O φωσφόρος είναι ένα χημικό στοιχείο με πολλές λειτουργικότητες. Μία από τις βασικές χρήσεις του είναι ότι αποτελεί αναντικατάστατο λίπασμα ενώ επιπλέον είναι βασικό συστατικό του γενετικού υλικού, των κυτταρικών μεμβρανών, των οστών και των δοντιών, απαραίτητο στοιχείο της διατροφής ανθρώπων και ζώων κλπ. Η παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων φωσφόρου στα υδάτινα οικοσυστήματα είναι ιδιαιτέρως βλαβερή καθώς αποτελεί την κύρια αιτία του ευτροφισμού. Αυξημένες ποσότητες φωσφόρου υπάρχουν στα αστικά υγρά απόβλητα, γεγονός που καθιστά αναγκαία την επεξεργασία τους για την απομάκρυνση του, πριν την τελική διάθεση τους στους υδάτινους αποδέκτες. Δεδομένου του ότι, ο φώσφορος προέρχεται από ορυκτά αποθέματα, τα οποία δεν είναι ανεξάντλητα, είναι επιβεβλημένη η ανάκτησή του, η οποία αποτελεί συμβολή στην αειφορία.
Μία από τις μεθόδους ανάκτησης του φωσφόρου η οποία κερδίζει όλο και περισσότερο ερευνητικό ενδιαφέρον τα τελευταία χρόνια, είναι η καταβύθιση του με την μορφή στρουβίτη. Ο στρουβίτης, (MgΝΗ4PO4.6H2O) είναι ένα λευκό κρυσταλλικό στερεό το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως βραδέως αποδεσμευόμενο λίπασμα, εμπλουτίζοντας τις καλλιέργειες με τρία από πιο βασικά θρεπτικά συστατικά.
Στην παρούσα εργασία μελετήθηκε η καταβύθιση στρουβίτη από υπέρκορα διαλύματα, η σύσταση των οποίων, προσομοιώνει την αντίστοιχη των αστικών υδατικών λυμάτων ως προς την περιεκτικότητα σε φωσφόρο και αμμωνία, σε αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας του 1L. Η κινητική της καταβύθισης μελετήθηκε σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού, pH 9.00 στους 25οC. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε διαλύματα υπέρκορα ως προς στρουβίτη, στα οποία η στοιχειομετρική αναλογία των πλεγματικών ιόντων, ήταν 1:1:1 και 1:1:3 ως προς οποιοδήποτε από τα τρία ιόντα. Επίσης, μελετήθηκε καταβύθιση του στρουβίτη σε υπέρκορα διαλύματα παρουσία Na¬2SO4 και με διαβίβαση αέρα μέσω των διαλυμάτων. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν, ότι ο ρυθμός καταβύθισης του στρουβίτη στα υπέρκορα διαλύματά του, εξαρτάται κυρίως από τον αντίστοιχο υπερκορεσμό, ο οποίος αποτελεί και την κινούσα δύναμη. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων έγινε με την βοήθεια της κλασσικής θεωρίας πυρηνογένεσης. Η εξάρτηση του χρόνου επαγωγής, ο οποίος μεσολαβούσε μεταξύ της παρασκευής των υπέρκορων διαλυμάτων και της ανίχνευσης των πρώτων υπερκρίσιμων πυρήνων, από τον υπερκορεσμό, έδωσε τιμές για την επιφανειακή ενέργεια της σχηματιζόμενης φάσης ίσης με 15mJ/m2, ενώ ο αριθμός των δομικών μονάδων οι οποίες συγκροτούν τον κρίσιμο πυρήνα, βρέθηκε ίσος με 9. Επίσης, ο ρυθμός, φάνηκε να επηρεάζεται σε μικρό βαθμό από την σχετική αναλογία των πλεγματικών ιόντων. Συγκεκριμένα, όταν η αναλογία των ιόντων Mg :NH3 :P ήταν 3:1:1 ή 1:1:3, οι ρυθμοί οι οποίοι μετρήθηκαν ήταν μεγαλύτεροι σε σύγκριση με τους αντίστοιχους σε διαλύματα με αναλογία 1:1:1. Σε όλες τις περιπτώσεις, το βραδύ στάδιο στον μηχανισμό της καταβύθισης ήταν η επιφανειακή διάχυση των δομικών μονάδων στους υπερκρίσιμους πυρήνες. Το αποτέλεσμα αυτό είναι σε συμφωνία με τα αντίστοιχα σε διαφορετικές τιμές pH, και υποδηλώνει και στην περίπτωση αυτή, τον καθοριστικό ρόλο της επιφάνειας στην οποία λαμβάνει χώρα η πυρηνογένεση. Η παρουσία άλλων ουσιών στο διάλυμα, όπως το Na¬2SO4, είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του ρυθμού αυθόρμητης καταβύθισης του στρουβίτη στα υπέρκορα διαλύματά του. Η διαβίβαση αέρα μέσα από τα υπέρκορα διαλύματα, είχε ως αποτέλεσμα την επιτάχυνση του ρυθμού καταβύθισης σε βαθμό ανάλογο με τον αντίστοιχο παρουσία