אתגר ה-Phosphorus בהנדסת מים

Phosphorus הוא חומר תזונתי חיוני לצמיחה צמחית ומיקרוביאלית, אבל כאשר הוא נכנס לגופים מים עודף - לעתים קרובות מן ההמראה החקלאי, פסולת עירונית, או פוחתים תעשייתיים - זה הופך לנהג העיקרי של זיהום אוויר. Eutrophication. Eutrophication גורם algalphors צפוף כי deplete מתמוסס חמצן, להרוג חיים מימיים, רעלים, מים מזיקים ליישומים של שתייה ושיקום (Lentus) לעתים קרובות לענות עלות טמפרטורות יעילות מתחת למקורות אבטחה (Lentretexreative)

אדמירפורציה התפתחה כטכניקה מובילה להסרת זרחן, המציעה יעילות גבוהה, פשטות של פעולה, ואת היכולת לכוון ריכוזים נמוכים. בין החבילה הרחבה של פרסומות, זאוליטים - הן טבעיות וסינטטיות - מבינים את האזור הגבוה שלהם, מנגנוני מניעה, ion-change-exchanges, ויציבות כימית.

מה זה Zeolites ו- Adsorbents?

Zeolites: טבעי וסינטי Aluminosilicates

Zeolites הם מיקרו ⁇ גבישי אלומיניום עם מסגרת של tetrahedra מקושר על ידי אטומי חמצן. המבנה הרגיל שלהם (בדרך כלל 0.3–1.0 nm בקוטר) יוצר משטח פנימי גבוה - לעתים קרובות 300-800 m2 / g - המאפשר מודעות פיזיות והחלפת ion טבעי, כגון clinoptilolite, morite, ו vulite solites, כולל soledi, הם תאים אחרים, כמו soled ו soled, כולל straite straite, כולל soled s, כולל zezezezezezezezezezezeolites soled, כמו ⁇ straite straite, כולל straite straite straoled straite straite s solites soled, כולל solites s, כולל soled solites zezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezezeolites ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הנכס העיקרי להסרת זרחן הוא יכולת החלפתם (CEC), המאפשרת צלקות Native (למשל, Na+, K+, Ca2+, Mg2+) להיות מוחלף על ידי anions פוספט לאחר שינוי פני השטח. Unmodified zeolites טבעי יש מטען שלילי נטו ועדיף cations, כך מודעות ישירות phoptor הוא שינוי מוגבל, עם ⁇ reicly + ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מודעות נפוצות אחרות

מעבר לzeolites, מהנדסים בחנו חומרים רבים עבור מודעות פוספט:

  • (FLT:0) הפעלת פחמןFLT:1: המיוצר ביומסה, פחם או קליפות קוקוס, פחמן מופעל יש שטח משטח גבוה (עד 1500 מ '2 /g) ויכול להסיר פוספט, אבל הביצועים שלו הוא pH תלוי ולעתים קרובות נחות לחומרים ממו מתכת עד פונקציונלי.
  • (FLT:0)Alumina (Al2O3)FirLT:1): אלומיניום פעיל מציג זיקה טובה פוספט, במיוחד בחומצה למגוון pH נייטרלי.זה נפוץ נרחב בטיפול מים לשתייה עבור פלואוריד והסרת פוספט.
  • (FLT:0)Metal Oxides ו HydroxideFLT:1; תחמוצות ברזל (למשל, goethite, hematite), oxyhydroxides אלומיניום, וחומרים המבוססים על lanthanum יש קבועים מחייבים גבוה פוספט עקב מורכבות פנימית-ספירה.
  • (FLT:0)Layered Double hydroxides (LDHssteauFLT) 1:1: ידוע גם תרכובות דמויי הידרוטלקט, LDHs מורכב משכבות דומות בוטה עם סטיות בין-שכבות.
  • (FLT:0)BiocharveFLT:1: המיוצר על ידי שאריות חקלאיות pyrolyzing או שפכים ביושר ניתן לשנות עם מגנזיום או ברזל כדי לשפר את המודעות פוספט.הוא משמש גם כתיקון אדמה לאחר השימוש.
  • (FLT:0) מסגרות אורגניות (MOFserts)FLT:1: ננומטרים גבישיים אלה מציעים אזורי משטח גבוהים (עד 7000 m2 /g) וכימיה טונהבל. Zirconium מבוסס MOFs, כגון UiO-66, להראות phoseptivity יוצאת דופן אפילו בעקבים.

