Arıtma Çamurundan Ultrasonik Fosfor Geri Kazanımı
- Dünya çapında fosfor talebi artarken, doğal fosfor kaynaklarının arzı azalmaktadır.
- Arıtma çamuru ve arıtma çamuru külü fosfor açısından zengindir ve bu nedenle fosforu geri kazanmak için kaynak olarak kullanılabilir.
- Ultrasonik ıslak-kimyasal işleme ve çökeltme, arıtma çamurundan ve yakılan çamurun külünden fosfatın geri kazanımını iyileştirir ve geri kazanımı önemli ölçüde daha ekonomik hale getirir.
fosfor
Fosfor (fosfor, P), tarımda gübre olarak ve fosforun değerli bir katkı maddesi olduğu birçok endüstride (örneğin boyalar, çamaşır deterjanları, alev geciktiriciler, hayvan yemi) yoğun olarak kullanılan, yenilenemeyen bir kaynaktır. Arıtma çamuru, yakılan arıtma çamuru külü (ISSA), gübre ve süt ürünleri atık suları fosfor açısından zengindir, bu da onları sınırlı fosfor kaynağı ve çevresel kaygılar açısından fosfor geri kazanımı için bir kaynak haline getirir.
Sıvı atık su akışlarından fosfor geri kazanım oranları @ ila 50'ye ulaşabilirken, arıtma çamuru ve arıtma çamuru külünden geri kazanım oranları �'a kadar çıkabilmektedir. Fosfor birçok biçimde çökeltilebilir, bunlardan biri strüvittir (yüksek kaliteli, yavaş salınan bir gübre olarak değerlendirilir). Fosfor ıslahını ekonomik hale getirmek için, geri kazanım sürecinin iyileştirilmesi gerekir. Ultrasonikasyon, süreci hızlandıran ve geri kazanılan minerallerin verimini artıran bir süreç yoğunlaştırma yöntemidir.
Ultrasonik Fosfor Geri Kazanımı
Sonikasyon altında, strüvit (magnezyum amonyum fosfat (MAP)), kalsiyum fosfat, hidroksiapatit (HAP) / kalsiyum hidroksiapatit, oktakalsiyum fosfat, trikalsiyum fosfat ve dikalsiyum fosfat dihidrat gibi değerli malzemeler atık akışlarından geri kazanılabilir. Ultrasonik işlem, ıslak-kimyasal ekstraksiyonun yanı sıra kanalizasyon çamurundan ve yakılan çamurun külünden değerli malzemelerin çökeltme ve kristalizasyonunu (sono-kristalizasyon) geliştirir.
Tek taraflı yakılan arıtma çamurunun külündeki fosfor (%8-10), demir (-15) ve alüminyum (%5-10) içeriği oldukça yüksek olmakla birlikte, kurşun, kadmiyum, bakır ve çinko gibi toksik ağır metaller de içermektedir.
Phopshorus Kurtarma – İki Adımlı Bir Süreç
-
- Asit ekstraksiyonu
Fosfor geri kazanımının ilk adımı, sülfürik asit veya hidroklorik asit gibi bir asit kullanılarak arıtma çamurundan veya yakılmış arıtma çamuru külünden (ISSA) fosforun çıkarılması veya süzülmesidir. Ultrasonik karıştırma, asit ve ISSA arasındaki kütle transferini artırarak ıslak kimyasal sızıntıyı teşvik eder, böylece tam bir fosfor sızıntısı hızlı bir şekilde elde edilir. Ekstraksiyon prosedürünü iyileştirmek için etilendiamintetraasetetik asit (EDTA) kullanan bir ön işlem adımı kullanılabilir.
-
- Fosforun çökelmesi
Ultrasonik kristalizasyon, tohumlama noktalarını artırarak ve bir kristal oluşturmak için moleküllerin adsorpsiyonunu ve toplanmasını hızlandırarak fosfatların çökelmesini önemli ölçüde artırır. Kanalizasyon sümüklü böceği ve ISSA'dan fosforun ultrasonik çökeltilmesi, örneğin magnezyum hidroksit ve amonyum hidroksit kullanılarak elde edilebilir. Elde edilen çökelti, magnezyum, amonyum, fosfor ve oksijenden oluşan bir bileşik olan strüvittir.
Strüvitin Sonokristalizasyonu
Ultrasonik dispersiyon, fazlar arasındaki kütle transferini teşvik eder ve fosfatlar için çekirdeklenmeyi ve kristal büyümesini başlatır (örneğin, struvit / MAP).
