Arıtma Çamurundan Ultrasonik Fosfor Geri Kazanımı
- Dünya genelinde fosfora olan talep artarken, doğal fosfor kaynaklarının arzı giderek azalmaktadır.
- Arıtma çamuru ve arıtma çamuru külü fosfor bakımından zengindir ve bu nedenle fosforu geri kazanmak için kaynak olarak kullanılabilir.
- Ultrasonik yaş kimyasal işleme ve çöktürme, hem arıtma çamurundan hem de yakılmış çamurun külünden fosfat geri kazanımını iyileştirir ve geri kazanımı önemli ölçüde daha ekonomik hale getirir.
Fosfor
Fosfor (phosphor, P), tarımda gübre olarak ve fosforun değerli bir katkı maddesi olduğu birçok endüstride (ör. boyalar, çamaşır deterjanları, alev geciktiriciler, hayvan yemleri) yoğun biçimde kullanılan, yenilenemeyen bir kaynaktır. Arıtma çamuru, yakılmış arıtma çamuru külü (ISSA), hayvan gübresi ve süt endüstrisi atık suları fosfor bakımından zengindir; bu da onları hem fosfor kaynaklarının sınırlılığı hem de çevresel kaygılar açısından fosfor geri kazanımı için bir kaynak haline getirir.
Sıvı atık su akımlarından fosfor geri kazanım oranları %40–50’ye ulaşabilirken, arıtma çamuru ve arıtma çamuru külünden geri kazanım oranları %90’a kadar ulaşabilir. Fosfor birçok biçimde çöktürülebilir; bunlardan biri strüvittir (yüksek kaliteli, yavaş salınımlı bir gübre olarak değerlidir). Fosfor geri kazanımını ekonomik hale getirmek için geri kazanım sürecinin iyileştirilmesi gerekir. Ultrasonikasyon, süreci hızlandıran ve geri kazanılan minerallerin verimini artıran bir proses 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 akımlarından geri kazanılabilir. Ultrasonik işlem, arıtma çamurundan ve yakılmış çamurun külünden değerli malzemelerin yaş kimyasal ekstraksiyonunu, çöktürülmesini ve kristalizasyonunu (sonokristalizasyon) iyileştirir.
Tek başına yakılan arıtma çamurunun külündeki fosfor (%8–10), demir (%10–15) ve alüminyum (%5–10) içeriği oldukça yüksek olmakla birlikte, bu kül kurşun, kadmiyum, bakır ve çinko gibi toksik ağır metaller de içerir.
Fosfor Geri Kazanımı – İki Aşamalı Bir Proses
-
- Asitle Ekstraksiyon
Fosfor geri kazanımının ilk aşaması, sülfürik asit veya hidroklorik asit gibi bir asit kullanılarak arıtma çamurundan veya yakılmış arıtma çamuru külünden (ISSA) fosforun ekstraksiyonu veya liç edilmesidir. Ultrasonik karıştırma, asit ile ISSA arasındaki kütle transferini artırarak yaş kimyasal liçi destekler; böylece fosforun tamamen liç edilmesi hızla sağlanır. Ekstraksiyon işlemini iyileştirmek için etilendiamintetraasetik asit (EDTA) kullanılan bir ön işlem aşaması uygulanabilir.
-
- Fosforun Çöktürülmesi
Ultrasonik kristalizasyon, tohumlanma noktalarını artırarak ve kristal oluşturmak üzere moleküllerin adsorpsiyonunu ve agregasyonunu hızlandırarak fosfatların çöktürülmesini önemli ölçüde iyileştirir. Arıtma çamurundan ve ISSA’dan fosforun ultrasonik çöktürülmesi, örneğin magnezyum hidroksit ve amonyum hidroksit kullanılarak gerçekleştirilebilir. Elde edilen çökelti, magnezyum, amonyum, fosfor ve oksijenden oluşan bir bileşik olan strüvittir.
Strüvitin Sonokristalizasyonu
Ultrasonik dispersiyon, fazlar arasındaki kütle transferini destekler ve fosfatlar (ör. strüvit / MAP) için çekirdeklenmeyi ve kristal büyümesini başlatır.
