Sonication يحسن ردود فعل فنتون

تجمع تفاعلات سونو-فينتون بين كيمياء فينتون والموجات فوق الصوتية عالية الطاقة لتكثيف تكوين جذور الهيدروكسيل، وتحسين انتقال الكتلة، وتسريع عمليات التحلل التأكسدي. بالنسبة للمختبرات والمصانع التجريبية والمستخدمين الصناعيين، توفر أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher طريقة قابلة للتحكم وقابلة للتطوير لتحسين عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs) مثل معالجة مياه الصرف الصحي، وتحلل الأصباغ، ومعالجة التربة، والمعالجة المسبقة لللجنين، والتحلل الكيميائي.

ما هو تفاعل سونو-فينتون؟

تستخدم تفاعل فنتون الكلاسيكي بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومحفزات الحديد لتوليد جذور الهيدروكسيل (•OH) شديدة التفاعل. تعمل هذه الجذور على أكسدة الملوثات العضوية والأصباغ والمذيبات والهيدروكربونات واللجنين والمركبات الصعبة الأخرى. وعند إضافة الموجات فوق الصوتية القوية، يُطلق على هذه العملية اسم تفاعل سونو-فينتون أو تفاعل فينتون بالموجات فوق الصوتية.

تعمل الموجات فوق الصوتية على تحسين تفاعل فينتون بطريقتين متكاملتين:

• التأثير الصوتي الكيميائي: يعزز التجويف الصوتي تحلل الماء بالموجات الصوتية وتكوين جذور حرة إضافية.
• التأثير الصوتي الميكانيكي: تعمل النفاثات الدقيقة الناتجة عن التكهف والقص على تحسين عملية الخلط وتوزيع المُحفز ومساحة السطح البيني ونقل الكتلة.

بالنسبة للباحثين ومهندسي العمليات، تتمثل الفائدة العملية في عملية أكسدة أكثر كثافة يمكنها تقليل وقت التفاعل، وتحسين تحلل الملوثات، وتعزيز الاستفادة من المُحفز، وتسهيل توسيع نطاق المعالجات من نوع فينتون.

كيف يعمل الموجات فوق الصوتية القوية على تحسين تفاعلات فينتون

عندما يتم توجيه الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة إلى سائل، يحدث ما يُعرف بالتجويف الصوتي. تتشكل تجاويف بخارية مجهرية أثناء دورات الضغط المتناوبة، ثم تنهار بعنف أثناء الضغط. ويؤدي هذا الانهيار إلى ظهور نقاط ساخنة موضعية تتسم بدرجات حرارة وضغوط عابرة مرتفعة للغاية. وفي الأنظمة المائية، يمكن أن يؤدي التجويف إلى تشكيل أنواع تفاعلية مثل جذور الهيدروكسيل وبيروكسيد الهيدروجين.

في عملية "فينتون" أو ما شابهها، تعمل هذه التفاعلات الكيميائية الناتجة عن التكهف جنبًا إلى جنب مع تحلل ثاني أكسيد الهيدروجين (H₂O₂) المحفز بالحديد. وفي الوقت نفسه، يعمل القص بالموجات فوق الصوتية على تحسين التلامس بين المواد المؤكسدة والمحفزات والمواد الصلبة العالقة والملوثات المذابة. وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية ذات قيمة خاصة في:

• تدفقات مياه الصرف التي تحتوي على ملوثات عضوية يصعب تحللها بيولوجياً؛
• المحفزات غير المتجانسة مثل المغنتيت، والجيثيت، وثاني أكسيد التيتانيوم، أو أكاسيد الحديد؛
• الملاط، ومعلقات التربة، ومعلقات الكتلة الحيوية، والسوائل المحملة بالمحفزات؛
• عمليات الأكسدة المتقدمة الدفعية والمتسلسلة التي تتطلب توسيع نطاقها بشكل موثوق.

