• تقاضای جهانی برای فسفر در حال افزایش است، در حالی که منابع طبیعی تامین فسفر کمیاب می‌شود.
• لجن فاضلاب و خاکستر لجن فاضلاب سرشار از فسفر هستند و بنابراین می‌توانند به عنوان منبعی برای بازیابی فسفر استفاده شوند.
• پردازش شیمیایی مرطوب التراسونیک و ته نشینی باعث بهبود بازیابی فسفات از لجن فاضلاب و خاکستر لجن سوزانده شده و بازیابی را به طور قابل توجهی اقتصادی‌تر می‌کند.

فسفر

فسفر (فسفر، P) یک منبع غیرقابل تجدید است که به طور گسترده در کشاورزی به عنوان کود و همچنین در صنایع مختلف مورد استفاده قرار می‌گیرد همچنین فسفر یک ماده افزودنی ارزشمند است (مانند رنگ‌ها، مواد شوینده، مهار‌کننده‌های شعله، خوراک حیوانات). لجن فاضلاب، خاکستر لجن فاضلاب سوزانده شده (ISSA)، کود و پساب‌های لبنیات غنی از فسفر هستند که آن‌ها را به عنوان یک منبع برای بازیابی فسفر با توجه به منابع محدود فسفر و نگرانی‌های زیست‌محیطی در نظر گرفته می‌شود.

نرخ بازیابی فسفر از جریان‌های فاضلاب مایع می‌تواند به ۴۰ تا ۵۰٪ برسد، در حالی که نرخ بازیابی از لجن فاضلاب و خاکستر لجن فاضلاب می‌تواند تا ۹۰٪ برسد. فسفر می‌تواند به اشکال مختلفی ته‌نشین شود، یکی از آن‌ها استروویت است (که به عنوان کود با کیفیت بالا و با آزادسازی کند ارزش دارد). برای اقتصادی کردن بازیابی فسفر، فرایند بازیابی باید بهبود یابد. التراسونیک هموژنایزر یک روش تقویت فرایند است که فرایند را شتاب می‌دهد و بازدهی مواد معدنی بازیابی شده را افزایش می‌دهد.

بازیابی فسفر به کمک التراسونیک

تحت تاثیر سونیکیشن، مواد ارزشمندی مانند استروویت (فسفات آمونیوم منیزیم (MAP))، فسفات کلسیم، هیدروکسی‌آپاتیت (HAP) / هیدروکسی‌آپاتیت کلسیم، فسفات اکتاکلسیم، فسفات تری‌کلسیم و دی‌هیدرات فسفات دی‌کلسیم از جریان‌های پسماند بازیابی می‌شوند. این روش پردازش اولتراسونیک، استخراج شیمیایی در محیط مرطوب و همچنین تشکیل و بلورسازی(سونو-بلوریزاسیون) مواد ارزشمند از لجن فاضلاب و از خاکستر لجن مواد سوخته را بهبود می‌بخشد.

اگرچه محتوای فسفر (8-10%)، آهن (10-15%) و آلومینیوم (5-10%) در خاکستر لجن فاضلاب تک‌سوزی بسیار بالا است، اما حاوی فلزات سنگین سمی مانند سرب، کادمیوم، مس و روی نیز می‌باشد.

فرآیند دو مرحله ای بازیافت فسفر

استخراج اسیدی

مرحله اول بازیابی فسفر استخراج یا لیچینگ فسفر از لجن فاضلاب یا خاکستر لجن فاضلاب(ISSA) با استفاده از اسیدی مانند اسید سولفوریک یا اسید هیدروکلریک است. همگن‌سازی التراسونیک باعث افزایش لیچینگ شیمیایی توسط افزایش انتقال جرم بین اسید و ISSA می شود تا یک لیچینگ کامل از فسفر به سرعت دست یابد. یک مرحله پیش از این با استفاده از اسید اتیلن دی آمین تترا استیک‌(EDTA) برای بهبود روش استخراج ممکن است استفاده شود.