Strüvitin hat içi ultrasonik çöktürülmesi ve kristalizasyonu, büyük hacimli akımların endüstriyel ölçekte işlenmesine olanak tanır. Büyük bir arıtma çamuru akımının işlenmesi sorunu, strüvitin kristalizasyonunu hızlandıran ve daha küçük, daha tekdüze fosfat parçacıkları üreterek kristal boyutunu iyileştiren sürekli bir ultrasonik prosesle çözülebilir. Çöktürülen parçacıkların boyut dağılımını çekirdeklenme hızı ve bunu izleyen kristal büyüme hızı belirler. Hızlandırılmış çekirdeklenme ve baskılanmış büyüme, sulu bir çözeltide kristalin fosfat parçacıklarının, yani strüvitin çöktürülmesi için temel faktörlerdir. Ultrasonikasyon, reaktif iyonların homojen dağılımını elde etmek için karıştırmayı iyileştiren bir proses yoğunlaştırma yöntemidir.
Ultrasonik çöktürmenin daha dar parçacık boyutu dağılımı, daha küçük kristal boyutu, kontrol edilebilir morfoloji ve hızlı çekirdeklenme hızı sağladığı bilinmektedir.
Domuz yetiştiriciliği atık suyundan çöktürülmüş strüvit kristalleri (kaynak: Kim et al. 2017)
Örneğin, PO3-4 : NH+4 : Mg2+ için 1 : 3 : 4 oranında iyi çöktürme sonuçları elde edilebilir. 8–10 pH aralığı, maksimum fosfat P salınımına yol açar
Ultrasonikasyon, kalsiyum fosfat, magnezyum amonyum fosfat (MAP) ve hidroksiapatit (HAP), kalsiyum hidroksiapatit, oktakalsiyum fosfat, trikalsiyum fosfat ve dikalsiyum fosfat dihidrat gibi değerli malzemelerin atık sudan çöktürülmesini destekleyen, yüksek verimliliğe sahip bir proses yoğunlaştırma tekniğidir. Arıtma çamuru, hayvan gübresi ve süt endüstrisi atık suları, ultrason destekli çöktürme yoluyla değerli malzemelerin üretimine uygun, besin maddeleri bakımından zengin atık sular olarak bilinir.
Strüvit kristali oluşumu:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Laboratuvardan pilot ve endüstriyel ölçeğe yüksek güçlü ultrasonik işlemciler.
Liç ve Çöktürme İçin Endüstriyel Ultrasonik Ekipman
Yakılmış arıtma çamuru külünü (ISSA) ve arıtma çamurunu endüstriyel ölçekte işlemek için yüksek performanslı ultrasonik sistemler ve reaktörler gereklidir. Hielscher Ultrasonics, laboratuvar ve tezgâh üstü cihazlardan tamamen endüstriyel ünitelere kadar yüksek güçlü ultrasonik ekipmanın tasarımı ve üretiminde uzmanlaşmıştır. Hielscher sonikatörleri sağlamdır ve zorlu ortamlarda tam yük altında 24/7 çalışacak şekilde üretilmiştir. Çeşitli geometrilere sahip akış hücresi reaktörleri, sonotrotlar (ultrasonik problar) ve genlik artırıcı hornlar gibi aksesuarlar, ultrasonik sistemin proses gerekliliklerine en uygun şekilde uyarlanmasına olanak tanır. Büyük hacimli akımları işlemek için Hielscher, paralel olarak kolayca birleştirilip ultrasonik kümeler oluşturabilen 4kW, 10kW ve 16kW ultrasonik üniteler sunar.
Hielscher’in gelişmiş sonikatörleri, kolay kullanım ve proses parametrelerinin hassas kontrolü için dijital dokunmatik ekrana sahiptir.
Kullanıcı dostu olma ve kolay, güvenli kullanım, Hielscher sonikatörlerinin temel özellikleridir. Tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol, ultrasonik sistemin PC, akıllı telefon veya tablet aracılığıyla çalıştırılmasına ve kontrol edilmesine olanak tanır.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| Uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| Uygulanamaz | daha yüksek | sonikatör kümesi: UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Literatür/Kaynaklar
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Ultrasonun kristalizasyon–çöktürme prosesleri üzerindeki etkisi: Bazı örnekler ve yeni bir segregasyon modeli. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), ss.18–28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Süt Endüstrisi Atık Suyundan Besin Maddelerinin MAP (Magnezyum Amonyum Fosfat) ve HAP (Hidroksiapatit) Biçiminde Ekstraksiyonu. Rasayan Journal of Chemistry Cilt 9, Sayı 2; 2016. 215–221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Anaerobik olarak çürütülmüş domuz yetiştiriciliği atık suyunun çıkış suyundan strüvit kristalizasyonu yoluyla fosfor geri kazanımına pH, molar oranlar ve ön işlemin etkileri. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12–18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Strüvit kristalizasyonu yoluyla atık sulardan yavaş salınımlı kristal gübre üretimi. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Bilinmesi Gerekenler
Ultrasonik Çöktürme Nasıl Çalışır?
