Ultrasonic Phosphor Recovery from Sewage Sludge
- Nhu cầu phốt pho trên toàn thế giới đang tăng lên, trong khi nguồn cung cấp tài nguyên phốt pho tự nhiên ngày càng khan hiếm.
- Bùn thải và tro bùn thải rất giàu phốt pho và do đó có thể được sử dụng làm nguồn để thu hồi phốt pho.
- Việc xử lý hóa chất ướt siêu âm và kết tủa cải thiện việc thu hồi phốt phát từ bùn thải cũng như từ tro của bùn đốt và làm cho việc thu hồi kinh tế hơn đáng kể.
phốtpho
Phốt pho (phốt pho, P) là một nguồn tài nguyên không tái tạo, được sử dụng nhiều trong nông nghiệp như phân bón cũng như trong nhiều ngành công nghiệp, trong đó phốt pho là một chất phụ gia có giá trị (ví dụ: sơn, bột giặt, chất chống cháy, thức ăn chăn nuôi). Bùn thải, tro bùn thải đốt (ISSA), phân chuồng và nước thải từ sữa rất giàu phốt pho, khiến chúng trở thành nguồn thu hồi phốt pho liên quan đến nguồn tài nguyên hữu hạn của phốt pho cũng như các mối quan tâm 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, một trong số đó là struvite (có giá trị như một loại phân bón chất lượng cao, giải phóng chậm). Để làm cho việc cải tạo phốt pho kinh tế, quá trình phục hồi phải được cải thiện. Ultrasonication là một phương pháp tăng cường quá trình làm tăng tốc quá trình và tăng năng suất của khoáng chất thu hồi.
Phục hồi phốt pho siêu âm
Dưới sonication, các vật liệu có giá trị như struvite (magiê amoni phosphate (MAP)), canxi photphat, hydroxyapatite (HAP) / canxi hydroxyapatite, octacalcium phosphate, tricalcium phosphate và dicalcium phosphate dihydrate có thể được thu hồi từ các dòng chất thải. Việc xử lý siêu âm cải thiện việc khai thác hóa chất ướt cũng như kết tủa và kết tinh (kết tinh sono) của các vật liệu có giá trị từ bùn thải và từ tro của bùn đốt.
Trong khi hàm lượng phốt pho (8-10%), sắt (10-15%) và nhôm (5-10%) trong tro của bùn thải đốt đơn khá cao, nó cũng chứa các kim loại nặng độc hại như chì, cadmium, đồng và kẽm.
Phục hồi Phopshorus – Quy trình hai bước
-
- chiết xuất axit
Bước đầu tiên của việc thu hồi phốt pho là chiết xuất hoặc lọc phốt pho từ bùn thải hoặc tro bùn thải đốt (ISSA) bằng cách sử dụng một loại axit như axit sulfuric hoặc axit clohydric. Trộn siêu âm thúc đẩy sự rò rỉ hóa học ướt bằng cách tăng sự chuyển giao khối lượng giữa axit và ISSA để đạt được sự lọc hoàn toàn phốt pho nhanh chóng. Một bước tiền xử lý bằng cách sử dụng axit ethylenediaminetetraacetatic (EDTA) có thể được sử dụng để cải thiện quy trình chiết xuất.
-
- Kết tủa phốt pho
Kết tinh siêu âm tăng cường sự kết tủa của phốt phát đáng kể bằng cách tăng các điểm gieo hạt và tăng tốc độ hấp phụ và tập hợp các phân tử để tạo thành một tinh thể. Kết tủa siêu âm phốt pho từ sluge nước thải và ISSA có thể đạt được, ví dụ, bằng cách sử dụng magiê hydroxit và amoni hydroxit. Kết tủa thu được là struvite, một hợp chất được tạo thành từ magiê, amoni, phốt pho và oxy.
Sonocrystallization của Struvite
Siêu âm phân tán thúc đẩy sự chuyển giao khối lượng giữa các pha và bắt đầu tạo mầm và tăng trưởng tinh thể cho phốt phát (ví dụ, struvite / MAP).
