Thu hồi phốt pho từ bùn thải bằng siêu âm
- Nhu cầu phốt pho trên toàn thế giới đang gia tăng, trong khi nguồn cung phốt pho tự nhiên ngày càng khan hiếm.
- Bùn thải và tro bùn thải giàu phốt pho nên có thể được sử dụng làm nguồn để thu hồi phốt pho.
- Quá trình xử lý hóa học ướt và kết tủa bằng siêu âm cải thiện khả năng thu hồi phosphat từ bùn thải cũng như từ tro bùn thải sau đốt, đồng thời giúp quá trình thu hồi tiết kiệm chi phí hơn đáng kể.
Phốt pho
Phốt pho (phosphorus, phosphor, P) là tài nguyên không tái tạo, được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp làm phân bón cũng như trong nhiều ngành công nghiệp, nơi phốt pho là một phụ gia có giá trị (ví dụ: sơn, chất giặt tẩy, chất chống cháy, thức ăn chăn nuôi). Bùn thải, tro bùn thải sau đốt (ISSA), phân chuồng và nước thải ngành sữa giàu phốt pho, khiến chúng trở thành nguồn thu hồi phốt pho xét đến tính hữu hạn của tài nguyên phốt pho cũng như các mối quan ngại về môi trường.
Tỷ lệ thu hồi phốt pho từ các dòng nước thải lỏng có thể đạt 40 đến 50%, trong khi tỷ lệ thu hồi từ bùn thải và tro bùn thải có thể đạt tới 90%. Phốt pho có thể được kết tủa dưới nhiều dạng, trong đó có struvite (được đánh giá cao như một loại phân bón chất lượng cao, giải phóng chậm). Để việc thu hồi phốt pho có hiệu quả kinh tế, cần cải thiện quy trình thu hồi. Xử lý siêu âm là phương pháp tăng cường quá trình, giúp đẩy nhanh quá trình và tăng sản lượng khoáng chất thu hồi được.
Thu hồi phốt pho bằng siêu âm
Dưới tác động của siêu âm, các vật liệu có giá trị như struvite (magie amoni phosphat (MAP)), canxi phosphat, hydroxyapatit (HAP) / canxi hydroxyapatit, octacanxi phosphat, tricanxi phosphat và dicanxi phosphat dihydrat có thể được thu hồi từ các dòng thải. Xử lý siêu âm cải thiện quá trình chiết bằng phương pháp hóa học ướt cũng như quá trình kết tủa và kết tinh (kết tinh bằng siêu âm) các vật liệu có giá trị từ bùn thải và từ tro bùn thải sau đốt.
Mặc dù hàm lượng phốt pho (8–10%), sắt (10–15%) và nhôm (5–10%) trong tro từ quá trình đốt riêng bùn thải khá cao, loại tro này cũng chứa các kim loại nặng độc hại như chì, cadimi, đồng và kẽm.
Thu hồi phốt pho – Quy trình hai bước
-
- Chiết bằng axit
Bước đầu tiên trong quá trình thu hồi phốt pho là chiết hoặc hòa tách phốt pho từ bùn thải hoặc tro bùn thải sau đốt (ISSA) bằng một loại axit như axit sulfuric hoặc axit clohydric. Trộn bằng siêu âm thúc đẩy quá trình hòa tách hóa học ướt bằng cách tăng cường truyền khối giữa axit và ISSA, nhờ đó nhanh chóng hòa tách hoàn toàn phốt pho. Có thể sử dụng bước tiền xử lý bằng axit etylendiamintetraaxetic (EDTA) để cải thiện quy trình chiết.
-
- Kết tủa phốt pho
Kết tinh bằng siêu âm tăng cường đáng kể quá trình kết tủa phosphat bằng cách tăng số điểm tạo mầm và đẩy nhanh sự hấp phụ cũng như kết tụ các phân tử để hình thành tinh thể. Có thể thực hiện kết tủa phốt pho bằng siêu âm từ bùn thải và ISSA, chẳng hạn bằng cách sử dụng magie hydroxit và amoni hydroxit. Kết tủa thu được là struvite, một hợp chất gồm magie, amoni, phốt pho và oxy.
Kết tinh struvite bằng siêu âm
Phân tán bằng siêu âm thúc đẩy quá trình truyền khối giữa các pha và khởi phát quá trình tạo mầm cũng như phát triển tinh thể của các phosphat (ví dụ: struvit / MAP).