Ultrasonik hat içi çökeltme ve strüvitin kristalizasyonu, endüstriyel ölçekte büyük hacimli stramların işlenmesine izin verir. Büyük bir arıtma çamuru akışının işlenmesi sorunu, strüvitin kristalleşmesini hızlandıran ve daha küçük, daha homojen fosfat parçacıkları üreten kristal boyutunu iyileştiren sürekli bir ultrasonik işlemle çözülebilir. Çökelmiş parçacıkların boyut dağılımı, çekirdeklenme hızı ve ardından gelen kristal büyüme hızı belirlenir. Hızlandırılmış çekirdeklenme ve engellenmiş büyüme, kristalin fosfat parçacıklarının, yani strüvitin sulu bir çözelti içinde çökeltilmesi için anahtar faktörlerdir. Ultrasonikasyon, reaktif iyonların homojen bir dağılımını elde etmek için harmanlamayı geliştiren bir işlem yoğunlaştırma yöntemidir.
Ultrasonik çökeltmenin daha dar parçacık boyutu dağılımı, daha küçük kristal boyutu, kontrol edilebilir morfoloji ve hızlı çekirdeklenme oranı sağladığı bilinmektedir.
Domuz atık suyundan çökelen strüvit kristalleri (kaynak: Kim et al. 2017)
Örneğin PO ile iyi yağış sonuçları elde edilebilir3-4 :NH+4 :Mg2+ 1 : 3 : 4 oranında. 8 ila 10 arasındaki pH aralığı, maksimum fosfat P salınımına yol açar
Ultrasonication, kalsiyum fosfat, magnezyum amonyum fosfat (MAP) ve hidroksiapatit (HAP), kalsiyum hidroksiapatit, oktakalsiyum fosfat, trikalsiyum fosfat ve atık sudan dikalsiyum fosfat dihidrat gibi değerli malzemelerin çökelmesini teşvik etmek için oldukça verimli bir süreç yoğunlaştırma tekniğidir. Arıtma çamuru, gübre ve süt atık suları, ultrasonik destekli çökeltme yoluyla değerli malzemelerin üretimi için uygun olan, besin açısından zengin atık su olarak bilinir.
Strüvit kristal oluşumu:
Mg2+ + NH+4 + HPO (Sorumlu Çalışanlar)2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Laboratuvardan pilota ve endüstriyel ölçeğe kadar yüksek güçlü ultrasonik işlemciler.
Liç ve Çökeltme için Endüstriyel Ultrasonik Ekipman
Yanmış atık su çamuru külü (ISSA) ve kanalizasyon çamurunu endüstriyel ölçekte arıtmak için yüksek performanslı ultrasonik sistemler ve reaktörler gereklidir. Hielscher Ultrasonics, yüksek güçlü ultrasonik ekipmanların tasarımı ve üretiminde uzmanlaşmıştır – laboratuvar ve tezgah üstünden tamamen endüstriyel ünitelere kadar. Hielscher ultrasonicators sağlam ve zorlu ortamlarda tam yük altında 7/24 çalışma için üretilmiştir. Çeşitli geometrilere sahip akış hücresi reaktörleri, sonotrodlar (ultrasonik problar) ve güçlendirici kornalar gibi aksesuarlar, ultrasonik sistemin proses gereksinimlerine en iyi şekilde uyarlanmasını sağlar. Büyük hacimli akışları işlemek için Hielscher, ultrasonik kümelere paralel olarak kolayca birleştirilebilen 4kW, 10kW ve 16kW ultrasonik üniteler sunar.
Hielscher'ın sofistike ultrasonicators, kolay kullanım ve işlem parametrelerinin hassas kontrolü için dijital bir dokunmatik ekrana sahiptir.
Kullanıcı dostu ve kolay, güvenli bir işlem Hielscher ultrasonicators temel özellikleridir. Uzaktan tarayıcı kontrolü, ultrasonik sistemin PC, akıllı telefon veya tablet üzerinden çalıştırılmasına ve kontrol edilmesine izin verir.
Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir:
| Numune Hacmi | Akış Oranı | Önerilen Cihaz |
|---|---|---|
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha büyük | grubu UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sor!
Literatür/Referanslar
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; Davut, Rene; Hassun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Ultrasonun kristalleşme-çökelme süreçleri üzerindeki etkisi: Bazı örnekler ve yeni bir ayrışma modeli. Parçacık ve Parçacık Sistemleri Karakterizasyonu, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), s.18-28
- Harbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Süt Atık Sularından Besin Maddelerinin MAP (Magnezyum Amonyum Fosfat) ve HAP (Hidroksiapatit) Şeklinde Ekstraksiyonu. Rasayan Kimya Dergisi Cilt 9, Sayı 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Anaerobik olarak sindirilmiş domuz atık sularının atık suyundan strüvit kristalizasyonu yoluyla fosfor geri kazanımı üzerine pH, molar oranlar ve ön arıtmanın etkileri. Çevre Mühendisliği Araştırması 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Strüvit kristalizasyonu yoluyla atık sulardan yavaş salınan kristal gübre üretimi. Arap. J. Kimya 7, 139–155.
