Відновлення ультразвукового люмінофора з осаду стічних вод
- Світовий попит на люмінофор зростає, тоді як запаси природних ресурсів фосфору стають дефіцитними.
- Осад стічних вод і зола осаду стічних вод багаті фосфором і тому можуть використовуватися як джерело для відновлення фосфору.
- Ультразвукова вологохімічна обробка і осадження покращує відновлення фосфатів з осаду стічних вод, а також з золи спаленого мулу і робить відновлення значно більш економічним.
фосфор
Фосфор (фосфор, P) є невідновлюваним ресурсом, який активно використовується в сільському господарстві як добриво, а також у багатьох галузях промисловості, де фосфор є цінною добавкою (наприклад, фарби, пральні порошки, антипірени, корми для тварин). Осад стічних вод, спалена зола осаду стічних вод (ISSA), гній і молочні стоки багаті фосфором, що робить їх джерелом відновлення фосфору з огляду на обмежений ресурс фосфору, а також з урахуванням екологічних проблем.
Швидкість вилучення фосфору з потоків рідких стічних вод може досягати від 40 до 50%, тоді як швидкість відновлення з осаду стічних вод і золи осаду стічних вод може досягати до 90%. Фосфор може бути осаджений у багатьох формах, однією з них є струвіт (цінується як високоякісне добриво з повільним вивільненням). Для того, щоб рекультивація фосфору була економічною, необхідно вдосконалити процес відновлення. Ультразвук – це метод інтенсифікації процесу, який прискорює процес і збільшує вихід відновлених мінералів.
Ультразвукове відновлення фосфору
За допомогою ультразвуку з потоків відходів можна відновити цінні матеріали, такі як струвіт (магнієво-амонійфосфат (MAP)), фосфат кальцію, гідроксиапатит (HAP) / гідроксиапатит кальцію, октакальційфосфат, трикальційфосфат і дигідрат дикальційфосфату. Ультразвукова обробка покращує мокро-хімічну екстракцію, а також осадження і кристалізацію (сонокристалізацію) цінних матеріалів з осаду стічних вод і золи спаленого мулу.
Хоча вміст фосфору (8-10%), заліза (10-15%) та алюмінію (5-10%) у золі односпалювального осаду стічних вод досить високий, він також містить токсичні важкі метали, такі як свинець, кадмій, мідь та цинк.
Відновлення Phopshorus – Двоетапний процес
-
- кислотна екстракція
Першим етапом відновлення люмінофора є вилучення або вилуговування фосфору з осаду стічних вод або спаленої золи осаду стічних вод (ISSA) за допомогою кислоти, такої як сірчана кислота або соляна кислота. Ультразвукове змішування сприяє вологому хімічному вилуговуванню шляхом збільшення масообміну між кислотою та ISSA, завдяки чому швидко досягається повне вилуговування фосфору. Етап попередньої обробки з використанням етилендіамінтетраацетатової кислоти (ЕДТА) може бути використаний для покращення процедури екстракції.
-
- Випадання фосфору в атмосферу
Ультразвукова кристалізація значно підсилює осадження фосфатів за рахунок збільшення точок посіву і прискорення адсорбції і агрегації молекул з утворенням кристала. Ультразвукове осадження фосфору з каналізаційного каналу та ISSA може бути досягнуто, наприклад, за допомогою гідроксиду магнію та гідроксиду амонію. Утворений осад є струвітом, сполукою, що складається з магнію, амонію, фосфору та кисню.
Сонокристалізація струвіту
Ультразвукове диспергування сприяє масопереносу між фазами та ініціює зародження та ріст кристалів для фосфатів (наприклад, струвіту / MAP).