ته نشینی فسفر

بلورسازی التراسونیک ته‌نشینی فسفات را با افزایش نقاط اولیه بلورسازی و شتاب بخشیدن به جذب و انباشت مولکول ها برای تشکیل بلور به طور قابل توجهی افزایش می دهد. ته نشیتی التراسونیک فسفر از لجن فاضلاب و ISSA می تواند به وسیله استفاده از هیدروکسید منیزیم و هیدروکسید آمونیوم به دست آید. نتیجه نهایی ته نشیتی، استروویت، یک ترکیب از منیزیم، آمونیوم، فسفر و اکسیژن است.

کریستالیزه کردن استروویت

کویتاسیون التراسونیک انتقال جرم بین فازها را افزایش می‌دهد و هسته‌زایی و رشد بلوری برای فسفات‌ها (مانند اسـتروویت / MAP) را آغاز می‌کند.

بلورسازی التراسونیک اسـتروویت امکان تصفیه جریان آبی حجیم را در مقیاس صنعتی فراهم می آورد. مسئله پردازش یک جریان بزرگ پساب فاضلاب می‌تواند توسط یک فرآیند فراصوتی پیوسته حل شود که فرآیند بلوری‌سازی اسـتروویت را شتاب می‌دهد و اندازه بلورها را بهبود می‌بخشد و ذرات فسفات کوچکتر و یکنواخت‌تری تولید می‌کند. توزیع اندازه ذرات تشکیل شده توسط نرخ هسته‌زایی و نرخ رشد بلور بررسی می‌شود. هسته‌زایی شتاب‌دار و رشد مهار شده عوامل کلیدی برای تشکیل ذرات فسفات بلوری، یعنی اسـتروویت، در یک محلول آبی هستند. فرآیند اولتراسونیک یک روش تقویت‌کننده فرآیند است که مخلوط‌کردن را بهبود می‌بخشد تا توزیع یکنواخت یون‌های واکنشی حاصل گردد.

بدیهی است که ته‌نشینی فراصوتی به توزیع اندازه ذرات باریک‌تر، اندازه بلور کوچکتر، شکل قابل کنترل و همچنین نرخ هسته‌زایی سریع معروف است.

تشکیل کریستال  استروویت از پساب خوک

نتایج خوبی از ته نشینی  را می‌توان با : NH⁺₄ : Mg²⁺ PO^3-₄ به نسبت 4 : 3 : 1 به دست آورد. محدوده pH از 8 تا 10 منجر به حداکثر آزادسازی فسفات می‌شود.

فرآوری اولتراسونیک یک فرآیند بسیار کارآمد افزایش فشار است که برای افزایش ته‌نشینی مواد ارزشمند مانند کلسیم فسفات، منیزیم آمونیوم فسفات (MAP) و هیدروکسی‌آپاتیت (HAP)، کلسیم هیدروکسی‌آپاتیت، اکتاکلسیم فسفات، تری‌کلسیم فسفات و دی‌کلسیم فسفات دی‌هیدرات از فاصلاب استفاده می‌شود. لجن فاضلاب، کود و پساب‌های لبنی به عنوان آب‌های زباله غنی از مواد مغذی شناخته شده‌اند که برای تولید مواد ارزشمند از طریق ته‌نشینی تحت اولتراسونیک مناسب هستند.

تشکیل کریستال استروییت:

⁺Mg²⁺ + NH⁺4 + HPO4^2- + H2O –> MgNH4PO4 ∙ 6H2O + H

بیشتر بدانید

ته نشینی به کمک التراسونیک

تأثیرات اولتراسونیک بر هسته‌زایی و رشد بلور، یک فرآیندی است که به آن sonocrystalization معروف است.

یکم، استفاده از اولتراسوند به ما این امکان را می‌دهد که بر نرخ هسته‌زایی تأثیر بگذاریم، جایی که بلورهای جامد از یک محلول مایع شکل می‌گیرند. اولتراسوند با توان بالا باعث ایجاد کویتاسیون می‌شود، که رشد و انفجار حباب‌های خلاء در یک محیط مایع است. انفجار حباب‌های خلاء انرژی را به سیستم وارد می‌کند و انرژی آزاد اضافی را کاهش می‌دهد. بنابراین، نقاط کاشت و هسته‌زایی با نرخ بالا و در زمان زودتری آغاز می‌شوند. حدفاصل(هم کنشگاه) بین حباب کویستاسیونن و محلول، نیمی از یک مولکول محلول توسط حلال حل می‌شود، در حالی که نیمه دیگر از سطح مولکول توسط حباب کویتاسیون پوشیده می‌شود، در نتیجه  نرخ انحلال کاهش می‌یابد. از انحلال مجدد مولکول در حالی که اتصال مولکول‌ها در محلول افزایش می‌یابد جلوگیری می‌شود.

