{"id":16035,"date":"2026-06-18T12:08:27","date_gmt":"2026-06-18T12:08:27","guid":{"rendered":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/portfolio\/sophie-banke\/"},"modified":"2026-06-18T12:08:35","modified_gmt":"2026-06-18T12:08:35","slug":"sophie-banke","status":"publish","type":"us_portfolio","link":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/portfolio\/sophie-banke\/","title":{"rendered":"Sophie Banke"},"content":{"rendered":"","protected":true},"excerpt":{"rendered":"","protected":true},"author":7,"featured_media":16036,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"us_portfolio_category":[45],"class_list":["post-16035","us_portfolio","type-us_portfolio","status-publish","post-password-required","hentry","us_portfolio_category-new-template"],"acf":{"naam_van_het_proefschift":"Vivianite formation in organic-rich matrices","samenvatting":"De wereldwijde fosforproblematiek omvat twee nauw verbonden vraagstukken. Ten eerste, het waarborgen van een duurzame aanvoer van fosfor, een element dat essentieel is voor alle levende organismen en een cruciaal bestanddeel vormt van minerale meststoffen. Tegenwoordig wordt het merendeel van het fosfaaterts gewonnen in een beperkt aantal regio\u2019s, waaronder Marokko, Rusland, de Verenigde Staten en China. Deze geografische concentratie cre\u00ebert leveringsrisico\u2019s voor landen met weinig tot geen winbare fosfaatvoorraden, zoals de lidstaten van de Europese Unie, waardoor de fosforzekerheid steeds gevoeliger wordt voor geopolitieke spanningen. Ten tweede leidt het overwegend lineaire gebruik van gewonnen fosfor tot accumulatie in stortplaatsen en landbouwbodems, en uiteindelijk uitspoeling naar aquatische systemen. In deze omgevingen fungeert fosfor als limiterend nutri\u00ebnt dat eutrofi\u00ebring versnelt en overmatige algengroei, hypoxie en aantasting van aquatische ecosystemen veroorzaakt. Om zowel de leveringsonzekerheid als de milieudruk te verminderen, is fosforterugwinning uit secundaire stromen, specifiek mest, zuiveringsslib en waterbodems die de focus vormen van dit proefschrift, naar voren gekomen als een essenti\u00eble strategie.\n\nIn alle drie de matrices, mest, zuiveringsslib en waterbodems, ontwikkelen zich gemakkelijk anaerobe omstandigheden, zoals in vergistingsreactoren of opslagbassins. Onder dergelijke omstandigheden, en in de aanwezigheid van voldoende ijzer, hetzij doelbewust gedoseerd als coagulant om zwavelemissies te beheersen en fosfor te precipiteren, hetzij van nature aanwezig, kan het ferro-fosfaatmineraal vivianiet (Fe\u2083(PO\u2084)\u2082\u20228H\u2082O) worden gevormd. De hoge thermodynamische stabiliteit en paramagnetische eigenschappen van vivianiet maken het tot een bijzonder aantrekkelijk mineraal voor fosforterugwinning, omdat hiermee fosfaat kan worden gekristalliseerd in \u00e9\u00e9n minerale fase die vervolgens magnetisch kan worden gescheiden. Magnetische terugwinning is herhaaldelijk gedemonstreerd op pilotschaal in vergist slib, wat het belang onderstreept van onderzoek naar vivianietvorming in andere matrices om zowel belemmeringen als systeembrede synergie\u00ebn te identificeren.\n\nEerder onderzoek identificeerde beperkingen voor vivianietvorming in varkensmest bij pogingen om de fijne magnesium- en calciumgebonden fosfaatdeeltjes (<150 \u03bcm) te herkristalliseren tot \u00e9\u00e9n ferro-fosfaatfase. IJzerdoseringen die driemaal hoger waren dan welke nodig zijn voor vivianietvorming in vergist zuiveringsslib bleken noodzakelijk om effici\u00ebnt vivianiet te vormen in varkensmest. De aanvankelijke hypothese ging uit van een onderscheidende samenstelling van organische stof in mest ten opzichte van slib, in lijn met sedimentstudies die suggereren dat circa 25% van het ijzer-equivalent aan organisch koolstof moet worden gebonden voordat vivianiet kan vormen.