Na¬2SO4. / Phosphorus is a multifunctional chemical element. One of it’s significant uses is that it consists a non substituted fertilizer, moreover it is one of the basic components of DNA, of cell membranes, bones, teeth, an essential element in human and animal nutrition etc. Increased phosphorous concentration in water systems can be particularly damaging since it is the main cause of eutrophication. Increased amounts of phosphorous have been demonstrated in municipal wastewaters, so processing is required in order to remove phosphorous before final disposal to aquatic systems. Taking into consideration that phosphorus comes from mineral deposits that are not infinite, recovery is demanded, offering a contribution to sustainability.
One of the recovery methods that is attracting more and more researcher’s interest over the past years is phosphorous precipitation as struvite. Struvite (MgΝΗ4PO4.6H2O) is a white mineral that can be used as a slow-release fertilizer, enriching agricultures with three of the basic nutrients.
In the present study was investigated struvite precipitation in supersaturated solutions, with composition similar to that of municipal wastewaters in phosphorous and ammonia, in 1L continuously operated reactor. The kinetics of spontaneous precipitation was studied at constant solution supersaturation, pH 9.00 and 25οC. The experiments were carried out in supersaturated solutions with stoichiometric molar ratio of the ions 1:1:1 and 1:1:3 for any of the three ions. Struvite precipitation in supersaturated solutions was also studied in the presence of Na¬2SO4 and transmission of air in the solutions. The results showed that the rate of struvite precipitation in supersaturated solutions mainly depends on the supersaturation in respect to the precipitating solid, which is the driving force. Results analysis was performed in accordance to the classical nucleation theory. The dependence of the induction time, the period of time between the achievement of supersaturation and the formation of the first critical nucleus, from supersaturation, lead to surface energy for the newly formed phase 15mJ/m2, and the number of molecules in a critical nucleus was calculated p=9. The rate of struvite precipitation proved to have a minor dependence on the ratio of the ions. More specifically, when stoichiometric molar ratio of the ions Mg :NH3 :P was 3:1:1 or 1:1:3, the calculated rates were a bit higher compared to the ratios in supersaturated solutions with stoichiometric molar ratio 1:1:1. In all the cases the slow step in the mechanism of precipitation was surface diffusion of the solute molecules on the critical nuclei surface. The results are in accordance with those under different pH values and suggest the importance of the surface where nuclei formation takes place. The presence of other substances in the solution, such as Na¬2SO4, resulted in an increased rate of struvite spontaneous precipitation in supersaturated solutions. The transmission of air through the supersaturated solutions also increased the rate of precipitation in a way similar to that under the presence of Na2SO4.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upatras.gr/oai:nemertes:10889/6326 |
| Date | 11 October 2013 |
| Creators | Ματσούκη, Νίκη |
| Contributors | Κουτσούκος, Πέτρος, Matsouki, Niki, Λαμπράκης, Νικόλαος, Καραπαναγιώτη, Χρυσή |
| Source Sets | University of Patras |
| Language | gr |
| Detected Language | Greek |
| Type | Thesis |
| Rights | 0 |
| Relation | Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. |
Page generated in 0.0027 seconds