مزايا مفاعلات سونو-فينتون التي تعمل بالموجات فوق الصوتية

• كثافة أكسدة أعلى: تؤدي الموجات فوق الصوتية إلى زيادة تكوين الجذور الحرة وتحسين حركيات التحلل التأكسدي.
• استخدام أفضل للمحفزات: يعمل التكهف على توزيع المحفزات وتحسين التلامس بين السائل والصلب.
• زيادة سرعة الاستجابة: يمكن أن يؤدي تكثيف عملية توليد الجذور الحرة وخلطها إلى تقليل مدة المعالجة.
• تصميم مفاعل قابل للتوسعة: تقدم شركة Hielscher مفاعلات بالموجات فوق الصوتية للمختبرات والمشاريع التجريبية والصناعة، مع تحكم ثابت في السعة.
• التشغيل الدفعي أو المباشر: يمكن تطوير العمليات في أكواب زجاجية أو خزانات الدُفعات ونقلها إلى مفاعلات التدفق المستمر.
• مراقبة العملية: تتيح أجهزة الموجات فوق الصوتية الرقمية من Hielscher التحكم في السعة، والطاقة المدخلة، ودرجة الحرارة، والضغط، ومدة المعالجة.
• تشغيل صناعي على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع: تم تصميم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية التحمل للعمل المستمر تحت الحمل الكامل.

متى ينبغي التفكير في استخدام معالجة سونو-فينتون؟

يكون العلاج باستخدام تقنية «سونو-فينتون» هو الخيار الأنسب عندما تكون عملية «فينتون» التقليدية بطيئة للغاية، أو عندما يكون التلامس مع المُحفز محدودًا، أو عندما يصعب أكسدة الملوثات، أو عندما تؤدي المواد الصلبة العالقة إلى انخفاض كفاءة العملية. كما أنه مفيد عندما يتعين تطوير عملية ما من مرحلة الجدوى المختبرية إلى مرحلة الإنتاج الصناعي دون تغيير الكيمياء الأساسية لعملية الأكسدة.

المعلمات الهامة لعملية تحسين تقنية سونو-فينتون

تعتمد كفاءة تفاعل سونو-فينتون على المعلمات الكيميائية والمعلمات المتعلقة بالموجات فوق الصوتية على حد سواء. وأثناء اختبار الجدوى، تساعد شركة Hielscher العملاء على تقييم نطاق التشغيل المناسب لمياه الصرف الصحي أو الملاط أو خليط التفاعل المعني.

• السعة بالموجات فوق الصوتية: المعامل الرئيسي الذي يتحكم في شدة التكهف عند السونوترويد.
• كثافة الطاقة ومدخلات الطاقة: تحديد شدة التفاعل الصوتي الكيميائي لكل وحدة حجم معالجة.
• تركيز H₂O₂: يؤثر على توليد الجذور الحرة والطلب المتبقي على المواد المؤكسدة.
• نوع المحفز الحديدي وجرعته: يحتوي على الحديد²⁺، أنا³⁺، أو المغنتيت، أو الجيثيت، أو الأنظمة المعززة بثاني أكسيد التيتانيوم، أو المحفزات الثابتة.
• الرقم الهيدروجيني ودرجة الحرارة: تؤثر على حركيات تفاعل فنتون، وقابلية ذوبان المحفز، ومسارات الجذور الحرة.
• وقت الإقامة: يحدد عملية التحويل في خزانات الدُفعات أو في مفاعلات التدفق المباشر.
• ضغط: يمكن للمفاعلات فوق الصوتية القابلة للضغط أن تزيد من شدة ظروف التكهف أثناء التشغيل المستمر.

دراسات حالة: تفاعلات فنتون المعززة بالموجات فوق الصوتية

تمت دراسة الآثار الإيجابية للموجات فوق الصوتية عالية الطاقة على تفاعلات فينتون والتفاعلات المشابهة لها في مجالات التحلل الكيميائي، وإزالة التلوث، والمعالجة المسبقة للكتلة الحيوية، ومعالجة مياه الصرف الصناعية. توضح الأمثلة التالية كيف يمكن للموجات فوق الصوتية تحسين تكوين الجذور الحرة، ومعدل التحلل، وكفاءة العملية في أنظمة مختلفة.

تفاعل فنتون الحفاز الصوتي لتعزيز توليد جذور الهيدروكسيل

أثبت نينوميا وآخرون (2013) أن الجمع بين الموجات فوق الصوتية وثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) وثاني أكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومحفز الحديد أدى إلى زيادة ملحوظة في توليد جذور الهيدروكسيل. وقد طُبقت هذه العملية في تحلل اللجنين كخطوة معالجة مسبقة للكتلة الحيوية اللجنوسليلوزية، مما ساعد على إجراء التحلل الإنزيمي اللاحق.