Bilmeye Değer Gerçekler
Ultrasonik Çökeltme Nasıl Çalışır?
Ultrasonication nucleation ve kristal büyümesini etkiler, olarak bilinen bir süreç sonokristalizasyon.
İlk olarak, ultrason uygulaması, sıvı bir çözeltiden katı kristallerin oluştuğu çekirdeklenme oranını etkilemeye izin verir. Yüksek güçlü ultrasond, sıvı bir ortamda vakum kabarcıklarının büyümesi ve patlaması olan kavitasyon oluşturur. Vakum kabarcıklarının patlaması, sisteme enerji verir ve kritik fazla serbest enerjiyi azaltır. Böylece tohumlama noktaları ve çekirdeklenme yüksek oranda ve en erken zamanda başlatılır. Kavitasyon kabarcığı ile çözelti arasındaki arayüzde, bir çözünen molekülün yarısı çözücü tarafından çözülürken, molekül yüzeyinin diğer yarısı kavitasyon kabarcığı ile kaplanır, böylece çözünme hızı azalır. Çözünen molekülün yeniden çözünmesi önlenirken, çözelti içindeki moleküllerin pıhtılaşması artar.
İkincisi, sonikasyon kristal büyümesini teşvik eder. Ultrasonik karıştırma, moleküllerin kütle transferini ve toplanmasını artırarak kristallerin büyümesini teşvik eder.
Sonikasyon ile elde edilen sonuçlar sonikasyon modu tarafından kontrol edilebilir:
Sürekli Sonication:
Çözeltinin sürekli ultrasonik tedavisi birçok çekirdeklenme bölgesi üretir, böylece çok sayıda küçük kristal oluşturulur
Darbeli Sonikasyon:
Darbeli / döngülü sonikasyon uygulaması, kristal boyutu üzerinde hassas kontrol sağlar
Çekirdeklenmeyi başlatmak için sonikasyon:
Ultrason sadece kristalleşme işleminin başlangıcında uygulandığında, daha sonra daha büyük bir boyuta büyütülen sınırlı sayıda çekirdek oluşur.
Kristalleşme sırasında ultrasonikasyon kullanarak, kristal yapıların büyüme hızı, boyutu ve şekli etkilenebilir ve kontrol edilebilir. Sonikasyonun çeşitli seçenekleri, sono-kristalizasyon işlemlerini hassas bir şekilde kontrol edilebilir ve tekrarlanabilir hale getirir.
ultrasonik kavitasyon
Yüksek yoğunluklu ultrason sıvı bir ortamı geçtiğinde, yüksek basınç (sıkıştırma) ve düşük basınç (seyrekleşme) dalgaları sıvı boyunca değişir. Bir sıvıyı geçen bir ultrasonik dalganın neden olduğu negatif basınç yeterince büyük olduğunda, sıvının molekülleri arasındaki mesafe, sıvıyı sağlam tutmak için gereken minimum moleküler mesafeyi aşar ve daha sonra sıvı, vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşacak şekilde parçalanır. Bu vakum kabarcıkları aynı zamanda şu şekilde de bilinir: Kavitasyon Baloncuk -lar.
Karıştırma gibi güç ultrasonik uygulamaları için kullanılan kavitasyon kabarcıkları, dispersiyon, Freze, ekstraksiyon vb. 10 Wcm'den daha yüksek ultrason yoğunlukları altında ortaya çıkar2. Kavitasyon kabarcıkları, daha fazla enerji ememeyecekleri bir boyuta ulaşana kadar birkaç akustik düşük basınç / yüksek basınç döngüsü boyunca büyür. Bir kavitasyon kabarcığı maksimum boyutuna ulaştığında, bir sıkıştırma döngüsü sırasında şiddetli bir şekilde patlar. Geçici bir kavitasyon kabarcığının şiddetli çökmeleri, çok yüksek sıcaklıklar ve basınçlar, çok yüksek basınç ve sıcaklık farkları ve sıvı jetleri gibi aşırı koşullar yaratır. Bu kuvvetler ultrasonik uygulamalarda kullanılan kimyasal ve mekanik etkilerin kaynağıdır. Her çöken baloncuk, birkaç bin derecelik sıcaklıkların ve bin atmosferden daha yüksek basınçların anında yaratıldığı bir mikroreaktör olarak düşünülebilir [Suslick ve ark. 1986].