دوم، سونیکیشن رشد بلور را تسریع می‌کند. اختلاط اولتراسونیک رشد بلورها را با افزایش انتقال جرم و تراکم مولکول‌ها توسعه می‌دهد.

نتایجی که توسط سونیکیشن به دست می‌آیند می‌توانند توسط حالت سونیکیشن کنترل شوند:

سونیکیشن پیوسته:

فرآوری اولتراسونیک پیوسته محلول باعث ایجاد بسیاری از پایگاه‌های هسته‌زایی می‌شود، به طوری که تعداد زیادی از بلورهای کوچک ایجاد می‌شوند.

سونیکیشن پالس:

اعمال سونیکیشن پالس‌/‌چرخه‌ای امکان کنترل دقیق بر روی اندازه بلور را فراهم می‌کند.

سونیکیشن برای آغاز هسته‌زایی:

هنگامی که اولتراسوند فقط در طول آغاز فرآیند بلوری‌سازی اعمال می‌شود، تعداد محدودی از هسته‌ها تشکیل می‌شوند که سپس به اندازه بزرگتری رشد می‌کنند.

اولتراسونیک در زمان بلوری‌سازی، نرخ رشد، اندازه و شکل ساختارهای بلوری را می‌توان تحت تأثیر قرار دهد و کنترل کند. گزینه‌های مختلف سونیکیشن، فرآیندهای سونو-بلوری‌سازی را به دقت کنترل‌پذیر و تکرارپذیر می‌کنند.

کاویتاسیون اولتراسونیک

هنگامی که اولتراسوند با شدت بالا از طریق یک محیط مایع عبور می‌کند، موج‌های فشار بالا (انقباض) و فشار پایین (انبساط) به تناوب از طریق مایع عبور می‌کنند. هنگامی که فشار منفی ایجاد شده برای یک موج اولتراسونیک در یک مایع به اندازه کافی بزرگ باشد، فاصله بین مولکول‌های مایع از فاصله مولکولی کمینه مورد نیاز برای نگهداری مایع را تجاوز می‌کند، و سپس مایع به گونه‌ای که حباب‌های خالی یا خلاء ایجاد می‌شود، شکسته می‌شود. این حباب‌های خلاء همچنین به عنوان حباب‌های کاویتیشن شناخته می‌شوند.

حباب‌های کاویتیشن برای کاربردهای اولتراسونیک قدرتی مانند مخلوط کردن، پخش کردن، آسیاب کردن، استخراج و غیره، تحت شدت‌های اولتراسونیک بالاتر از 10 وات بر سانتی‌متر مربع رخ می‌دهند. حباب‌های کاویتیشن در طی چند چرخه‌ی فشار پایین / فشار بالا صوت به اندازه‌ای رشد می‌کنند که دیگر نتوانند انرژی بیشتری جذب کنند. هنگامی که یک حباب کاویتیشن به اندازه‌ی حداکثر خود رسید، در طی یک چرخه‌ی فشار، به طور خشن منهدم می‌شود. فروپاشی خشن یک حباب کاویتیشن موقت شرایطی بسیار شدید مانند دماها و فشارهای بسیار بالا، اختلاف فشارها و اختلاف دماهای بالا و جت‌های مایع ایجاد می‌کند. این نیروها منبع اثرات شیمیایی و مکانیکی استفاده شده در کاربردهای اولتراسونیک هستند. هر حباب فروپاشنده می‌تواند به عنوان یک میکروراکتور در نظر گرفته شود که دماهایی از چند هزار درجه و فشارهایی بالاتر از هزار فشار اتمسفر به صورت لحظه‌ای ایجاد می‌کند.

فسفر

فسفر یک منبع ضروری و تجدیدناپذیر است و کارشناسان پیش بینی می‌کنند که جهان به "نقطه اوج فسفر"، یعنی زمانی که تامین نیازهای افزایینده دیگر امکان پذیر نباشد، تقریباً در 20 سال آینده برسد. کمیسیون اروپا فسفر را به عنوان یک ماده خام حیاتی دسته‌بندی کرده است.