כל סוג של מודעות מגיע עם עלויות, יכולת מודעות, טווח התפעול של pH, פוטנציאל התחדשות והשפעה סביבתית.בחירה תלויה בכימיה של מים ספציפיים, מטרות פריקה ותקציב.

מכניזם של Phosphorus Removal

עקרונות אדים

זרחן במים קיים בעיקר כמושגים אורתאופוספוספט (H2PO4 - HPO42-, PO43-), עם ספקולציות נשלטות על ידי pH. Adsorption על משטחים מוצקים מתרחשת דרך שני מסלולים עיקריים:

  1. (FLT:0) נבחרות (outer-sphere) משיכה משיכה מושכת 1:1: סטיות פוספט נמשכים לאתרים טעונים חיובי על המודעות.זה חלש יחסית והפך, מושפע מאוד על ידי כוח איטוני ו anions מתחרים (למשל, sulfate, nitrate).
  2. (FLT:0) חילופי שטחים (מורכבות בספירה) 1: פוספט מפלס הידרוקסיל או מולקולות מים מתואמות לצלומי מתכת משטח (למשל, Fe-OH, Al-OH) כדי ליצור קשרים כימיים חזקים.מנגנון זה הוא במידה רבה בלתי הפיך בתנאים רגילים - הפוספט הוא למעשה לא מופרך עד שהפרסומות הגלובות מבחינה כימית.

עבור זאוליטים, המנגנון העיקרי לאחר שינוי מתכת הוא החלפת ligand בין קבוצות פוספט ומשטח הידרוקסיל על המתכת העוטה.התגובה יכולה להיות כתובה באופן סכאמטי כמו:

⁇ Fe-OH + H2PO4 - ⁇ Fe-H2PO4+ OH-

מנגנון זה נותן בחירה גבוהה עבור פוספט על פני מושגים מונו-ערך כמו chloride או nitrate, והוא עובד הכי טוב בחומצה קטנה ל pH נייטרלי (5-7), שבו פני השטח הם פרוטון.

גורמי מפתח המשפיעים על יציבות מחדש

  • (FLT:0)pHoriFLT:1: עבור מודעות המבוססות על מתכת-חמצני, ספויפטפט מקסימלי מתרחש ב- pH 4-6.ב pH גבוה יותר, הידרוקסיל מתחרים על אתרי מודעות, צמצום יכולת.
  • (FLT:0) Contact TimeigmLT:1; מודעות phophate היא בתחילה מהירה (תגובה היסטורית) ואחריו איטי יותר של דיפוזיה חלקיקים.
  • (FLT:0) TemperatureFLT:1: Adsorption היא בדרך כלל זניחה עבור פוספט; טמפרטורות גבוהות יותר (20–40 מעלות צלזיוס) לשפר את יכולת הצניעות, אם כי מערכות מעשיות פועלות בטמפרטורות מים ממושכות.
  • (FLT:0) ריכוז פוספט 1 בינואר: ריכוזים גבוהים יותר מגבירים את כוח הנהיגה, אך גם אתרי ריצוף מהירים יותר. Langmuir ו- Freundlich isotherms משמשים כדי ליצור איזון מודל.
  • (FLT:0) חישובים של ההרחבה:1: Silicate, bicarbonate, חומר אורגני יכול להפחית באופן משמעותי את pusuptake על כמה פרסומות (במיוחד אלומיניום ו תחמוצת ברזל).
  • (FLT:0) אזור ו porosityFIRLT:1; חומרים Meso ⁇ (2–50 nm pores) לבצע טוב יותר מאשר מיקרו ⁇ טהורים כי סטיות פוספט (גודל -0.4 nm) יכולים לגשת לאתרים פנימיים ללא הגבלה דיפוזיה.

