Ултразвучно поновно добијање фосфора из канализационог муља
- Светска потражња за фосфором расте, док су природни ресурси фосфора све оскуднији.
- Канализациони муљ и пепео канализационог муља богати су фосфором и стога се могу користити као извор за поновно добијање фосфора.
- Ултразвучна влажнохемијска обрада и таложење побољшавају поновно добијање фосфата из канализационог муља, као и из пепела спаљеног муља, и чине овај поступак знатно економичнијим.
Фосфор
Фосфор (фосфор, P) је необновљив ресурс који се у великој мери користи у пољопривреди као ђубриво, као и у многим индустријама, где је фосфор драгоцен додатак (нпр. у бојама, детерџентима за прање веша, успоривачима горења и храни за животиње). Канализациони муљ, пепео спаљеног канализационог муља (ISSA), стајњак и отпадне воде из млекара богати су фосфором, што их чини изворима за поновно добијање фосфора с обзиром на ограниченост ресурса фосфора и бригу о животној средини.
Степен поновног добијања фосфора из токова течних отпадних вода може достићи 40 до 50%, док степен поновног добијања из канализационог муља и пепела канализационог муља може достићи и до 90%. Фосфор се може исталожити у многим облицима, а један од њих је струвит (цењен као висококвалитетно ђубриво са спорим ослобађањем хранљивих материја). Да би поновно добијање фосфора било економично, поступак се мора побољшати. Ултразвучна обрада је метода интензификације процеса која убрзава процес и повећава принос поново добијених минерала.
Ултразвучно поновно добијање фосфора
Ултразвучном обрадом се из отпадних токова могу поново добити драгоцени материјали као што су струвит (магнезијум-амонијум-фосфат (MAP)), калцијум-фосфат, хидроксиапатит (HAP) / калцијум-хидроксиапатит, октакалцијум-фосфат, трикалцијум-фосфат и дикалцијум-фосфат дихидрат. Ултразвучна обрада побољшава влажнохемијску екстракцију, као и таложење и кристализацију (сонокристализацију) драгоцених материјала из канализационог муља и пепела спаљеног муља.
Иако је садржај фосфора (8–10%), гвожђа (10–15%) и алуминијума (5–10%) у пепелу добијеном спаљивањем искључиво канализационог муља прилично висок, овај пепео садржи и токсичне тешке метале као што су олово, кадмијум, бакар и цинк.
Поновно добијање фосфора – поступак у два корака
-
- Киселинска екстракција
Први корак поновног добијања фосфора јесте екстракција или излуживање фосфора из канализационог муља или пепела спаљеног канализационог муља (ISSA) помоћу киселине, као што су сумпорна или хлороводонична киселина. Ултразвучно мешање подстиче влажнохемијско излуживање повећањем преноса масе између киселине и ISSA, тако да се потпуно излуживање фосфора постиже брзо. За побољшање поступка екстракције може се применити корак претходне обраде етилендиаминтетрасирћетном киселином (EDTA).
-
- Таложење фосфора
Ултразвучна кристализација значајно побољшава таложење фосфата повећањем броја места за настанак кристалних клица и убрзавањем адсорпције и агрегације молекула ради формирања кристала. Ултразвучно таложење фосфора из канализационог муља и ISSA може се постићи, на пример, употребом магнезијум-хидроксида и амонијум-хидроксида. Добијени талог је струвит, једињење које се састоји од магнезијума, амонијума, фосфора и кисеоника.
Сонокристализација струвита
Ултразвучно дисперговање поспешује пренос масе између фаза и покреће нуклеацију и раст кристала фосфата (нпр. струвита / MAP).
Ултразвучно таложење и кристализација струвита у протоку омогућавају обраду токова велике запремине у индустријским размерама. Проблем обраде великог тока канализационог муља може се решити континуираним ултразвучним процесом, који убрзава кристализацију струвита и побољшава величину кристала, стварајући мање, уједначеније честице фосфата. Расподела величине исталожених честица одређена је брзином нуклеације и накнадном брзином раста кристала. Убрзана нуклеација и успорен раст кључни су фактори за таложење кристалних честица фосфата, односно струвита, у воденом раствору. Ултразвучна обрада је метода интензивирања процеса која побољшава мешање ради постизања хомогене расподеле реактивних јона.
Познато је да се ултразвучним таложењем постижу ужа расподела величине честица, мањи кристали, морфологија која се може контролисати, као и велика брзина нуклеације.