Ultrasonikasyon, sonokristalizasyon olarak bilinen bir proses olan çekirdeklenme ve kristal büyümesini etkiler.
İlk olarak, ultrason uygulaması, sıvı bir çözeltiden katı kristallerin oluştuğu çekirdeklenme hızını etkilemeye olanak tanır. Yüksek güçlü ultrason, sıvı bir ortamda vakum kabarcıklarının büyümesi ve içe doğru çökmesi olan kavitasyonu oluşturur. Vakum kabarcıklarının içe doğru çökmesi sisteme enerji aktarır ve kritik fazla serbest enerjiyi azaltır. Böylece tohumlanma noktalarının oluşumu ve çekirdeklenme, yüksek bir hızda ve en erken zamanda başlatılır. Kavitasyon kabarcığı ile çözelti arasındaki ara yüzeyde, bir çözünen molekülünün yarısı çözücü tarafından solvatlanırken, molekül yüzeyinin diğer yarısı kavitasyon kabarcığıyla kaplanır; böylece solvatasyon hızı azalır. Çözünen molekülünün yeniden çözünmesi önlenirken, çözeltideki moleküllerin koagülasyonu artar.
İkinci olarak, sonikasyon kristal büyümesini destekler. Ultrasonik karıştırma, kütle transferini ve moleküllerin agregasyonunu artırarak kristallerin büyümesini destekler.
Sonikasyonla elde edilen sonuçlar, sonikasyon modu aracılığıyla kontrol edilebilir:
Sürekli sonikasyon:
Çözeltinin sürekli ultrasonik işleme tabi tutulması çok sayıda çekirdeklenme bölgesi oluşturur; böylece çok sayıda küçük kristal meydana gelir
Darbeli sonikasyon:
Darbeli / çevrimli sonikasyon uygulaması, kristal boyutunun hassas biçimde kontrol edilmesine olanak tanır
Çekirdeklenmeyi başlatmak için sonikasyon:
Ultrason yalnızca kristalizasyon prosesinin başlangıcında uygulandığında, sonlu sayıda çekirdek oluşur ve bunlar daha sonra daha büyük boyutlara ulaşacak şekilde büyütülür.
Kristalizasyon sırasında ultrasonikasyon kullanılarak kristal yapıların büyüme hızı, boyutu ve şekli etkilenebilir ve kontrol edilebilir. Çeşitli sonikasyon seçenekleri, sonokristalizasyon proseslerini hassas biçimde kontrol edilebilir ve tekrarlanabilir hale getirir.
Ultrasonik Kavitasyon
Yüksek yoğunluklu ultrason sıvı bir ortamdan geçerken, yüksek basınç (sıkıştırma) ve düşük basınç (seyrekleşme) dalgaları sıvı boyunca dönüşümlü olarak ilerler. Sıvıdan geçen bir ultrasonik dalganın neden olduğu negatif basınç yeterince büyük olduğunda, sıvının molekülleri arasındaki mesafe, sıvıyı bir arada tutmak için gereken minimum moleküller arası mesafeyi aşar; ardından sıvının bütünlüğü bozulur ve vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşur. Bu vakum kabarcıkları kavitasyon kabarcıkları olarak da bilinir.
Karıştırma, dispersiyon, öğütme, ekstraksiyon vb. güçlü ultrason uygulamalarında kullanılan kavitasyon kabarcıkları, 10 Wcm2 üzerindeki ultrason yoğunluklarında oluşur. Kavitasyon kabarcıkları, daha fazla enerji soğuramayacakları bir boyuta ulaşana kadar birkaç akustik düşük basınç / yüksek basınç çevrimi boyunca büyür. Bir kavitasyon kabarcığı maksimum boyutuna ulaştığında, bir sıkıştırma çevrimi sırasında şiddetle içe doğru çöker. Geçici bir kavitasyon kabarcığının şiddetle çökmesi, çok yüksek sıcaklıklar ve basınçlar, çok yüksek basınç ve sıcaklık farkları ve sıvı jetleri gibi aşırı koşullar oluşturur. Bu kuvvetler, ultrasonik uygulamalarda kullanılan kimyasal ve mekanik etkilerin kaynağıdır. Çöken her kabarcık, birkaç bin derecelik sıcaklıkların ve bin atmosferin üzerindeki basınçların anlık olarak oluştuğu bir mikroreaktör olarak değerlendirilebilir [Suslick et al 1986].