لجن فاضلاب اغلب به عنوان کود بر روی مزارع پخش می‌شود. با این حال، از آنجایی که لجن حاوی فسفات ارزشمند و همچنین فلزات سنگین مضر و آلاینده‌های آلی است، بسیاری از کشورها مانند آلمان با تعیین مقررات مقدار لجنی می‌تواند به عنوان کود استفاده شود را محدود می‌کنند. بسیاری از کشورها مانند آلمان دارای مقررات سختگیرانه کود هستند که آلودگی با فلزات سنگین را به شدت محدود می‌کنند. از آنجایی که فسفر یک منبع محدود است، مقررات لجن آلمان از سال 2017 از اپراتورهای تصفیه‌خانه را به بازیافت فسفات الزام می‌کند.

فسفر می‌تواند از فاضلاب، لجن، و همچنین از خاکستر لجن سوزانده شده بازیابی شود.
 

فسفات

فسفات، یک ترکیب شیمیایی معدنی، نمکی از اسید فسفریک است. فسفات‌های معدنی برای به دست آوردن فسفر برای استفاده در کشاورزی و صنعت استخراج می‌شوند. در شیمی آلی، یک فسفات یا ارگانوفسفات، استری از اسید فسفرییک است.

فسفات را با عنصر فسفر(نماد شیمیایی P) اشتباه نکنید. آن‌ها دو چیز متفاوت هستند. فسفر، یک غیرفلز چند ظرفیتی از گروه نیتروژن است، که به طور معمول در سنگ‌های فسفات معدنی یافت می‌شود.

فسفات‌های آلی در بیوشیمی و بیوژئوشیمی مهم هستند.

فسفات نام یون PO₄ ^3- است. اسید فسفریک، از سویی نام اسید سه‌پروتیک  H₃PO₃ است. این یک ترکیب از 3 یون H+ و یک یون فسفیت (PO₃^3-) است.

فسفر عنصر شیمیایی‌ای است که نماد P و شماره اتمی 15 دارد. ترکیبات فسفر همچنین به طور گسترده در مواد منفجره، عوامل عصبی، کبریت‌های اصطکاکی، آتش‌بازی، آفت‌کش‌ها، خمیر دندان و مواد شوینده استفاده می‌شوند.

استروویت

استروویت، همچنین به عنوان منیزیم آمونیوم فسفات (MAP) شناخته می‌شود، یک کانی فسفاتی با فرمول شیمیایی NH₄MgPO₄·6H₂O است. استروویت به صورت بلورهای هندسی مستطیلی به رنگ سفید تا زرد یا سفید مایل به قهوه‌ای یا به شکل‌های هرمی یا تخته‌ای شکل می‌گیرد. به عنوان یک کانی نرم، استروویت دارای سختی موهس 1.5 تا 2 و چگالی ویژه کمی حدود 1.7 است. در شرایط خنثی و قلیایی، استروویت به سختی حل می‌شود، اما می‌تواند به آسانی در اسید حل شود. بلورهای استروویت زمانی شکل می‌گیرند که نسبت مول به مول به مول (1:1:1) منیزیم، آمونیاک و فسفات در فاضلاب وجود داشته باشد. هر سه عنصر - منیزیم، آمونیاک و فسفات - به طور معمول در آب فاضلاب حاضر هستند: منیزیم به طور اصلی از خاک، آب دریا و آب آشامیدنی، آمونیاک از اوره در فاضلاب تجزیه می‌شود و فسفات از غذا، صابون‌ها و مواد شوینده به فاضلاب وارد می‌شود. با حضور این سه عنصر، احتمال تشکیل استروویت در مقادیر pH بالاتر، هدایت الکتریکی بالاتر، دماهای پایین‌تر و غلظت‌های بالاتر منیزیم، آمونیاک و فسفات بیشتر است. بازیابی فسفر از جریان‌های آب فاضلاب به عنوان استروویت و بازیافت این مواد مغذی به عنوان کود برای کشاورزی امیدوارکننده است.

استروویت یک کود معدنی ارزشمند کندآزادشونده مورد استفاده در کشاورزی است که مزایایی همچون گرانولی بودن، استفاده آسان و بدون بو را دارد.