الإعداد التجريبي: جزيئات ثاني أكسيد الألومنيوم (2 غ/لتر)، وH₂O₂ (100 مليمولار)، وFeSO₄·7H₂O (1 مليمولار) إلى معلق العينة. تم معالجة المعلق بالموجات فوق الصوتية لمدة 180 دقيقة باستخدام معالج بالموجات فوق الصوتية من طراز Hielscher UP200S / UP200St باستخدام مسبار سونوترويد بقوة صوتية تبلغ 35 واط. وتم ضبط درجة حرارة الوعاء على 25 درجة مئوية.

نتيجة: بلغ تركيز مادة DHBA في تفاعل فنتون المحفز بالموجات فوق الصوتية 378 ميكرومتر، مقارنة بـ 115 ميكرومتر في تفاعل فنتون بدون الموجات فوق الصوتية وثاني أكسيد التيتانيوم. زاد تحلل اللجنين بشكل أسرع في ظل المعالجة بالتحفيز الصوتي-فينتون، مما يشير إلى تآزر قوي بين الموجات فوق الصوتية والمحفز وكيمياء فينتون.

صور مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) للكتلة الحيوية للكيناف: (أ) عينة مرجعية غير معالجة، (ب) معالجة بالتحفيز الصوتي، (ج) معالجة بنتون، و(د) معالجة بالتحفيز الصوتي-بنتون. مدة المعالجة المسبقة: 360 دقيقة. تمثل الأشرطة 10 ميكرومتر.
(الصورة والدراسة: ©نينوميا وآخرون ، 2013)

تحلل النفثالين عن طريق معالجة التربة بطريقة شبيهة بـ«سونو-فينتون»

قام فيركوتيت وآخرون (2009) بدراسة تحلل النفثالين في التربة من خلال الجمع بين الموجات فوق الصوتية وبيروكسيد الهيدروجين. وقد تحققت أعلى كفاءة للتحلل عند تركيز عالٍ من بيروكسيد الهيدروجين وتركيز أولي منخفض من النفثالين. مع التعرض للموجات فوق الصوتية بقدرة 100 و200 و400 واط، تم الإبلاغ عن كفاءات تحلل بلغت 78٪ و94٪ و97٪ على التوالي.

استخدمت الدراسة أجهزة الموجات فوق الصوتية من شركة Hielscher UP100H, UP200Stو UP400St. وعُزِي تحسُّن عملية التحلل إلى التأثير التآزري للموجات فوق الصوتية وبيروكسيد الهيدروجين، بما في ذلك تكوين الجذور الحرة وتحسُّن التفاعل مع أكاسيد الحديد في مصفوفة التربة.

صورة مجهرية بتقنية SEM–EDS للتربة قبل وبعد المعالجة بالإشعاع بالموجات فوق الصوتية.
(الصورة والدراسة: ©Virkutyte et al. ، 2009)

الأكسدة الصوت-كيميائية لثاني كبريتيد الكربون

أثبت أديوي وأباو إمكانية إجراء الأكسدة الصوت-كيميائية لثاني كبريتيد الكربون (CS₂) في محلول مائي عند تردد 20 كيلوهرتز ودرجة حرارة 20 درجة مئوية. وزادت كفاءة إزالة ثاني كبريتيد الكربون مع ارتفاع شدة الموجات فوق الصوتية، وهو ما ارتبط بزيادة قوة التكهف وزيادة تكوين الجذور الحرة. تشير الدراسة إلى أن الأكسدة الصوتية الكيميائية يمكن أن تكون طريقة فعالة لإزالة ثاني كبريتيد الكربون من التيارات المائية.

معالجة سونو-فينتون لمياه الصرف الناتجة عن صناعة الأصباغ والمنسوجات

قد يكون من الصعب معالجة النفايات السائلة المحتوية على الأصباغ الصادرة عن صناعة النسيج والصناعات ذات الصلة، وذلك لأن العديد من الأصباغ ومشتقاتها صعبة التحلل وملونة وقليلة القابلية للتحلل البيولوجي. وتُستخدم عمليات الأكسدة المتقدمة من نوع «فينتون» و«شبيهة فينتون» على نطاق واسع لتحلل الأصباغ. يمكن للموجات فوق الصوتية تحسين هذه العمليات من خلال تعزيز توليد الجذور الحرة وتشتت المحفز ونقل الكتلة.