\n\nOm een beter begrip te krijgen omtrent de rol van organisch materiaal en vivianietvorming in mest werd in Hoofdstuk 2 de P\/DOC-schaal ge\u00efntroduceerd, die het aantal mmol opgelost fosfor per mol opgelost organisch koolstof uitdrukt, om te bepalen hoe verschillende organische verbindingen de ijzer-fosforbinding be\u00efnvloeden. Met deze schaal werden organische liganden zoals bipyridine, citraat, humaat, alginaat, acetaat en opgeloste organische stof (DOM) uit varkensmest gerangschikt naar hun vermogen om vivianiet op te lossen of de vorming ervan te remmen. Experimenten met individuele liganden in ultrapuur water, in aanwezigheid van fosfaat en ijzer, maakten het mogelijk om de waargenomen effecten van individuele componenten toe te schrijven aan vivianietvorming of -oplossing, en aan specifieke moleculaire structuren. Citraat, wat veelvuldig wordt uitgescheiden door plantenwortels, remde de vorming van vivianiet volledig en loste circa 50% van het mineraal op, wat de geschiktheid van vivianiet als langzaam vrijkomende meststof onderbouwt. Humaat, representatief voor natuurlijke organische afbraakproducten, loste ongeveer 10% van het vivianiet op en remde de vorming met 40%, in overeenstemming met gedrag dat wordt verwacht in bodems. Daarentegen remde mest-afgeleid DOM de vivianietvorming niet en loste het slechts beperkte hoeveelheden op, en be\u00efnvloedde het voornamelijk de kristalmorfologie. Deze bevindingen lieten zien dat organische stof op zichzelf de beperkte vivianietvorming in varkensmest niet verklaart.\n\nEen alternatieve verklaring voor de verminderde vivianietvorming in mest was daarom nodig. Hoewel vivianietgerichte fosforterugwinning niet eerder in mest was onderzocht, is de terugwinning van calciumfosfaten en struviet w\u00e9l uitgebreid bestudeerd. Een belangrijke belemmering voor de vorming van deze mineralen in mest is competitieve carbonaatbinding, een gevolg van de intrinsiek hoge alkaliniteit van mest. In Hoofdstuk 3 werd aangetoond dat in oude en vergiste mestmonsters sideriet (FeCO\u2083), een ferro-carbonaatmineraal, zich preferentieel vormt boven vivianiet. Dit gedrag bleek te worden bepaald door een drempelwaarde voor opgelost anorganisch koolstof (DIC), waarboven carbonaat het wint van fosfaat in de binding met ferro-ijzer. Het verlagen van de carbonaatbeschikbaarheid verhoogde het aandeel fosfaat dat als vivianiet precipiteerde: dit was gemakkelijker te bereiken in verse mest met lage DIC en op labschaal, door carbonaten en ammonium te strippen uit vergiste mest met N\u2082. Daarnaast werd sideriet gedetecteerd in thermisch gehydrolyseerd, vergist slib bij circa 3 g\/L carbonaat, wat aantoont dat carbonaatremming verder reikt dan mest en de matrixvergelijkende benadering van dit proefschrift bevestigt.\n\nIn Hoofdstuk 4 werd de vorming van vivianiet in opgebaggerd sediment onderzocht als mogelijke strategie om sedimenthergebruik of -circulatie te verbeteren in het kader van herstel van meren en plassen. Hoewel het meerwater verhoogde opgeloste fosfaatconcentraties vertoonde zoals typisch is voor eutrofe meren (~2 mg\/L), trad vivianietprecipitatie na ijzerdosering alleen op wanneer aanvullend fosfaat werd toegevoegd. Dit wijst erop dat onder natuurlijke omstandigheden ijzer vooral bindt aan concurrerende anionen zoals carbonaat en sulfide, en mogelijk organische liganden. Eerder werk had al aangetoond dat vivianiet slechts vormt wanneer fosfaat vooraf is geadsorbeerd aan ijzeroxhydroxiden v\u00f3\u00f3r anaerobe incubatie. Samen suggereren deze bevindingen dat de beschikbaarheid van fosfaat laag is in sedimenten en dat vivianiet waarschijnlijk alleen vormt waar ijzer en fosfaat lokaal samen voorkomen. Kwantificatie van vivianiet in sediment werd verder bemoeilijkt doordat M\u00f6ssbauer-spectroscopie het natuurlijk voorkomende vivianiet niet detecteerde, terwijl deze techniek in mest en slib w\u00e9l betrouwbaar is. Deze analytische uitdagingen benadrukken de noodzaak van ge\u00efntegreerde spectroscopische, microscopische en extractiegebaseerde methoden. Al met al lijkt vivianietterugwinning uit gebaggerde sedimenten beperkt toespasbaar.