Kết tủa và kết tinh struvit bằng siêu âm trực tiếp trên dòng chảy cho phép xử lý các dòng có thể tích lớn ở quy mô công nghiệp. Vấn đề xử lý dòng bùn thải lớn có thể được giải quyết bằng quy trình siêu âm liên tục, giúp đẩy nhanh quá trình kết tinh struvit và cải thiện kích thước tinh thể, tạo ra các hạt phosphat nhỏ hơn, đồng đều hơn. Phân bố kích thước của các hạt kết tủa được quyết định bởi tốc độ tạo mầm và tốc độ phát triển tinh thể sau đó. Tăng tốc độ tạo mầm và kìm hãm sự phát triển là những yếu tố then chốt để kết tủa các hạt phosphat dạng tinh thể, tức là struvit, trong dung dịch nước. Xử lý bằng siêu âm là phương pháp tăng cường quá trình, giúp cải thiện sự phối trộn nhằm đạt được sự phân bố đồng nhất của các ion phản ứng.
Kết tủa bằng siêu âm được biết đến là phương pháp tạo ra phân bố kích thước hạt hẹp hơn, kích thước tinh thể nhỏ hơn, hình thái có thể kiểm soát và tốc độ tạo mầm nhanh.
Tinh thể struvit kết tủa từ nước thải chăn nuôi lợn (nguồn: Kim và cộng sự, 2017)
Có thể đạt được kết quả kết tủa tốt, ví dụ với PO3-4 : NH+4 : Mg2+ với tỷ lệ 1 : 3 : 4. Khoảng pH từ 8 đến 10 cho phép giải phóng tối đa P dạng phosphat
Xử lý bằng siêu âm là kỹ thuật tăng cường quá trình có hiệu quả cao, thúc đẩy sự kết tủa các vật liệu có giá trị như canxi phosphat, magie amoni phosphat (MAP) và hydroxyapatit (HAP), canxi hydroxyapatit, octacanxi phosphat, tricanxi phosphat và dicanxi phosphat dihydrat từ nước thải. Bùn thải, phân chuồng và nước thải ngành sữa được biết đến là những loại nước thải giàu dinh dưỡng, thích hợp để sản xuất các vật liệu có giá trị thông qua kết tủa có hỗ trợ siêu âm.
Sự hình thành tinh thể struvit:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Thiết bị xử lý siêu âm công suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và công nghiệp.
Thiết bị siêu âm công nghiệp để hòa tách và kết tủa
Cần có các hệ thống và thiết bị phản ứng siêu âm hiệu năng cao để xử lý tro đốt bùn thải (ISSA) và bùn thải ở quy mô công nghiệp. Hielscher Ultrasonics chuyên thiết kế và sản xuất thiết bị siêu âm công suất cao – từ thiết bị phòng thí nghiệm và thiết bị để bàn đến các thiết bị hoàn toàn ở quy mô công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher có kết cấu bền chắc và được chế tạo để vận hành 24/7 ở mức đầy tải trong môi trường khắc nghiệt. Các phụ kiện như thiết bị phản ứng buồng dòng chảy với nhiều dạng hình học, đầu sonotrode (đầu dò siêu âm) và bộ khuếch đại biên độ cho phép điều chỉnh hệ thống siêu âm một cách tối ưu theo yêu cầu của quy trình. Để xử lý các dòng có thể tích lớn, Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm 4kW, 10kW và 16kW, có thể dễ dàng kết hợp song song thành các cụm siêu âm.
Các thiết bị siêu âm tiên tiến của Hielscher được trang bị màn hình cảm ứng kỹ thuật số để vận hành dễ dàng và kiểm soát chính xác các thông số quy trình.
Tính thân thiện với người dùng cùng khả năng vận hành dễ dàng, an toàn là những đặc điểm chính của thiết bị siêu âm Hielscher. Chức năng điều khiển từ xa qua trình duyệt cho phép vận hành và điều khiển hệ thống siêu âm qua PC, điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng.
Bảng dưới đây cho biết công suất xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lớn hơn | cụm gồm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Dodds, John A.; Espitalier, Fabienne; Louisnard, Olivier; Grossier, Romain; David, Rene; Hassoun, Myriam; Baillon, Fabien; Gatumel, Cendrine; Lyczko, Nathalie (2007): Ảnh hưởng của siêu âm đến các quá trình kết tinh–kết tủa: Một số ví dụ và một mô hình phân tách mới. Particle and Particle Systems Characterization, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), tr.18–28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Chiết xuất chất dinh dưỡng từ nước thải ngành sữa dưới dạng MAP (magie amoni photphat) và HAP (hydroxyapatit). Rasayan Journal of Chemistry Tập 9, Số 2; 2016. 215-221.