יישומים הנדסיים

מוצרי טיפול במים

צמחי טיפול במים עירוניים (WTPs) לעתים קרובות להשתמש להסרת זרחן ביולוגי (ההעברה של זרחן ביולוגית זרחן, EBPR) ואחריו משקעים כימיים עם אלומיניום או ferric chloride.עם זאת, ללטש צעדים באמצעות מסננים של מודעות יכול להשיג רמות פריקה אולטרה סגול (למשל, <0.05 מ"ג / L Zeite-L) אשר לעתים קרובות דורשות דלקת מפרקים או טיפול תרופתי.

Wetlands

רטובות לבנות הן מערכות טיפול פסיביות שמסתמך על צמחייה, פעילות מיקרוביאלית, וחומרים תת-מסובכים להסרת חומרים מזינים. Relement או amending את המשטח הרטוב עם מודעות זרחן גבוה - כגון שדות ברזל מסולקים zeolite, zenace slag, או חול תגובתי - יכול לשפר באופן דרמטי את זרחן המוח (Freperus) של שנים ארוכות לפני שיבולים של פעילות גופנית (reshto-reshto-ret) הוא ארוך-reshto-reicht) הוא ארוך-reshto-reshto-reshto-reshto-reshto-reshto-rece) של שנים.

טיפול תעשייתי

תעשיות כגון ייצור דשן, עיבוד מזון, ו- Semiconductor ייצור הפריה של זרחן המכיל effluents כי חייב לציית לגבולות השחרור המקומי. Adsorption מערכות באמצעות מדיה מותאמת (למשל, ביושר או זאוליטים סינתטיים) מציעים פתרון גמיש, מודולרי.בתעשיית המוליכים למחצה, דרישות מים אולטרה סגול לעתים קרובות לדרוש phosphorus מופחתת ל-micropertextextexts; שילוב של רמות מתכת היברידיות אלה.

מערכות Aquadustry

Recirculating מערכות תרבותqua (RAS) לצבור זרחן מהזנת ופסולת דגים, המוביל להידרדרות איכות המים אם לא הוסרו. פילטרים Zeolite משמשים כדי ללכוד ammonia מפוספס, אבל זאוליט שונה גם מסיר פוספט, משרת מוצרים מסחריים כפולים כמו "PhosEater" (ממת) הם שוק עבור חימר משומרים משומרים כדי למנוע פגיעה דגים ללא פגע.

Stormwater and Agricultural Runoff

זיהום ממקור לא נקודתי משדות חקלאיים וממים עירוניים תורם עומס זרחן משמעותי למים על פני השטח. מחסומים תגובתיים בלתי ניתנים לחזרה (PRBs) מלאים בחומרים של זרחן (PSMs) כגון פלדה slag, זבוב אפר, או zeolite ממות ברזל מותקנים יחד עם תפיכות ניקוז או סופות מים.

יתרונות ואתגרים

יתרונות

  • <חזק> יעילות הסרה גבוהה: zeolites Modified ופרסומות אחרות יכולות להפחית זרחן ל <0.1 מ"ג / L, לעמוד בסטנדרטים של פריקה מחמירה.
  • (FLT:0) zeolites טבעי בשפע וזול (בדרך כלל $ 10-0.50 / kg) גירסאות סינתטיות עולה יותר אבל ניתן לשחזר פעמים רבות, הורדת עלות מחזור החיים.
  • (FLT:0) ידידותיות הדדית של חברויות הדדית (Environmental FriendityFLT:1): מודעות Spentsorbents עשיר זרחן יכול לשמש ככל האפשר כמו דשנים איטיים, היישר עם עקרונות כלכלה מעגלית.
  • (ב) פשטות:0 (הסריקות) והאנרגיה הנמוכה של אנרגיה נמוכה (FLT:1): מערכות מודעות פאסיביות דורשות פיקוח תפעולי מינימלי ואין אספקת אנרגיה מעבר לשאיבה.