Ультразвукове вбудоване осадження і кристалізація струвіту дозволяє проводити обробку страмів великого обсягу в промислових масштабах. Питання переробки великого потоку осаду стічних вод може бути вирішено безперервним ультразвуковим процесом, який прискорює кристалізацію струвіту і покращує розмір кристалів, утворюючи більш дрібні, однорідні фосфатні частинки. Розподіл частинок за розмірами випали в осад визначається швидкістю зародження і подальшою швидкістю росту кристалів. Прискорена зародження і пригнічений ріст є ключовими факторами осадження кристалічних фосфатних частинок, тобто струвіту, у водному розчині. Ультразвук - це метод інтенсифікації процесу, який покращує змішування з метою отримання однорідного розподілу реакційноздатних іонів.
Відомо, що ультразвукове осадження дає вужчий розподіл частинок за розміром, менший розмір кристалів, контрольовану морфологію, а також швидку швидкість зародження.
Кристали струвіту, що випали в осад зі стоків свиней (джерело: Kim et al. 2017)
Хороших результатів опадів можна досягти, наприклад, за допомогою PO3-4 : Пн.+4 :Мг2+ у співвідношенні 1 : 3 : 4. Діапазон рН від 8 до 10 призводить до максимального вивільнення фосфату Р
Ультразвук — це високоефективна техніка інтенсифікації процесу для сприяння осадженню цінних матеріалів, таких як фосфат кальцію, магнієво-амонійфосфат (MAP) і гідроксиапатит (HAP), гідроксиапатит кальцію, октакальційфосфат, трикальційфосфат і дигідрат дикальційфосфату зі стічних вод. Осад стічних вод, гній і молочні стоки відомі як багаті поживними речовинами стічні води, які підходять для виробництва цінних матеріалів за допомогою ультразвукових опадів.
Утворення кристалів струвіту:
Мг2+ + НХ+4 + ГПО2-4 + Ч2O –> MgNH4ПО4 ∙ 6 год2О + Ч+
Високопотужні ультразвукові процесори від лабораторних до пілотних і промислових масштабів.
Промислове ультразвукове обладнання для вилуговування та осадження
Високопродуктивні ультразвукові системи та реактори необхідні для обробки спаленого осаду стічних вод (ISSA) та осаду стічних вод у промислових масштабах. Компанія Hielscher Ultrasonics спеціалізується на розробці та виробництві ультразвукового обладнання високої потужності – Від лабораторних і настільних до повністю промислових блоків. Ультразвукові апарати Hielscher надійні та створені для роботи 24/7 при повному навантаженні в складних умовах. Аксесуари, такі як реактори з проточними елементами з різною геометрією, сонотроди (ультразвукові зонди) та бустерні ріжки, дозволяють оптимально адаптувати ультразвукову систему до вимог процесу. Для обробки потоків великого обсягу компанія Hielscher пропонує ультразвукові установки потужністю 4 кВт, 10 кВт і 16 кВт, які можна легко комбінувати паралельно з ультразвуковими кластерами.
Складні ультразвукові апарати Hielscher оснащені цифровим сенсорним дисплеєм для зручного керування та точного контролю параметрів процесу.
Зручність у використанні та проста, безпечна експлуатація є ключовими особливостями ультразвукових систем Hielscher. Дистанційне керування браузером дозволяє керувати ультразвуковою системою через ПК, смартфон або планшет.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література/Список літератури
- Доддс, Джон А.; Еспітальє, Фаб'єн; Луїснар, Олів'є; Гроссьє, Ромен; Давид, Рене; Хассун, Міріам; Байон, Фаб'єн; Гатумель, Кендрин; Личко, Наталі (2007): Вплив ультразвуку на процеси кристалізації-осадження: деякі приклади та нова модель сегрегації. Характеристика частинок і систем частинок, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), с.18-28
- Харбанда, А.; Прасанна, К. (2016): Екстракція поживних речовин зі стічних вод молочних продуктів у формі MAP (магнієво-амонійфосфат) і HAP (гідроксиапатит). Расаянський хімічний журнал Том 9, No 2; 2016. 215-221.