\n\nTot slot werd in Hoofdstuk 5 de vorming van vivianiet uit ijzersulfiden onderzocht. IJzersulfiden vormen zich doorgaans v\u00f3\u00f3r vivianiet, maar de chemie van Fe en sulfide interacties (FeS\u2093) blijft moeilijk te karakteriseren, vooral in afwezigheid van kristallijne sulfidefasen zoals pyriet (FeS\u2082). De gecontroleerde oxidatie van ijzersulfiden, FeS\u2093, via micro-a\u00ebratie bij verschillende oxidatie-reductiepotentialen (ORP) in vergist slib werd onderzocht, met als doel de omzetting van sulfides in elementair zwavel, terwijl Fe(II) beschikbaar blijft voor vivianietvorming. De pyriet-achtige fase die door M\u00f6ssbauer-spectroscopie werd gedetecteerd bleef echter aanwezig en het vivianietgehalte in beluchte vaste fracties nam af. De stijgende opgeloste zwavelconcentraties en dalende opgeloste fosfaatconcentraties duiden op interacties tussen ijzer en fosfaat. Twee hypothesen werden voorgesteld: (i) gekoppelde oxidatie van een labiele FeS\u2093-fase met gelijktijdige fosfaatprecipitatie of -adsorptie aan geoxideerd ijzer; (ii) ontkoppelde oxidatie waarbij elementair zwavel wordt geoxideerd terwijl ijzer in gemengde oxidatietoestanden (bijv. green rust) oxideert en fosfaat bindt of adsorbeert. Hoewel vernietiging van sulfiden niet overtuigend kon worden aangetoond, wijst de waargenomen daling in oplosbaar fosfaat op een praktische route voor verbeterde fosforverwijdering zonder extra ijzerdosering, en vormt het een stimulans voor verder onderzoek naar Fe\u2013S-speciatiedynamiek.\n\nDit proefschrift laat zien dat in mest, waterbodems en vergist slib dominante beperkingen voor vivianietvorming bestaan die specifiek gerelateerd zijn aan: carbonaatcompetitie in sterk alkalische matrices zoals mest en bepaalde slibsoorten; beperkte fosfaatbeschikbaarheid en analytische uitdagingen in sediment; en ijzersulfidevorming in alle drie onderzochte matrices. De carbonaatbarri\u00e8re in sterk alkalische omgevingen kan worden overwonnen, waardoor vivianietterugwinning uit varkensmest technisch haalbaar blijkt. In bredere zin spelen de huidige politieke en economische contexten in de landbouw-, milieu- en sanitairesector, evenals het ontbreken van robuuste fosforbeheerstrategie\u00ebn, een bepalende rol bij de verkenning van vivianietgebaseerde fosforterugwinning. Dit onderstreept dat intersectorale samenwerking, hoewel steeds benadrukt, in de praktijk vaak tekortschiet, en dat alleen werkelijk transdisciplinaire inspanningen, zoals binnen het RecaP-project, realistische vooruitzichten bieden voor het aanpakken van de Global Phosphorus Challenge.","summary":"The global phosphorus challenge encompasses two interrelated issues. First, ensuring a sustainable supply of phosphorus, an element essential for all living organisms and a critical component of mineral fertilizers. Today, most phosphate rock is extracted from a concentrated set of regions, including Morocco, Russia, the United States, and China. This geographical imbalance creates supply vulnerabilities for countries with little or no mineable phosphate resources, such as those within the European Union, whose phosphorus security is increasingly exposed to geopolitical tensions. Second, the predominantly linear use of mined phosphorus results in its accumulation in landfills, long-term build-up in agricultural soils, and eventual runoff into aquatic systems. In these environments, phosphorus acts as a limiting nutrient, accelerating eutrophication and triggering excessive algal growth, hypoxia, and the degradation of aquatic ecosystems. To address both supply insecurity and environmental pressures, phosphorus recovery from secondary streams, specifically manure, wastewater treatment sludges, and lake sediments, which form the focus of this thesis, has emerged as a vital strategy.\n\nAcross all three matrices, manure, wastewater treatment sludge, and lake sediments, anaerobic conditions readily develop when oxygen supply is interrupted, as in digestion reactors or storage tanks. Under these conditions, and in the presence of sufficient iron, either dosed intentionally as a coagulant to control sulphur emissions and precipitate phosphorus or present naturally in lake sediments, the ferrous phosphate mineral vivianite (Fe\u2083(PO\u2084)\u2082\u20228H\u2082O) can form. The high thermodynamic stability and paramagnetic properties of vivianite make it a particularly attractive target for phosphorus recovery, as it allows for the crystallization of phosphate into a single mineral phase that can subsequently be magnetically separated. Magnetic recovery has been repeatedly demonstrated at pilot scale in digested sludge, underscoring the value of investigating vivianite formation across multiple matrices to identify both barriers and cross-system synergies.