Ανάκτηση ανόργανων φωσφορικών από υδατικά διαλύματα

Abstract

Η δέσμευση του φωσφόρου με την μορφή φωσφορικών αλάτων όπως ο στρουβίτης (MgNH4PO4·6H2O) θεωρείται μια από τις εναλλακτικές και πολλά υποσχόμενες μεθόδους για την ανάκτηση του φωσφόρου από το υπερκείμενο υγρό της λάσπης στις διεργασίες επεξεργασίας υγρών αποβλήτων. Ο στρουβίτης ή αλλιώς εξαένυδρο εναμμώνιο φωσφορικό μαγνήσιο αποτελείται από λευκούς πρισματικούς κρυστάλλους μέσου μεγέθους 30μm. Ο στρουβίτης χρησιμοποιείται απευθείας ως ένα εξαιρετικό, αργά αποδεσμευόμενο λίπασμα λόγω της χαμηλής διαλυτότητάς του και της παρουσίας των θρεπτικών, αζώτου N και φωσφόρου P, στοιχεία απαραίτητα για την ανάπτυξη των φυτών. Συμβάλλει παράλληλα στην αειφόρο ανάπτυξη μέσω εξοικονόμησης πρώτων υλών ενώ γίνονται προσπάθειες να χρησιμοποιηθεί ως υλικό για την σταθεροποίηση αμμωδών ή χαλαρά-συνδεδεμένων εδαφών. Μέχρι σήμερα έχουν υπάρξει αρκετές βιβλιογραφικές αναφορές στην καταβύθιση του στρουβίτη ως μεθόδου ανάκτησης του φωσφόρου, στην πλειοψηφία όμως αυτών είτε τα πειράματα διεξάγονται σε έναν απλό ηλεκτρολύτη ή δε δίνονται επαρκείς πληροφορίες για την συσχέτιση των θερμοδυναμικών με τα κινητικά και μηχανιστικά αποτελέσματα του φαινομένου. Η διαλυτότητα του στρουβίτη προσδιορίστηκε log 0 = ?13.68 ± 0.26 sp K , προσεγγίζοντας την ισορροπία από υπέρκορα και ακόρεστα διαλύματα σε διαφορετικές τιμές ιονικής ισχύος. Στους υπολογισμούς ελήφθησαν υπόψη η επίδραση της ιονικής ισχύος του διαλύματος στις ενεργές συγκεντρώσεις των ιόντων και όλα τα χημικά είδη και σχηματιζόμενα σύμπλοκα της υδατικής φάσης χρησιμοποιώντας την ημιεμπειρική εξίσωση Davies στον διορθωμένο οριακό νόμο των Debye-Huckel. Οι συνθετικά παρασκευασμένοι κρύσταλλοι στρουβίτη, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν για τον προσδιορισμό της διαλυτότητας, ως κρυσταλλικά φύτρα καταβύθισης αλλά και για την μελέτη της διάλυσης του στρουβίτη, ήταν πρισματικοί μεγέθους 20-30μm και με ειδική επιφάνεια περίπου 10m2·g-1. Η επιφάνεια των κρυστάλλων βρέθηκε αρνητικά φορτισμένη, όπως αποδείχτηκε από τις μετρήσεις του ζ-δυναμικού σε αιωρήματα στρουβίτη σε χλωριούχο νάτριο και σε συνθετικό απόβλητο. Οι κρύσταλλοι του στρουβίτη κατά την παραμονή τους σε συνθήκες θερμοκρασίας και υγρασίας περιβάλλοντος για μεγάλο χρονικό διάστημα, αφυδατώνονται και μετατρέπονται σε κρυστάλλους μονοένυδρου εναμμώνιου φωσφορικού μαγνησίου MgNH4PO4.H2O. Η μελέτη της καταβύθισης του στρουβίτη από υπέρκορα διαλύματα έγινε σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου και σε σταθερή θερμοκρασία (25oC). Η κινητική της καταβύθισης του στρουβίτη μελετήθηκε χρησιμοποιώντας τις μεθόδους σταθερού pH και σταθερού υπερκορεσμού με βάση την μεταβολή του pH του διαλύματος έναντι του χρόνου σε συνθετικά υδατικά απόβλητα. Η παρακολούθηση της καταβύθισης έγινε με αισθητήρα συνδυασμένο ηλεκτρόδιο υάλου με αναφορά Ag/AgCl/KCl(sat.). Η καταβύθιση του στρουβίτη σε υπέρκορα διαλύματά του εξαρτάται κυρίως από τον υπερκορεσμό ως προς την καταβυθιζόμενη φάση, την θερμοκρασία και την παρουσία άλλων ιόντων ή ουσιών στο διάλυμα. Η ρύθμιση του υπερκορεσμού γινόταν με βάση τις συγκεντρώσεις των ιόντων Mg2+, PO43-, NH4+ και του pH. Σε όλα τα πειράματα διατηρήθηκε η στοιχειομετρική αναλογία 1:1:1 των αντιστοίχων ιόντων στα διαλύματα εργασίας. Αρχικά διερευνήθηκε ο αυθόρμητος σχηματισμός του στρουβίτη σε συνθήκες σταθερού pH και σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού. Η επιφανειακή ενέργεια αυθόρμητου σχηματισμού του στρουβίτη σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού στους 25oC και για pH 8.50 υπολογίστηκε σύμφωνα με την κλασική θεωρία της πυρηνογένεσης γs =16 mJ·m-2. Οι χρόνοι επαγωγής, οι οποίοι προηγούνται του σχηματισμού των υπερκρίσιμων πυρήνων, αυξάνονται απότομα με την μείωση του υπερκορεσμού των διαλυμάτων, φανερώνοντας ότι τα όρια σταθερότητας του συστήματος είναι πολύ στενά. Η εξάρτηση του ρυθμού καταβύθισης από τον υπερκορεσμό των αντίστοιχων διαλυμάτων έδειξε ότι το βραδύ στάδιο, το οποίο και ελέγχει την καταβύθιση του στρουβίτη σε συνθετικά υδατικά απόβλητα είναι η διάχυση των δομικών μονάδων στην επιφάνεια των υπερκρίσιμων πυρήνων.μονάδων.