- Kim, D.; Jin Min, K.; Lee, K.; Yu, M.S:; Park, K.Y. (2017): Ảnh hưởng của pH, tỷ lệ mol và quá trình tiền xử lý đến việc thu hồi phốt pho thông qua kết tinh struvit từ dòng nước đầu ra của quá trình phân hủy kỵ khí nước thải chăn nuôi lợn. Environmental Engineering Research 22(1), 2017. 12-18.
- Rahman, M., Salleh, M., Ahsan, A., Hossain, M., Ra, C. (2014): Sản xuất phân bón tinh thể giải phóng chậm từ nước thải thông qua kết tinh struvit. Arab. J. Chem. 7, 139–155.
Những điều cần biết
Kết tủa bằng siêu âm hoạt động như thế nào?
Xử lý bằng siêu âm tác động đến sự tạo mầm và phát triển tinh thể, một quá trình được gọi là kết tinh bằng siêu âm.
Thứ nhất, việc ứng dụng siêu âm cho phép tác động đến tốc độ tạo mầm, trong đó các tinh thể rắn hình thành từ dung dịch lỏng. Siêu âm công suất cao tạo ra hiện tượng xâm thực, tức là sự phát triển và sụp đổ của các bọt chân không trong môi trường lỏng. Sự sụp đổ của các bọt chân không đưa năng lượng vào hệ và làm giảm năng lượng tự do dư tới hạn. Nhờ đó, các điểm tạo mầm và sự tạo mầm được khởi phát với tốc độ cao và vào thời điểm sớm nhất. Tại bề mặt phân cách giữa bọt xâm thực và dung dịch, một nửa phân tử chất tan được dung môi solvat hóa, trong khi nửa còn lại của bề mặt phân tử bị bọt xâm thực che phủ, khiến tốc độ solvat hóa giảm xuống. Sự hòa tan trở lại của phân tử chất tan bị ngăn cản, trong khi sự keo tụ của các phân tử trong dung dịch tăng lên.
Thứ hai, xử lý bằng siêu âm thúc đẩy sự phát triển tinh thể. Trộn bằng siêu âm thúc đẩy sự phát triển của tinh thể bằng cách tăng cường truyền khối và sự kết tụ của các phân tử.
Có thể kiểm soát kết quả đạt được khi xử lý bằng siêu âm thông qua chế độ xử lý:
Xử lý siêu âm liên tục:
Xử lý dung dịch bằng siêu âm liên tục tạo ra nhiều vị trí tạo mầm, nhờ đó hình thành một số lượng lớn tinh thể nhỏ
Xử lý siêu âm dạng xung:
Việc áp dụng xử lý siêu âm dạng xung / theo chu kỳ cho phép kiểm soát chính xác kích thước tinh thể
Xử lý siêu âm để khởi phát sự tạo mầm:
Khi chỉ áp dụng siêu âm vào giai đoạn đầu của quá trình kết tinh, một số lượng hữu hạn các mầm được hình thành, sau đó phát triển đến kích thước lớn hơn.
Việc sử dụng siêu âm trong quá trình kết tinh cho phép tác động và kiểm soát tốc độ phát triển, kích thước và hình dạng của các cấu trúc tinh thể. Các lựa chọn xử lý siêu âm khác nhau giúp quá trình kết tinh bằng siêu âm có thể được kiểm soát chính xác và lặp lại.
Xâm thực siêu âm
Khi siêu âm cường độ cao truyền qua môi trường lỏng, các sóng áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn) luân phiên truyền qua chất lỏng. Khi áp suất âm do sóng siêu âm truyền qua chất lỏng gây ra đủ lớn, khoảng cách giữa các phân tử của chất lỏng vượt quá khoảng cách phân tử tối thiểu cần thiết để duy trì tính toàn vẹn của chất lỏng, khi đó chất lỏng bị phá vỡ, tạo ra các bọt chân không hoặc khoang rỗng. Những bọt chân không này còn được gọi là bọt xâm thực .
Các bọt xâm thực được sử dụng cho các ứng dụng siêu âm công suất như trộn, phân tán, nghiền, chiết xuất v.v. xuất hiện ở cường độ siêu âm cao hơn 10 Wcm2. Các bọt xâm thực phát triển qua nhiều chu kỳ âm thanh áp suất thấp / áp suất cao cho đến khi đạt kích thước mà chúng không thể hấp thụ thêm năng lượng. Khi một bọt xâm thực đạt kích thước tối đa, nó sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ nén. Sự sụp đổ dữ dội của một bọt xâm thực thoáng qua tạo ra các điều kiện cực đoan như nhiệt độ và áp suất rất cao, chênh lệch áp suất và nhiệt độ rất lớn cùng các tia chất lỏng. Những lực này là nguồn gốc của các hiệu ứng hóa học và cơ học được sử dụng trong các ứng dụng siêu âm. Mỗi bọt đang sụp đổ có thể được xem là một thiết bị phản ứng vi mô, trong đó nhiệt độ lên đến vài nghìn độ và áp suất cao hơn một nghìn át-mốt-phe được tạo ra tức thời [Suslick et al 1986].