Кристали струвита исталожени из отпадних вода са свињске фарме (извор: Kim et al. 2017)
Добри резултати таложења могу се постићи, на пример, са PO3-4 : NH+4 : Mg2+ у односу 1 : 3 : 4. Опсег pH од 8 до 10 доводи до максималног ослобађања фосфатног P
Ултразвучна обрада је високо ефикасна техника интензивирања процеса којом се поспешује таложење вредних материјала, као што су калцијум-фосфат, магнезијум-амонијум-фосфат (MAP) и хидроксиапатит (HAP), калцијум-хидроксиапатит, октакалцијум-фосфат, трикалцијум-фосфат и дикалцијум-фосфат дихидрат, из отпадних вода. Познато је да су канализациони муљ, стајњак и отпадне воде из млекара отпадне воде богате хранљивим материјама, погодне за производњу вредних материјала таложењем уз помоћ ултразвука.
Формирање кристала струвита:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Ултразвучни процесори велике снаге за лабораторијске, пилотске и индустријске размере.
Индустријска ултразвучна опрема за излуживање и таложење
За обраду пепела од спаљеног канализационог муља (ISSA) и канализационог муља у индустријским размерама потребни су ултразвучни системи и реактори високих перформанси. Hielscher Ultrasonics је специјализован за пројектовање и производњу ултразвучне опреме велике снаге – од лабораторијских и стоних до потпуно индустријских уређаја. Ултразвучни уређаји Hielscher су робусни и конструисани за рад 24/7 под пуним оптерећењем у захтевним окружењима. Прибор, као што су реактори са проточним ћелијама различитих геометрија, сонотроде (ултразвучне сонде) и појачивачи амплитуде, омогућава оптимално прилагођавање ултразвучног система захтевима процеса. За обраду токова велике запремине, Hielscher нуди ултразвучне уређаје снаге 4kW, 10kW и 16kW, који се лако могу паралелно повезати у ултразвучне кластере.
Напредни ултразвучни уређаји Hielscher имају дигитални екран осетљив на додир за једноставно руковање и прецизну контролу параметара процеса.
Прилагођеност кориснику и једноставан, безбедан рад кључне су одлике ултразвучних уређаја Hielscher. Даљинско управљање путем прегледача омогућава управљање ултразвучним системом и његову контролу преко рачунара, паметног телефона или таблета.
Табела у наставку даје оквирни приказ приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | већи | кластер уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Литература/референце
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Утицај ултразвука на процесе кристализације и таложења: неколико примера и нови модел сегрегације. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), pp.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Екстракција хранљивих материја из отпадних вода млекарске индустрије у облику MAP (магнезијум-амонијум-фосфата) и HAP (хидроксиапатита). Rasayan Journal of Chemistry Vol. 9, No. 2; 2016. 215–221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Утицаји pH, моларних односа и предтретмана на издвајање фосфора кристализацијом струвита из ефлуента анаеробно дигестованих отпадних вода са свињских фарми. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12–18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Производња кристалног ђубрива са спорим ослобађањем хранљивих материја из отпадних вода кристализацијом струвита. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Чињенице које вреди знати
Како функционише ултразвучно таложење?
Ултразвучна обрада утиче на нуклеацију и раст кристала, процес познат као сонокристализација.
Прво, примена ултразвука омогућава утицај на брзину нуклеације, при којој се из течног раствора формирају чврсти кристали. Ултразвук велике снаге ствара кавитацију, односно раст и имплозију вакуумских мехурића у течној средини. Имплозија вакуумских мехурића уноси енергију у систем и смањује критични вишак слободне енергије. Тиме се места зачетка кристализације и нуклеација стварају великом брзином и у најранијем тренутку. На граници између кавитационог мехурића и раствора, једну половину молекула растворене супстанце солватише растварач, док је друга половина површине молекула прекривена кавитационим мехурићем, тако да се брзина солватације смањује. Поновно растварање молекула растворене супстанце се спречава, док се коагулација молекула у раствору повећава.
Друго, соникација подстиче раст кристала. Ултразвучно мешање подстиче раст кристала повећањем преноса масе и агрегације молекула.
Резултати постигнути соникацијом могу се контролисати режимом соникације:
Континуирана соникација:
Континуирана ултразвучна обрада раствора ствара многа места нуклеације, тако да настаје велики број малих кристала
Пулсна соникација:
Примена пулсне / цикличне соникације омогућава прецизну контролу величине кристала
Соникација за покретање нуклеације:
Када се ултразвук примењује само на почетку процеса кристализације, формира се коначан број кристалних језгара, која затим расту до веће величине.
Применом ултразвучне обраде током кристализације може се утицати на брзину раста, величину и облик кристалних структура и контролисати их. Различите могућности соникације омогућавају прецизну контролу и поновљивост процеса сонокристализације.
Ултразвучна кавитација
Када ултразвук високог интензитета пролази кроз течну средину, таласи високог притиска (компресије) и ниског притиска (разређења) наизменично се простиру кроз течност. Када је негативни притисак изазван проласком ултразвучног таласа кроз течност довољно велик, растојање између молекула течности премашује минимално међумолекулско растојање потребно да се очува целовитост течности, а затим се течност прекида тако да настају вакуумски мехурићи или шупљине. Ти вакуумски мехурићи познати су и као кавитациони мехурићи.