Siêu âm nội tuyến kết tủa và kết tinh của struvite cho phép điều trị các mạch khối lượng lớn trên quy mô công nghiệp. Vấn đề xử lý một dòng bùn thải lớn có thể được giải quyết bằng một quá trình siêu âm liên tục, làm tăng tốc độ kết tinh của struvite và cải thiện kích thước tinh thể tạo ra các hạt phốt phát nhỏ hơn, đồng đều hơn. Sự phân bố kích thước của các hạt kết tủa được xác định tốc độ tạo mầm và tốc độ tăng trưởng tinh thể tiếp theo. Tạo mầm nhanh và tăng trưởng bị ức chế là những yếu tố chính cho sự kết tủa của các hạt cristalline phosphate, tức là struvite, trong dung dịch nước. Ultrasonication là một phương pháp tăng cường quá trình cải thiện sự pha trộn để có được sự phân phối đồng nhất của các ion phản ứng.
Mưa siêu âm được biết là phân bố kích thước hạt hẹp hơn, kích thước tinh thể nhỏ hơn, hình thái có thể kiểm soát và cũng như tốc độ tạo mầm nhanh.
Tinh thể struvite kết tủa từ nước thải lợn (nguồn: Kim et al. 2017)
Kết quả kết tủa tốt có thể đạt được, ví dụ với PO3-4 :NH+4 :Mg2+ theo tỷ lệ 1 : 3 : 4. Phạm vi pH từ 8 đến 10 dẫn đến giải phóng phốt phát P tối đa
Ultrasonication là một quá trình hiệu quả cao tăng cường kỹ thuật để thúc đẩy sự kết tủa của các vật liệu có giá trị như canxi photphat, magiê amoni phosphate (MAP) và hydroxyapatite (HAP), canxi hydroxyapatite, octacalcium phosphate, tricalcium phosphate, và dicalcium phosphate dihydrate từ nước thải. Bùn thải, phân chuồng và nước thải từ sữa được gọi là nước thải giàu chất dinh dưỡng, thích hợp cho việc sản xuất các vật liệu có giá trị thông qua lượng mưa hỗ trợ siêu âm.
Sự hình thành tinh thể struvite:
Mg2+ + NH+4 + HPO2-4 + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H+
Bộ vi xử lý siêu âm công suất cao từ phòng thí nghiệm đến thí điểm và quy mô công nghiệp.
Thiết bị siêu âm công nghiệp để lọc và kết tủa
Hệ thống siêu âm hiệu suất cao và lò phản ứng được yêu cầu để xử lý tro bùn thải đốt (ISSA) và bùn thải ở quy mô công nghiệp. Hielscher Ultrasonics chuyên thiết kế và sản xuất các thiết bị siêu âm công suất cao – từ phòng thí nghiệm và băng ghế dự bị đến các đơn vị công nghiệp hoàn toàn. Hielscher ultrasonicators là mạnh mẽ và được xây dựng cho các hoạt động 24/7 dưới tải đầy đủ trong môi trường đòi hỏi khắt khe. Các phụ kiện như lò phản ứng tế bào dòng chảy với nhiều hình dạng khác nhau, sonotrodes (đầu dò siêu âm) và sừng tăng cường cho phép thích ứng tối ưu của hệ thống siêu âm với các yêu cầu của quá trình. Để xử lý các dòng khối lượng lớn, Hielscher cung cấp các đơn vị siêu âm 4kW, 10kW và 16kW, có thể dễ dàng kết hợp song song với các cụm siêu âm.
Ultrasonicators tinh vi của Hielscher có màn hình cảm ứng kỹ thuật số để hoạt động dễ dàng và kiểm soát chính xác các thông số quá trình.
Thân thiện với người dùng và một hoạt động dễ dàng, an toàn là những tính năng chính của Hielscher ultrasonicators. Điều khiển trình duyệt từ xa cho phép vận hành và điều khiển hệ thống siêu âm thông qua PC, điện thoại thông minh hoặc máy tính bảng.
Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi:
| Khối lượng hàng loạt | Tốc độ dòng chảy | Thiết bị được đề xuất |
|---|---|---|
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400ml / phút | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 đến 20L | 0.2 đến 4L / phút | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L / phút | UIP4000hdt |
| N.A. | 10 đến 100L / phút | UIP16000 |
| N.A. | Lớn | Cụm UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Văn học/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 quá trình kết tinh-kết tủa: Một số ví dụ và một mô hình phân tách mới. Đặc tính hệ thống hạt và hạt, Wiley-VCH Verlag, 2007, 24 (1), tr.18-28
- Kharbanda, A.; Prasanna, K. (2016): Khai thác chất dinh dưỡng từ nước thải sữa dưới dạng MAP (Magiê Ammonium Phosphate) và HAP (Hydroxyapatite). Tạp chí Hóa học Rasayan 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 tiền xử lý đối với việc thu hồi phốt pho thông qua kết tinh struvite từ nước thải lợn tiêu hóa kỵ khí. Nghiên cứu Kỹ thuật Môi trường 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 struvite. Ả Rập. J. Chem. 7, 139–155.