\n\nPrevious work identified constraints on vivianite formation in pig manure when aiming to recrystallize the fine magnesium- and calcium-bound phosphate particles (<150 \u03bcm) into a single ferrous phosphate phase. Iron doses three times higher than those required to form vivianite in digested sludge were needed to efficiently form vivianite in pig manure. The initial working hypothesis attributed this effect to the distinct composition of manure organics relative to sludge, drawing on sediment studies that proposed that 25% of the iron equivalent to organic carbon must be dosed before vivianite formation. However, attributing the limitation solely to organics is challenging, given the heterogeneity of manure-derived organic matter and the difficulty of quantifying iron binding to organic versus phosphate ligands.\n\nTo address this gap, in Chapter 2 of this thesis, the phosphorus\/dissolved organic carbon scale was introduced, expressing the mmol of dissolved phosphorus per mol of dissolved organic carbon, to quantify how different organic compounds influence iron-phosphorus binding. Using this scale, organic ligands including bipyridine, citrate, humate, alginate, acetate, and dissolved organic matter extracted from pig manure were ranked in terms of their capacity to dissolve vivianite or inhibit its formation. Experiments with individual ligands in ultrapure water, in the presence of phosphate and iron, enabled clear attribution of observed effects to vivianite formation or dissolution, and to specific molecular structures, strengthening scientific debates around the role of organics in vivianite stability. Citrate, commonly exuded by plant roots, inhibited vivianite formation to 100% and dissolved approximately 50% of vivianite, reinforcing the notion of vivianite as a potential slow-release fertilizer. Humate, representative of natural organic degradation products, dissolved about 10% of vivianite and inhibited its formation by 40%, which aligns with its expected behaviour in soils. In contrast, manure-derived dissolved organic matter neither inhibited vivianite formation nor dissolved substantial amounts, and mainly affected crystal morphology. These findings indicated that organic matter alone could not explain the inhibited vivianite formation observed in pig manure.\n\nAn alternative explanation for decreased vivianite formation in manure was required. Although vivianite-mediated phosphorus recovery had not been previously examined in manure, the recovery of calcium phosphates and struvite had been studied extensively. A key barrier to forming these phases in manure is competitive carbonate binding, a consequence of manure\u2019s inherently high alkalinity. In Chapter 3 of this thesis, it was demonstrated that in aged and digested manure samples, siderite (FeCO\u2083), a ferrous carbonate mineral, formed preferentially over vivianite. This behaviour was linked to a threshold concentration of dissolved inorganic carbon (DIC), above which carbonate outcompetes phosphate for ferrous iron. Lowering carbonate availability increased the fraction of phosphate precipitated as vivianite: this was more readily achieved in fresh manure with low DIC and, at the lab scale, by stripping carbonates and ammonium from digested manure using N\u2082. Furthermore, siderite was detected in thermally hydrolyzed, digested sludge at approximately 3 g\/L carbonate, highlighting that carbonate inhibition extends beyond manure and validating the matrix-comparative approach of this thesis.\n\nIn Chapter 4, the formation of vivianite in dredged lake sediment was explored as a potential means to enhance sediment reuse or recirculation as part of lake restoration. Although the lake water exhibited elevated dissolved phosphate concentrations of eutrophic lakes (~2 mg\/L), vivianite precipitation following iron addition occurred only when Supplementary Information phosphate was dosed, indicating that under ambient conditions, iron preferentially bound competing anions such as carbonate and sulphide, and possibly organic ligands. Previous work had shown that vivianite forms only when phosphate is already adsorbed on iron oxyhydroxides prior to anaerobic incubation.