Кавитациони мехурићи који се користе у применама ултразвука велике снаге, као што су мешање, дисперговање, млевење, екстракција итд., настају при интензитетима ултразвука већим од 10 Wcm2. Кавитациони мехурићи расту током више акустичких циклуса ниског / високог притиска све док не достигну величину при којој више не могу да апсорбују енергију. Када кавитациони мехурић достигне своју максималну величину, он снажно имплодира током циклуса компресије. Снажан колапс пролазног кавитационог мехурића ствара екстремне услове, као што су веома високе температуре и притисци, веома велике разлике притиска и температуре и млазеви течности. Те силе су извор хемијских и механичких ефеката који се користе у ултразвучним применама. Сваки мехурић који колабира може се сматрати микрореактором у којем тренутно настају температуре од неколико хиљада степени и притисци виши од хиљаду атмосфера [Suslick et al 1986].
Ултразвучна екстракција заснива се на акустичкој кавитацији и њеним хидродинамичким силама смицања
Фосфор
Фосфор је есенцијалан, необновљив ресурс, а стручњаци већ предвиђају да ће свет за приближно 20 година достићи „врхунац снабдевања фосфором“, односно тренутак од којег снабдевање више неће моћи да задовољи повећану потражњу. Европска комисија је већ сврстала фосфор у критичне сировине.
Канализациони муљ се често користи као ђубриво које се расипа по њивама. Међутим, пошто канализациони муљ поред вредних фосфата садржи и штетне тешке метале и органске загађујуће материје, многе земље, попут Немачке, законски ограничавају количину канализационог муља која се може користити као ђубриво. Многе земље, попут Немачке, имају строге прописе о ђубривима, који строго ограничавају контаминацију тешким металима. Пошто је фосфор ограничен ресурс, немачка Уредба о канализационом муљу из 2017. године обавезује оператере постројења за пречишћавање отпадних вода да рециклирају фосфате.
Фосфор се може поново добити из отпадних вода, канализационог муља, као и из пепела спаљеног канализационог муља.
Фосфат
Фосфат, неорганско хемијско једињење, јесте со фосфорне киселине. Неоргански фосфати се експлоатишу ради добијања фосфора за употребу у пољопривреди и индустрији. У органској хемији, фосфат, односно органофосфат, јесте естар фосфорне киселине.
Не мешајте енглески назив „phosphorous“ са елементом фосфором (енглески „phosphorus“, хемијски симбол P). То су две различите ствари. Фосфор је вишевалентни неметал из групе азота који се обично налази у неорганским фосфатним стенама.
Органски фосфати су важни у биохемији и биогеохемији.
Фосфат је назив за јон PO43-. Фосфораста киселина је, с друге стране, назив за трипротонску киселину H3PO3. То је комбинација 3 H+ јона и једног фосфитног (PO33-) јона.
Фосфор је хемијски елемент са симболом P и атомским бројем 15. Једињења фосфора се такође широко користе у експлозивима, нервним бојним отровима, шибицама које се пале трењем, ватрометима, пестицидима, пастама за зубе и детерџентима.
Струвит
Струвит, познат и као магнезијум-амонијум-фосфат (MAP), јесте фосфатни минерал са хемијском формулом NH4MgPO4·6H2O. Струвит кристалише у орторомбичном систему у облику белих до жућкастих или смеђебелих пирамидалних кристала или у плочастим облицима. Као мек минерал, струвит има тврдоћу по Мосу од 1,5 до 2 и ниску релативну густину од 1,7. У неутралним и алкалним условима струвит је слабо растворљив, али се лако раствара у киселини. Кристали струвита настају када су магнезијум, амонијак и фосфат у отпадној води присутни у молском односу 1:1:1. Сва три елемента – магнезијум, амонијак и фосфат – обично су присутна у отпадној води: магнезијум потиче углавном из земљишта, морске воде и воде за пиће, амонијак настаје разградњом урее у отпадној води, а фосфат доспева у отпадну воду из хране, сапуна и детерџената. Када су ова три елемента присутна, већа је вероватноћа да ће струвит настати при вишим pH вредностима, већој проводљивости, нижим температурама и вишим концентрацијама магнезијума, амонијака и фосфата. Издвајање фосфора из токова отпадне воде у облику струвита и рециклажа тих хранљивих материја ради употребе као ђубрива у пољопривреди представљају перспективан приступ.
Струвит је вредно минерално ђубриво са спорим ослобађањем хранљивих материја које се користи у пољопривреди, а његове предности су гранулисан облик, једноставна употреба и одсуство мириса.