Ultrasonik ekstraksiyon, akustik kavitasyona ve hidrodinamik kesme kuvvetlerine dayanır
fosfor
Fosfor temel, yenilenemeyen bir kaynaktır ve uzmanlar zaten dünyanın vuracağını tahmin ediyor “fosfor zirvesi”, yani yaklaşık 20 yıl içinde arzın artan talebi artık karşılayamayacağı süre. Avrupa Komisyonu fosforu zaten kritik bir hammadde olarak sınıflandırdı.
Arıtma çamurları genellikle tarlalara yayılan gübre olarak kullanılır. Bununla birlikte, arıtma çamuru sadece değerli fosfat değil, aynı zamanda zararlı ağır metaller ve organik kirleticiler de içerdiğinden, Almanya gibi birçok ülke, arıtma çamurunun gübre olarak ne kadar kullanılabileceğini mevzuatla kısıtlamaktadır. Almanya gibi birçok ülkede, ağır metallerle kontaminasyonu sıkı bir şekilde sınırlayan katı gübre düzenlemeleri vardır. Fosfor sınırlı bir kaynak olduğundan, 2017'den itibaren Alman Arıtma Çamuru Yönetmeliği, kanalizasyon tesisi operatörlerinin fosfatları geri dönüştürmesini gerektirir.
Fosfor, atık sudan, kanalizasyon çamurundan ve ayrıca yakılan kanalizasyon çamurunun külünden geri kazanılabilir.
fosfat
İnorganik bir kimyasal olan fosfat, bir fosforik asit tuzudur. Tarım ve sanayide kullanılmak üzere fosfor elde etmek için inorganik fosfatlar çıkarılır. Organik kimyada, bir fosfat veya organofosfat, fosforik asidin bir esteridir.
Fosfor adını fosfor elementi (kimyasal sembolü P) ile karıştırmayın. İkisi farklı şeyler. Azot grubunun çok değerlikli bir ametali olan fosfor, inorganik fosfat kayalarında yaygın olarak bulunur.
Organik fosfatlar biyokimya ve biyojeokimyada önemlidir.
Fosfat, PO iyonunun adıdır43-. Fosfor asit ise triprotik asit H3PO3'ün adıdır. Bu, 3 H'nin bir kombinasyonudur+ iyonlar ve bir fosfit (PO33-) iyon.
Fosfor, sembolü P ve atom numarası 15 olan kimyasal elementtir. Fosfor bileşikleri ayrıca patlayıcılarda, sinir gazlarında, sürtünme kibritlerinde, havai fişeklerde, böcek ilaçlarında, diş macunlarında ve deterjanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Strüvit
Magnezyum amonyum fosfat (MAP) olarak da adlandırılan strüvit, NH kimyasal formülüne sahip bir fosfat mineralidir4MgPO (MgPO)46 saat2O. Strüvit, ortorombik sistemde beyaz ila sarımsı veya kahverengimsi beyaz piramidal kristaller veya platlet benzeri formlarda kristalleşir. Yumuşak bir mineral olan strüvit, 1,5 ila 2 Mohs sertliğine ve 1,7 gibi düşük bir özgül ağırlığa sahiptir. Nötr ve alkali koşullar altında strüvit neredeyse hiç çözünür değildir, ancak asit içinde kolayca çözülebilir. Strüvit kristalleri, atık suda magnezyum, amonyak ve fosfatın mol / mol oranı (1: 1: 1: 1) olduğunda oluşur. Her üç unsur da – magnezyum, amonyak ve fosfat – normalde atık sularda bulunur: magnezyum esas olarak topraktan, deniz suyundan ve içme suyundan, amonyak atık sudaki üreden parçalanır ve gıda, sabun ve deterjanlardan gelen fosfat atık suya karışır. Bu üç element mevcut olduğunda, strüvitin daha yüksek pH değerlerinde, daha yüksek iletkenlikte, daha düşük sıcaklıklarda ve daha yüksek magnezyum, amonyak ve fosfat konsantrasyonlarında oluşma olasılığı daha yüksektir. Atık su akışlarından fosforun strüvit olarak geri kazanılması ve bu besin maddelerinin tarım için gübre olarak geri dönüştürülmesi umut vericidir.
Strüvit, tarımda kullanılan, granül, kullanımı kolay ve kokusuz olma avantajlarına sahip, yavaş salınan değerli bir mineral gübredir.