Sự thật đáng biết
Lượng mưa siêu âm hoạt động như thế nào?
Ultrasonication tác động đến tạo mầm và tăng trưởng tinh thể, một quá trình được gọi là Sonocrystallization.
Thứ nhất, việc áp dụng siêu âm cho phép ảnh hưởng đến tốc độ tạo mầm, nơi có các tinh thể rắn hình thành từ dung dịch lỏng. Ultrasond công suất cao tạo ra cavitation, đó là sự tăng trưởng và nổ tung của bong bóng chân không trong môi trường lỏng. Sự nổ tung của bong bóng chân không đưa năng lượng vào hệ thống và làm giảm năng lượng tự do dư thừa quan trọng. Qua đó, các điểm gieo hạt và tạo mầm được bắt đầu với tốc độ cao và sớm nhất. Tại giao diện giữa bong bóng xâm thực và dung dịch, một nửa phân tử hòa tan được hòa tan bằng dung môi, trong khi nửa còn lại của bề mặt phân tử được bao phủ bởi bong bóng xâm thực, do đó tốc độ hòa tan giảm. Sự tái hòa tan của phân tử hòa tan được ngăn chặn, trong khi sự đông tụ của các phân tử trong dung dịch được tăng lên.
Thứ hai, sonication thúc đẩy sự phát triển tinh thể. Trộn siêu âm thúc đẩy sự phát triển của tinh thể bằng cách tăng khối lượng chuyển giao và tập hợp các phân tử.
Các kết quả đạt được bằng sonication có thể được kiểm soát bởi chế độ sonication:
Sonication liên tục:
Xử lý siêu âm liên tục của dung dịch tạo ra nhiều vị trí tạo mầm, do đó một số lượng lớn các tinh thể nhỏ được tạo ra
Sonication xung:
Việc áp dụng sonication xung / tuần hoàn cho phép kiểm soát chính xác kích thước tinh thể
Sonication để bắt đầu tạo mầm:
Khi siêu âm chỉ được áp dụng trong khi bắt đầu quá trình kết tinh, một số lượng hạt nhân hữu hạn được hình thành, sau đó được phát triển đến kích thước lớn hơn.
Sử dụng ultrasonication trong quá trình kết tinh, tốc độ tăng trưởng, kích thước và hình dạng của các cấu trúc tinh thể có thể bị ảnh hưởng và kiểm soát. Các tùy chọn khác nhau của sonication làm cho quá trình kết tinh sono chính xác có thể kiểm soát và lặp lại.
siêu âm cavitation
Khi siêu âm cường độ cao vượt qua môi trường lỏng, sóng áp suất cao (nén) và áp suất thấp (hiếm) xen kẽ qua chất lỏng. Khi áp suất âm gây ra cho sóng siêu âm đi qua chất lỏng đủ lớn, khoảng cách giữa các phân tử của chất lỏng vượt quá khoảng cách phân tử tối thiểu cần thiết để giữ chất lỏng nguyên vẹn, và sau đó chất lỏng bị phá vỡ để tạo ra bong bóng chân không hoặc lỗ rỗng. Những bong bóng chân không đó còn được gọi là Cavitation Bong bóng.
Bong bóng hang động được sử dụng cho các ứng dụng siêu âm điện như trộn, Phân tán, Phay, Khai thác vv xảy ra dưới cường độ siêu âm cao hơn 10 Wcm2. Các bong bóng xâm thực phát triển qua một số chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao âm thanh cho đến khi chúng đạt đến một chiều mà chúng không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn. Khi một bong bóng xâm thực đã đạt đến kích thước tối đa, nó nổ tung dữ dội trong một chu kỳ nén. Sự sụp đổ dữ dội của bong bóng xâm thực thoáng qua tạo ra các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ và áp suất rất cao, chênh lệch áp suất và nhiệt độ rất cao và máy bay phản lực lỏng. Những lực đó là nguồn gốc cho các hiệu ứng hóa học và cơ học được sử dụng trong các ứng dụng siêu âm. Mỗi bong bóng sụp đổ có thể được coi là một lò phản ứng vi mô trong đó nhiệt độ vài nghìn độ và áp suất cao hơn một nghìn bầu khí quyển được tạo ra ngay lập tức [Suslick et al 1986].