Chiết xuất bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm học và các lực cắt thủy động lực học của hiện tượng này
Phốt pho
Phốt pho là một tài nguyên thiết yếu, không thể tái sinh và các chuyên gia đã dự đoán rằng thế giới sẽ đạt đến “đỉnh phốt pho”, tức là thời điểm mà từ đó nguồn cung không còn đáp ứng được nhu cầu gia tăng, trong khoảng 20 năm nữa. Ủy ban châu Âu đã phân loại phốt pho là nguyên liệu thô thiết yếu.
Bùn thải thường được dùng làm phân bón rải trên đồng ruộng. Tuy nhiên, vì bùn thải không chỉ chứa photphat có giá trị mà còn chứa các kim loại nặng có hại và chất ô nhiễm hữu cơ, nhiều quốc gia như Đức quy định bằng pháp luật giới hạn lượng bùn thải có thể được dùng làm phân bón. Nhiều quốc gia như Đức có các quy định nghiêm ngặt về phân bón, trong đó hạn chế chặt chẽ sự nhiễm kim loại nặng. Vì phốt pho là tài nguyên hữu hạn, Quy định về bùn thải của Đức năm 2017 yêu cầu các đơn vị vận hành nhà máy xử lý nước thải phải tái chế photphat.
Phốt pho có thể được thu hồi từ nước thải, bùn thải cũng như từ tro của bùn thải đã đốt.
Photphat
Photphat, một chất hóa học vô cơ, là muối của axit photphoric. Các photphat vô cơ được khai thác để thu lấy phốt pho dùng trong nông nghiệp và công nghiệp. Trong hóa học hữu cơ, photphat, hay photphat hữu cơ, là este của axit photphoric.
Đừng nhầm tên gọi phosphorous với nguyên tố phốt pho (ký hiệu hóa học P). Đây là hai thứ khác nhau. Là một phi kim đa hóa trị thuộc nhóm nitơ, phốt pho thường được tìm thấy trong đá photphat vô cơ.
Các photphat hữu cơ có vai trò quan trọng trong hóa sinh và sinh địa hóa học.
Photphat là tên của ion PO43-. Trong khi đó, axit photphorơ là tên của axit ba proton H3PO3. Đây là sự kết hợp của 3 ion H+ và một ion photphit (PO33-).
Phốt pho là nguyên tố hóa học có ký hiệu P và số hiệu nguyên tử 15. Các hợp chất phốt pho cũng được sử dụng rộng rãi trong chất nổ, chất độc thần kinh, diêm ma sát, pháo hoa, thuốc trừ dịch hại, kem đánh răng và chất tẩy rửa.
Struvite
Struvite, còn được gọi là magie amoni photphat (MAP), là một khoáng vật photphat có công thức hóa học NH4MgPO4·6H2O. Struvite kết tinh trong hệ trực thoi dưới dạng tinh thể hình chóp màu trắng đến hơi vàng hoặc trắng hơi nâu, hoặc dưới dạng phiến mỏng. Là một khoáng vật mềm, struvite có độ cứng Mohs từ 1,5 đến 2 và tỷ trọng thấp, ở mức 1,7. Trong điều kiện trung tính và kiềm, struvite rất ít tan, nhưng có thể dễ dàng hòa tan trong axit. Tinh thể struvite hình thành khi magiê, amoniac và photphat trong nước thải có tỷ lệ mol (1:1:1). Cả ba nguyên tố – magiê, amoniac và photphat – thường có trong nước thải: magiê chủ yếu đến từ đất, nước biển và nước uống, amoniac được tạo ra từ quá trình phân hủy urê trong nước thải, còn photphat đi vào nước thải từ thực phẩm, xà phòng và chất tẩy rửa. Khi có mặt cả ba nguyên tố này, struvite có khả năng hình thành cao hơn ở các giá trị pH cao hơn, độ dẫn điện cao hơn, nhiệt độ thấp hơn và nồng độ magiê, amoniac và photphat cao hơn. Việc thu hồi phốt pho từ các dòng nước thải dưới dạng struvite và tái chế các chất dinh dưỡng đó thành phân bón cho nông nghiệp có nhiều triển vọng.
Struvite là một loại phân bón khoáng nhả chậm có giá trị được sử dụng trong nông nghiệp, với các ưu điểm là có dạng hạt, dễ sử dụng và không mùi.