | УИП4000хдТ |
| на | 10 до 100 л/мин | УИП16000 |
| на | већи | кластер оф УИП16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Литература/Референце
- Доддс, Јохн А.; Еспиталиер, Фабиенне; Лоуиснард, Оливиер; Гросије, Ромен; Давид, Рене; Хассоун, Мириам; Баиллон, Фабиен; Гатумел, Цендрин; Лицзко, Натхалие (2007): Ефекат ултразвука на процесе кристализације-преципитације: Неки примери и нови модел сегрегације. Партицле анд Партицле Системс Цхарацтеризатион, Вилеи-ВЦХ Верлаг, 2007, 24 (1), стр.18-28
- Кхарбанда, А.; Прасанна, К. (2016): Екстракција нутријената из млечних отпадних вода у облику МАП (магнезијум амонијум фосфата) и ХАП (хидроксиапатита). Расаиан Јоурнал оф Цхемистри Вол. 9, бр. 2; 2016. 215-221.
- Ким, Д.; Јин Мин, К.; Лее, К.; Иу, МС:; Парк, КИ (2017): Ефекти пХ, моларних односа и претходног третмана на опоравак фосфора кроз кристализацију струвита из ефлуента анаеробно дигестиране свињске отпадне воде. Инжењерска истраживања животне средине 22(1), 2017. 12-18.
- Рахман, М., Саллех, М., Ахсан, А., Хоссаин, М., Ра, Ц. (2014): Производња кристалног ђубрива са спорим ослобађањем из отпадних вода кроз кристализацију струвита. арапски. Ј. Цхем. 7, 139–155.
Чињенице које вреди знати
Како функционише ултразвучна преципитација?
Ултрасоницатион утиче на нуклеацију и раст кристала, процес познат као сонокристализација.
Прво, примена ултразвука омогућава да се утиче на брзину нуклеације, где се из течног раствора формирају чврсти кристали. Ултрасонд велике снаге ствара кавитацију, што је раст и имплозија вакуумских мехурића у течном медију. Имплозија вакуумских мехурића уводи енергију у систем и смањује критични вишак слободне енергије. Тиме се тачке засијавања и нуклеација покрећу великом брзином иу најранијем времену. На граници између кавитационог мехурића и раствора, половина молекула растворене супстанце је растворена растварачем, док је друга половина површине молекула прекривена кавитационим мехурићем, тако да се брзина растворљивости смањује. Спречава се поновно растварање молекула растворене супстанце, док се коагулација молекула у раствору повећава.
Друго, соникација подстиче раст кристала. Ултразвучно мешање промовише раст кристала повећањем преноса масе и агрегације молекула.
Резултати постигнути соникацијом могу се контролисати помоћу режима соникације:
Континуирана соникација:
Континуирани ултразвучни третман раствора производи многа места нуклеације, тако да се ствара велики број малих кристала
пулсна соникација:
Примена пулсне/цикличне соникације омогућава прецизну контролу над величином кристала
Соникација за покретање нуклеације:
Када се ултразвук примени само на почетку процеса кристализације, формира се коначан број језгара, која потом расту до веће величине.
Користећи ултразвучну обраду током кристализације, на брзину раста, величину и облик кристалних структура може се утицати и контролисати. Различите опције соникације чине процесе соно-кристализације прецизно контролисаним и поновљивим.
ултразвучна кавитација
Када ултразвук високог интензитета прође кроз течни медијум, таласи високог притиска (компресија) и ниског притиска (разређивање) се смењују кроз течност. Када је негативан притисак изазван ултразвучним таласом који прелази преко течности довољно велик, растојање између молекула течности прелази минималну молекуларну удаљеност потребну да течност остане нетакнута, а затим се течност распада тако да се стварају вакуумски мехурићи или празнине. . Ти вакуумски мехурићи су такође познати као кавитација мехурићи.