Ultrasonic extraction is based on acoustic cavitation and its hydrodynamic shear forces
phốtpho
Phốt pho là một nguồn tài nguyên thiết yếu, không thể tái tạo và các chuyên gia đã dự đoán rằng thế giới sẽ bị ảnh hưởng “đỉnh phốt pho”, tức là thời gian mà nguồn cung không còn có thể đáp ứng nhu cầu gia tăng, trong khoảng 20 năm. Ủy ban châu Âu đã phân loại phốt pho là nguyên liệu thô quan trọng.
Bùn thải thường được sử dụng làm phân bón rải trên các cánh đồng. Tuy nhiên, vì bùn thải không chỉ chứa phốt phát có giá trị mà còn chứa kim loại nặng có hại và các chất ô nhiễm hữu cơ, nhiều quốc gia như Đức, hạn chế theo luật bao nhiêu bùn thải có thể được sử dụng làm phân bón. Nhiều quốc gia như Đức có quy định phân bón nghiêm ngặt, hạn chế ô nhiễm kim loại nặng một cách nghiêm ngặt. Vì phốt pho là một nguồn tài nguyên hữu hạn, Quy định về bùn thải của Đức từ năm 2017 yêu cầu các nhà điều hành nhà máy nước thải tái chế phốt phát.
Phốt pho có thể được thu hồi từ nước thải, bùn thải, cũng như từ tro của bùn thải đốt.
Phosphate
Phốt phát, một hóa chất vô cơ, là muối của axit photphoric. Phốt phát vô cơ được khai thác để thu được phốt pho để sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp. Trong hóa hữu cơ, phốt phát, hoặc organophosphate, là một este của axit photphoric.
Đừng nhầm lẫn tên phốt pho với nguyên tố phốt pho (ký hiệu hóa học P). Chúng là hai thứ khác nhau. Một phi kim đa hóa trị của nhóm nitơ, phốt pho thường được tìm thấy trong đá phốt phát vô cơ.
Phốt phát hữu cơ rất quan trọng trong hóa sinh và địa hóa sinh.
Phosphate là tên của ion PO43-. Mặt khác, axit phốt pho là tên của axit triprotic H3PO3. Đây là sự kết hợp của 3 H+ ion và một phosphit (PO33-) ion.
Phốt pho là nguyên tố hóa học có ký hiệu P và số nguyên tử 15. Các hợp chất phốt pho cũng được sử dụng rộng rãi trong chất nổ, tác nhân thần kinh, diêm ma sát, pháo hoa, thuốc trừ sâu, kem đánh răng và chất tẩy rửa.
struvite
Struvite, còn được gọi là magiê amoni photphat (MAP), là một khoáng vật phốt phát có công thức hóa học NH4MgPO4· 6 giờ2O. Struvite kết tinh trong hệ thống trực thoi dưới dạng tinh thể hình chóp màu trắng đến vàng hoặc nâu trắng hoặc ở dạng giống như platlet. Là một khoáng chất mềm, struvite có độ cứng Mohs từ 1,5 đến 2 và trọng lượng riêng thấp là 1,7. Trong điều kiện trung tính và kiềm, struvite hầu như không hòa tan, nhưng có thể dễ dàng hòa tan trong axit. Tinh thể struvite hình thành khi có tỷ lệ mol đến mol trên mol (1: 1: 1) magiê, amoniac và phốt phát trong nước thải. Cả ba yếu tố – magiê, amoniac và phốt phát – thường có trong nước thải: Magiê đến chủ yếu từ đất, nước biển và nước uống, amoniac bị phân hủy từ urê trong nước thải, và phốt phát đến từ thực phẩm, xà phòng và chất tẩy rửa vào nước thải. Với ba nguyên tố này, struvite có nhiều khả năng hình thành ở giá trị pH cao hơn, độ dẫn điện cao hơn, nhiệt độ thấp hơn và nồng độ magiê, amoniac và phốt phát cao hơn. Thu hồi phốt pho từ các dòng nước thải dưới dạng struvite và tái chế các chất dinh dưỡng đó làm phân bón cho nông nghiệp là đầy hứa hẹn.
Struvite là một loại phân khoáng giải phóng chậm có giá trị được sử dụng trong nông nghiệp, có ưu điểm là dạng hạt, dễ sử dụng và không có mùi.