אתגרים

  • (FLT:0) רוויה לאורך זמןFLT:1: לכל המודעות יש יכולת סופית.Breakthrough מתרחשת כאשר אתרי מודעות הם תפוסים, הדורשים החלפת מדיה או חידוש.
  • (FLT:0) חידוש וסילוקופרופ':1: התחדשות כימית (למשל, באמצעות OH או HCl) מייצרת פתרון פוספט מרוכז שיש לטפל בו או להדבק בו.
  • (FLT:0) סלקטיביות והתערבות:1: במים טבעיים, חומר אורגני מומס, סיליקה ו anions אחרים יכולים להתחרות באתרי מודעות, צמצום הסרת פוספטים. חלק חומרים (למשל, lanum-modified bentonite) להראותסלקטיביות גבוהה אך יקרים.
  • (FLT:0)pH אילוצים FLT:1: רוב המודעות המבוססות על מתכת מבצעים את הטוב ביותר בחומצה לתנאים נייטרליים. in alkaline Wastewaters (למשל, מפולנטים בתעשייה קונקרטית), ניתן יהיה צורך בקיבולת טיפות.
  • (FLT:0)Scale-up ומגבלות הידראוליות FLT:1; מחקרים בקנה מידה מעבדה לעתים קרובות להעריך ביצועים בעולם האמיתי ב מיטות ארוזות, שבו תקשור, רעוע וצמיחה ביופיל להפחית את יעילות הקשר.

פרספקטיבה עתידית

חומרים ננו-מבנים ו- Composite

השקעה ב- nanoטכנולוגיה מניבה מודעות עם יחס גבוה מאוד על פני השטח ל-volume. לדוגמה, nanoscale Zero-valent ברזל (nZVI) המושפע על תמיכה זאוליטית מראה קינטיקה מהירה יותר וקיבולת גבוהה יותר מאשר micron-גודל ברזל. בדומה, גרפן oxides עם La(OH) חלקיקים יכולים להשיג 200 מ"ג / g, יכולת מעל פני חומרים מסורתיים.

Reuse אסטרטגיות

(הופנה מהדף [[1924]]]]]]]] [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]

מערכות טיפול משולב

הנדסה עתידית תשלב מודעות שונות בסדרה או היברידית מודעות עם תהליכי membrane (למשל, membrane bioreactors עם מודעות באינטרנט) מודלים של שילוב באמצעות משוואות תגובה-טרנספורט יכול לייעל עומק מדיה, קצבי זרימה, והתחדשות עבור תנאי הזנה ספציפיים.

מדיניות ונהגים רגולטוריים

מגמות גלובליות למגבלות פריקה תזונתיות מחמירות יותר - כגון האיחוד האירופי Water Framework Directive ו-EPA ארה"ב EPA המליץ גבולות - ימשיכו להניע אימוץ טכנולוגיות מודעות אורטיות.בנוסף, חששות של מחסור בחיות זרחן (אירופה מייצאת את רוב זרחן) להגביר את אסטרטגיות ההתאוששות, של אשר מודעות הן מרכיב מרכזי.

לקריאה נוספת, המשאבים החיצוניים הבאים מספקים מידע והדרכה סמכותיים:

  • (FLT:0) EPA חומרים מזינים של זיהום PageuaFLT:1) - הקשר הרגולטורי והטכנולוגיות הזמינות ביותר.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]], [ה], [ה], [ה]], [ה]], [ה]]], [ה]], [ה], [ה], [ה]], [ה]]], [הניתוח מקיף של חומרים ממותקים מן ה-[[המאה ה']:2 מקורות מים]

מסקנה

Zetites - במיוחד לאחר שינוי חד-חמצני מתכת - נשאר אחד המודעות המעשיות ביותר עבור הסרת זרחן ביישומים הנדסיים - יכולת גבוהה שלהם, עלות נמוכה, והתאמה עם מגרות מים שונות להפוך אותם לבחירה ללכת לבחירה עבור שלבים לוטש טיפול במים, בנוי רטובות, ואפקטיבי תעשייתי, עם זאת, אף על פי כן, לא אחד פותר כל אתגר עתידי בשילוב חכם של חומרים ממריצים, כמו גם חומרים משגשגים, עם חומרים ממוחזרים יעילים של חומרים ביולוגיים, כמו גם חומרים מתחרותיים, כמו גם חומרים ממוחזרים, כמו גם חומרים ממולאיים, כמו גם חומרים המבוססים על ידי פונקציות איכות הסביבה יעילה, כמו גם על ידי פונקציות, כמו גם על ידי פונקציות.