- Кім, Д.; Цзінь Мін, К.; Лі, К.; Ю, М.С.:; Парк, К.Ю. (2017): Вплив рН, молярних співвідношень та попередньої обробки на відновлення фосфору шляхом кристалізації струвіту зі стоків анаеробно зброджених стічних вод свиней. Дослідження в галузі екологічної інженерії 22(1), 2017. 12-18.
- Рахман, М., Саллех, М., Ахсан, А., Хоссейн, М., Ра, К. (2014): Виробництво кристалічного добрива з повільним вивільненням зі стічних вод шляхом кристалізації струвіту. Арабський. 7, 139–155.
Факти, які варто знати
Як працює ультразвукове опадіння?
Ультразвук впливає на зародження та ріст кристалів, процес, відомий як сонокристалізація.
По-перше, застосування ультразвуку дозволяє впливати на швидкість зародження, де з рідкого розчину утворюються тверді кристали. Ультразонд високої потужності створює кавітацію, яка є зростанням і імплозією вакуумних бульбашок в рідкому середовищі. Імплозія вакуумних бульбашок вводить енергію в систему і зменшує критичний надлишок вільної енергії. Таким чином, точки посіву і зародження ініціюються з високою швидкістю і в найкоротші терміни. На межі розділу між кавітаційним міхуром і розчином половина молекули розчиненої речовини сольватується розчинником, тоді як інша половина поверхні молекули покрита кавітаційним міхуром, так що швидкість сольватації зменшується. Запобігається повторне розчинення молекули розчиненої речовини, при цьому згортання молекул в розчині збільшується.
По-друге, ультразвукове випромінювання сприяє зростанню кристалів. Ультразвукове перемішування сприяє зростанню кристалів за рахунок збільшення масопереносу і агрегації молекул.
Результати, досягнуті за допомогою ультразвукового дослідження, можна контролювати за допомогою режиму ультразвуку:
Безперервна ультразвукова хвороба:
При безперервній ультразвуковій обробці розчину утворюється безліч ділянок зародження, завдяки чому створюється велика кількість дрібних кристалів
Імпульсна ультразвукова діагностика:
Застосування імпульсного / циклічного ультразвуку дозволяє точно контролювати розмір кристалів
Ультразвукове дослідження для ініціації зародження:
При застосуванні ультразвуку тільки під час початку процесу кристалізації утворюється кінцеве число ядер, які потім вирощуються до більшого розміру.
За допомогою ультразвуку під час кристалізації можна впливати та контролювати швидкість росту, розмір та форму кристалічних структур. Різноманітні варіанти ультразвукового апарату роблять процеси сонокристалізації точно контрольованими та повторюваними.
ультразвукова кавітація
Коли ультразвук високої інтенсивності перетинає рідке середовище, через рідину чергуються хвилі високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження). Коли негативний тиск, викликаний ультразвуковою хвилею, що перетинає рідину, досить великий, відстань між молекулами рідини перевищує мінімальну молекулярну відстань, необхідну для утримання рідини в цілості, а потім рідина розпадається так, що утворюються вакуумні бульбашки або порожнечі. Ці вакуумні бульбашки також відомі як Кавітації Бульбашки.
Кавітаційні бульбашки, що використовуються для енергетичних ультразвукових застосувань, таких як змішування, Диспергування, Фрезерні, Видобуток і т.д. виникають при інтенсивності ультразвуку вище 10 Вт2. Кавітаційні бульбашки ростуть протягом декількох акустичних циклів низького / високого тиску, поки не досягнуть розміру, коли вони не можуть поглинути більше енергії. Коли кавітаційний міхур досягає свого максимального розміру, він сильно вибухає під час циклу стиснення. Сильні колапси перехідної кавітаційної бульбашки створюють екстремальні умови, такі як дуже високі температури та тиск, дуже високі перепади тиску та температур та струмені рідини. Ці сили є джерелом хімічних і механічних ефектів, що використовуються в ультразвукових додатках. Кожну бульбашку, що руйнується, можна розглядати як мікрореактор, в якому миттєво створюються температури в кілька тисяч градусів і тиск вище тисячі атмосфер [Suslick et al, 1986].