\n\nTogether, these findings suggest that phosphate availability is low in sediments and that vivianite may form only where iron and phosphate co-occur locally. Quantification of vivianite in sediments was further complicated by M\u00f6ssbauer spectroscopy failing to detect the naturally occurring vivianite, an otherwise reliable technique for manure and sludge. These analytical challenges underline the need for integrated spectroscopic, microscopic, and extraction-based approaches. Overall, the prospects for recovering vivianite from dredged sediments appear limited.\n\nFinally, in Chapter 5, the formation of vivianite from iron sulphides was investigated. Iron sulphides typically form before vivianite, yet Fe\u2013S speciation (FeS\u2093) remains difficult to resolve, particularly in the absence of crystalline sulphide phases such as pyrite (FeS\u2082). The controlled oxidation of iron sulphides, FeS\u2093, via microaeration at different oxidation-reduction potentials (ORP) in digested sludge was explored, with the aim of converting sulphides to elemental sulphur while leaving Fe(II) available for vivianite formation. However, the pyrite-like phase detected by M\u00f6ssbauer spectroscopy persisted, and vivianite content decreased in aerated solids. Meanwhile, increases in dissolved sulphur and decreases in dissolved phosphorus indicated iron\u2013phosphate interactions. Two hypotheses were proposed: (i) coupled iron\u2013sulphide oxidation of a labile FeS\u2093 phase with concurrent phosphate precipitation\/adsorption onto oxidized iron, and (ii) decoupled oxidation in which elemental sulphur is oxidized while mixed-valence iron phases (e.g., green rust) oxidize and bind\/adsorb phosphate. Although sulphide destruction could not be demonstrated conclusively, the observed decrease in soluble phosphate highlights a practical route to enhance phosphorus removal without increasing iron dosing and motivates further work on Fe\u2013S speciation dynamics.\n\nAcross manure, lake sediments, and digested sludge, this thesis shows that the dominant constraints on vivianite formation are carbonate competition in high-alkalinity conditions, such as in manure and certain sludges; phosphate unavailability and analytical limitations in sediments; and iron sulphide formation in all three matrices. The carbonate barrier in a high alkalinity environment could be overcome, making vivianite recovery from pig manure technically feasible. In a broader perspective, current politics and economics in the agricultural, environmental, and sanitation sectors, as well as the lack of common phosphate management strategies, play a role in exploring vivianite-based phosphate recovery. This underscores that intersectoral collaboration, while increasingly emphasized, remains insufficient in practice and that only genuinely transdisciplinary efforts, such as those pursued in the RecaP project, offer a realistic way forward in addressing the Global Phosphorus Challenge.","auteur":"Sophie Banke","auteur_slug":"sophie-banke","publicatiedatum":"1 juli 2026","taal":"EN","url_flipbook":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/ebook\/sophiebanke?iframe=true","url_download_pdf":"https:\/\/ebook.proefschriftmaken.nl\/download\/5f849e1a-2ec4-444b-9862-fc3cbd5b1ba0\/optimized","url_epub":"","ordernummer":"19080","isbn":"978-94-6518-361-9","doi_nummer":"","naam_universiteit":"Overig","afbeeldingen":16037,"naam_student:":"","binnenwerk":"","universiteit":"Overig","cover":"","afwerking":"","cover_afwerking":"","design":""},"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16035","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/us_portfolio"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/7"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=16035"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16035\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":16038,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio\/16035\/revisions\/16038"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media\/16036"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=16035"}],"wp:term":[{"taxonomy":"us_portfolio_category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.proefschriftmaken.nl\/en\/wp-json\/wp\/v2\/us_portfolio_category?post=16035"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}