Кавитациони мехурићи који се користе за ултразвучне апликације као што су мешање, Дисперсинг, глодање, Екстракција итд. настају под интензитетом ултразвука већим од 10 Вцм2. Кавитациони мехурићи расту током неколико акустичних циклуса ниског/високог притиска све док не достигну димензију у којој не могу да апсорбују више енергије. Када кавитациони мехур достигне своју максималну величину, он снажно имплодира током циклуса компресије. Насилни колапс пролазног кавитационог мехура ствара екстремне услове као што су веома високе температуре и притисци, веома високе разлике притиска и температуре и млазови течности. Те силе су извор хемијских и механичких ефеката који се користе у ултразвучним апликацијама. Сваки колапсирајући мехур може се сматрати микрореактором у коме се тренутно стварају температуре од неколико хиљада степени и притисци већи од хиљаду атмосфера [Суслицк ет ал 1986].
Ултразвучна екстракција се заснива на акустичној кавитацији и њеним хидродинамичким смичним силама
фосфор
Фосфор је есенцијални ресурс који се не може обновити и стручњаци већ предвиђају да ће свет погодити “фосфор пик”, односно време од кога понуда више не може да задовољи повећану тражњу, у цца. 20 година. Европска комисија је већ класификовала фосфор као критичну сировину.
Канализацијски муљ се често користи као ђубриво за расипање поља. Међутим, пошто канализациони муљ не садржи само вредне фосфате, већ и штетне тешке метале и органске загађиваче, многе земље, попут Немачке, законом ограничавају колико се отпадног муља може користити као ђубриво. Многе земље као што је Немачка имају строге прописе о ђубривима, који стриктно ограничавају контаминацију тешким металима. Пошто је фосфор ограничен ресурс, немачка Уредба о канализационом муљу из 2017. захтева од оператера канализационих постројења да рециклирају фосфате.
Фосфор се може добити из отпадних вода, канализационог муља, као и из пепела спаљеног канализационог муља.
фосфат
Фосфат, неорганска хемикалија, је со фосфорне киселине. Неоргански фосфати се копају да би се добио фосфор за употребу у пољопривреди и индустрији. У органској хемији, фосфат, или органофосфат, је естар фосфорне киселине.
Не мешајте назив фосфор са елементом фосфор (хемијски симбол П). То су две различите ствари. Вишевалентни неметал азотне групе, фосфор се обично налази у неорганским фосфатним стенама.
Органски фосфати су важни у биохемији и биогеохемији.
Фосфат је назив јона ПО43-. Фосфорна киселина је, с друге стране, назив трипротинске киселине Х3ПО3. Ово је комбинација 3 Х+ јони и један фосфит (ПО33-) јон.
Фосфор је хемијски елемент који има симбол П и атомски број 15. Једињења фосфора се такође широко користе у експлозивима, нервним агенсима, шибицама, ватрометима, пестицидима, пастама за зубе и детерџентима.
струвите
Струвит, такође познат као магнезијум амонијум фосфат (МАП), је фосфатни минерал са хемијском формулом НХ4МгПО4·6Х2О. Струвит кристалише у орторомбичком систему као бели до жућкасти или браонкасто-бели пирамидални кристали или у облику тромбоцита. Будући да је меки минерал, струвит има Мохсову тврдоћу од 1,5 до 2 и ниску специфичну тежину од 1,7. У неутралним и алкалним условима струвит је тешко растворљив, али се лако може растворити у киселини. Кристали струвита се формирају када у отпадној води постоји однос мола и мола (1:1:1) магнезијума, амонијака и фосфата. Сва три елемента – магнезијум, амонијак и фосфат – су нормално присутни у отпадним водама: магнезијум који долази углавном из земље, морске воде и воде за пиће, амонијак се разлаже из урее у отпадним водама, а фосфат који долази из хране, сапуна и детерџената у отпадну воду. Са ова три елемента присутна је већа вероватноћа да се струвит формира при вишим пХ вредностима, вишој проводљивости, нижим температурама и вишим концентрацијама магнезијума, амонијака и фосфата. Обећавајуће је обнављање фосфора из отпадних вода као струвита и рециклажа тих хранљивих материја као ђубрива за пољопривреду.
Струвите је драгоцено минерално ђубриво са спорим ослобађањем које се користи у пољопривреди, које има предности у томе што је гранулирано, лако за употребу и без мириса.