Ультразвукова екстракція заснована на акустичній кавітації та її гідродинамічних силах зсуву
фосфор
Фосфор є важливим, невідновлюваним ресурсом, і експерти вже прогнозують, що світ вдарить “Люмінофорний пік”, тобто час, протягом якого пропозиція вже не може задовольнити підвищений попит, приблизно через 20 років. Європейська комісія вже віднесла фосфор до критично важливих видів сировини.
Осад стічних вод часто використовується як добриво, що розкидається по полях. Однак, оскільки осад стічних вод містить не тільки цінні фосфати, але й шкідливі важкі метали та органічні забруднювачі, багато країн, такі як Німеччина, законодавчо обмежують, скільки осаду стічних вод можна використовувати як добриво. Багато країн, таких як Німеччина, мають суворі правила щодо добрив, які суворо обмежують забруднення важкими металами. Оскільки фосфор є обмеженим ресурсом, німецький Регламент щодо осаду стічних вод від 2017 року вимагає від операторів каналізаційних станцій переробляти фосфати.
Фосфор може бути отриманий зі стічних вод, осаду стічних вод, а також із золи спаленого осаду стічних вод.
фосфат
Фосфат, неорганічна хімічна речовина, являє собою сіль фосфорної кислоти. Неорганічні фосфати видобувають для отримання фосфору для використання в сільському господарстві і промисловості. В органічній хімії фосфат, або фосфорорганічна сполука, є складним ефіром фосфорної кислоти.
Не варто плутати назву фосфор з елементом фосфором (хімічний символ Р). Це дві різні речі. Багатовалентний неметал групи азотів, фосфор зазвичай зустрічається в неорганічних фосфатних породах.
Органічні фосфати мають важливе значення в біохімії та біогеохімії.
Фосфат - це назва іона PO43-. Фосфорна кислота, з іншого боку, є назвою трипротіческой кислоти H3PO3. Це комбінація 3 Н+ іонів і одного фосфіту (PO33-) іонів.
Фосфор - це хімічний елемент, який має символ Р і атомний номер 15. Сполуки фосфору також широко використовуються у вибухових речовинах, нервово-паралітичних речовинах, фрикційних сірниках, феєрверках, пестицидах, зубній пасті та миючих засобах.
струвіт
Струвіт, також відомий як магнієво-амонійфосфат (MAP), є фосфатним мінералом з хімічною формулою NH4MgPO4·6 год2О. струвіт кристалізується в орторомбічній системі у вигляді пірамідальних кристалів від білого до жовтуватого або коричнево-білого кольору або у платлетоподібних формах. Будучи м'яким мінералом, струвіт має твердість по Моосу 1,5 до 2 і низьку питому вагу 1,7. У нейтральних і лужних умовах струвіт важко розчиняється, але легко розчиняється в кислоті. Струвітні кристали утворюються, коли в стічних водах є співвідношення «моль до моль» (1:1:1) магнію, аміаку та фосфату. Всі три елементи – магній, аміак і фосфат – зазвичай присутні в стічних водах: магній надходить переважно з ґрунту, морської та питної води, аміак розщеплюється з сечовини в стічних водах, а фосфати надходять з харчових продуктів, мила та миючих засобів у стічні води. За наявності цих трьох елементів струвіт з більшою ймовірністю утворюватиметься при вищих значеннях рН, вищій провідності, нижчих температурах і вищих концентраціях магнію, аміаку та фосфатів. Перспективним є відновлення фосфору зі стічних вод у вигляді струвіту та переробка цих поживних речовин як добрива для сільського господарства.
Струвіт — це цінне мінеральне добриво з повільним вивільненням, яке використовується в сільському господарстві, перевагами якого є гранульоване, просте у використанні та не має запаху.