Ultrasonik ekstraksiyon, akustik kavitasyona ve onun hidrodinamik kesme kuvvetlerine dayanır
Fosfor
Fosfor, temel ve yenilenemeyen bir kaynaktır; uzmanlar, dünyanın yaklaşık 20 yıl içinde “fosfor zirvesine”, yani arzın artan talebi artık karşılayamayacağı döneme ulaşacağını şimdiden öngörmektedir. Avrupa Komisyonu, fosforu halihazırda kritik bir ham madde olarak sınıflandırmıştır.
Arıtma çamuru, tarlalara yayılan bir gübre olarak sıklıkla kullanılır. Ancak arıtma çamuru yalnızca değerli fosfat değil, aynı zamanda zararlı ağır metaller ve organik kirleticiler de içerdiğinden, Almanya gibi birçok ülke gübre olarak kullanılabilecek arıtma çamuru miktarını mevzuatla sınırlar. Almanya gibi birçok ülkede, ağır metal kirliliğini sıkı biçimde sınırlayan katı gübre mevzuatları vardır. Fosfor sınırlı bir kaynak olduğundan, 2017 tarihli Alman Arıtma Çamuru Yönetmeliği, atık su arıtma tesisi işletmecilerinin fosfatları geri dönüştürmesini zorunlu kılar.
Fosfor, atık sudan, arıtma çamurundan ve yakılmış arıtma çamurunun külünden geri kazanılabilir.
Fosfat
İnorganik bir kimyasal olan fosfat, fosforik asidin bir tuzudur. Tarım ve endüstride kullanılmak üzere fosfor elde etmek için inorganik fosfatlar madencilik yoluyla çıkarılır. Organik kimyada fosfat veya organofosfat, fosforik asidin bir esteridir.
İngilizce “phosphorous” adını, fosfor elementiyle (İngilizce “phosphorus”, kimyasal sembolü P) karıştırmayın. Bunlar iki farklı şeydir. Azot grubundan çok değerlikli bir ametal olan fosfor, yaygın olarak inorganik fosfat kayaçlarında bulunur.
Organik fosfatlar, biyokimya ve biyojeokimyada önemlidir.
Fosfat, PO43- iyonunun adıdır. Fosforöz asit ise triprotik asit H3PO3’ün adıdır. Bu, 3 H+ iyonu ile bir fosfit (PO33-) iyonunun birleşimidir.
Fosfor, sembolü P ve atom numarası 15 olan kimyasal elementtir. Fosfor bileşikleri ayrıca patlayıcılarda, sinir ajanlarında, sürtünmeyle yanan kibritlerde, havai fişeklerde, pestisitlerde, diş macunlarında ve deterjanlarda yaygın olarak kullanılır.
Strüvit
Magnezyum amonyum fosfat (MAP) olarak da adlandırılan strüvit, kimyasal formülü NH4MgPO4·6H2O olan bir fosfat mineralidir. Strüvit, ortorombik sistemde beyazdan sarımsıya veya kahverengimsi beyaza değişen piramit biçimli kristaller ya da levhacık benzeri biçimler halinde kristalleşir. Yumuşak bir mineral olan strüvitin Mohs sertliği 1,5–2 ve düşük özgül ağırlığı 1,7’dir. Nötr ve alkali koşullarda strüvit çok az çözünür, ancak asitte kolayca çözünebilir. Atık suda magnezyum, amonyak ve fosfatın mol oranı (1:1:1) olduğunda strüvit kristalleri oluşur. Üç elementin tümü – magnezyum, amonyak ve fosfat – normalde atık suda bulunur: magnezyum esas olarak topraktan, deniz suyundan ve içme suyundan gelir; amonyak, atık sudaki ürenin parçalanmasıyla oluşur; fosfat ise gıdalardan, sabunlardan ve deterjanlardan atık suya geçer. Bu üç element mevcut olduğunda, daha yüksek pH değerlerinde, daha yüksek iletkenlikte, daha düşük sıcaklıklarda ve daha yüksek magnezyum, amonyak ve fosfat konsantrasyonlarında strüvit oluşması daha olasıdır. Atık su akımlarından fosforun strüvit olarak geri kazanılması ve bu besin maddelerinin tarım için gübre olarak geri dönüştürülmesi umut vericidir.
Strüvit, tarımda kullanılan değerli bir yavaş salınımlı mineral gübredir; granül biçiminde olması, kullanımının kolay olması ve kokusuz olması gibi avantajlara sahiptir.