持続可能なリン酸塩除去と回収のためのpH感受性イオン交換体の電気アシスト再生

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Water Res..2020 Jul;184:116167. S0043-1354(20)30704-1. doi: 10.1016/j.watres.2020.116167.Epub 2020-07-10.

持続可能なリン酸塩除去と回収のためのpH感受性イオン交換体の電気アシスト再生

Electro-assisted regeneration of pH-sensitive ion exchangers for sustainable phosphate removal and recovery.

Hang Dong
Lingze Wei
William A Tarpeh

PMID: 32682079 DOI: 10.1016/j.watres.2020.116167.

抄録

廃水からリン酸塩を除去・回収することで、環境への悪影響を最小限に抑え、肥料の供給を補うことができます。ハイブリッド陰イオン交換器（HAIX、ドープ酸化第二鉄ナノ粒子（FeOnp）を用いた）は、複雑な排水からリン酸塩を除去し、濃厚なリン酸塩溶液を回収することができます。本研究では、HAIXと弱酸性陽イオン交換体(WAC)を統合して、マイルドな再生剤中のリン酸塩とカルシウムを濃縮し、両元素を沈殿させて回収することを試みました。また、強酸と塩基の入力を避けるために、電気アシスト再生法を実証した。両物質のpH感受性に基づいて、電気化学的に生成されたマイルドな電解質（pH3とpH11）は、典型的な再生材の100-1000倍の濃度であり、5回のバッチ吸着再生サイクルにおいて、80%のWACと50%のHAIX容量を維持した。HAIX中のFeOnpは、pH感度が高く、樹脂粒子表面に分布している可能性が高いため、再生を促進し、粒子内拡散経路の長さを減少させることができた。カラム試験では、合成廃水（3mg P/L）からのリン酸塩の繰り返し除去（95％以上）を、20kWh/kg Pのエネルギー消費で達成しました。除去後、バッチ実験と同様の50%HAIX再生効率が達成された。使用済み再生材では、95%以上のリンがハイドロキシアパタイトとして回収された。この新しいアプローチは、化学物質の投入を最小限に抑えることでイオン交換を促進するものである。

Removal and recovery of phosphate from wastewater can minimize deleterious environmental impacts and supplement fertilizer supply. Hybrid anion exchangers (HAIX, with doped ferric oxide nanoparticles (FeOnp)) can remove phosphate from complex wastewaters and recover concentrated phosphate solutions. In this study, we integrate HAIX with a weak acid cation exchanger (WAC) to enrich phosphate and calcium in mild regenerants and precipitate both elements for recovery. We demonstrated an electro-assisted regeneration approach to avoid strong acid and base input. Based on demonstrated pH sensitivities of both materials, electrochemically produced mild electrolytes (pH 3 and pH 11), which are 100-1000 times less concentrated than typical regenerants, preserved 80% WAC and 50% HAIX capacities over five batch adsorption-regeneration cycles. FeOnp in HAIX facilitated regeneration due to pH sensitivity and their likely distribution on the resin particle surface, which reduced intraparticle diffusion path length. In column tests, repeatable phosphate removal (> 95%) from synthetic wastewater (3 mg P/L) was achieved with 20 kWh/kg P specific energy consumption. After removal, a similar 50% HAIX regeneration efficiency as batch experiments was achieved. In spent regenerant, more than 95% phosphorus was recovered as hydroxyapatite. This novel approach enhances ion exchange by minimizing chemical inputs.