تحلل صبغة "رياكتيف ريد 120"

قام غاروفالو-فيلالتا وآخرون (2020) بدراسة تحلل صبغة «رياكتيف ريد 120» (RR-120) في المياه الاصطناعية. تمت مقارنة المعالجة المتجانسة بالصوت-فينتون باستخدام كبريتات الحديد (II) والمعالجة غير المتجانسة بالصوت-فينتون باستخدام محفزات قائمة على الجيثيت. في غضون 60 دقيقة، حققت العملية المتجانسة تحللًا للصبغة بنسبة 98.10٪، بينما حققت العملية غير المتجانسة باستخدام الجيثيت تحللًا بنسبة 96.07٪ عند درجة حموضة 3.0.

كما توصلت الدراسة إلى أن المحفزات المعدلة حسنت أداء التحلل مقارنةً بالجويثيت العادي. وأظهرت قياسات الطلب الكيميائي على الأكسجين (COD) والمحتوى الكلي للكربون (TOC) ونسبة الطلب البيولوجي على الأكسجين إلى الطلب الكيميائي على الأكسجين (BOD/COD) أن معالجة سونو-فينتون لم تؤدِ إلى إزالة لون المحلول فحسب، بل حسنت أيضًا قابلية التحلل البيولوجي للمركبات العضوية المتبقية. وتُظهر الصورة هيلشر UP100H المستخدمة في التجارب.

تدهور سونو فنتون غير المتجانسة لصبغة الآزو RO107

أثبت جعفر زاده وآخرون (2018) إمكانية إزالة الصبغة الآزوية "رياكتيف أورانج 107" (RO107) باستخدام عملية شبيهة بعملية سونو-فينتون مع المغنتيت (Fe₃O₄) الجسيمات النانوية كعامل حفاز. جهاز الموجات فوق الصوتية من طراز Hielscher UP400S / UP400St تم استخدام جهاز مزود بسونوترويد قطره 7 ملم لتوليد التكهف الصوتي.

نتيجة: تم تحقيق إزالة كاملة لصبغات الأزو عند استخدام 0.8 غ/لتر من جسيمات المغنتيت النانوية، ودرجة حموضة 5، و10 مليمولار من H₂O₂، وطاقة فوق صوتية تبلغ 300 واط/لتر، ومدة تفاعل مدتها 25 دقيقة. في مياه الصرف النسيجية الحقيقية، انخفضت الكمية الكيميائية المطلوبة (COD) من 2360 ملغ/لتر إلى 489.5 ملغ/لتر خلال 180 دقيقة. حدد المؤلفون الطاقة فوق الصوتية كأحد العوامل الأساسية التي تؤثر على معدل تحلل RO107 في النظام غير المتجانس الشبيه بنظام فنتون.

معرفة المزيد عن توليف المغنتيت عالية الكفاءة باستخدام صوتنة!

تحلل RO107 عند درجة حموضة 5، وتركيز 0.8 غ/لتر من الجسيمات المغناطيسية النانوية (MNPs)، وتركيز 10 مليمولار من H₂O₂، وتركيز 50 ملغ/لتر من RO107، وطاقة فوق صوتية تبلغ 300 واط، ومدة تفاعل تبلغ 30 دقيقة.
دراسة وصورة: ©جعفر زاده وآخرون، 2018.

أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher المستخدمة في عمليات سونو-فينتون وعمليات الأكسدة المتقدمة

تقوم شركة Hielscher Ultrasonics بتصميم وتصنيع معالجات ومفاعلات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء مخصصة للتطبيقات الكيميائية الصوتية ذات المتطلبات الشاقة، بما في ذلك تفاعلات فينتون، وتفاعلات سونو-فينتون، والتفاعلات الكيميائية الضوئية الصوتية، وعمليات الأكسدة المتقدمة الأخرى. وتتنوع الأنظمة المتوفرة من المعدات المختبرية المدمجة وصولاً إلى المفاعلات الصناعية التي تعمل بالموجات فوق الصوتية، والمخصصة لعمليات الإنتاج والمعالجة المستمرة.

اختيار المعدات فوق الصوتية لعمليات سونو-فينتون

يقدم الجدول أدناه مؤشراً على أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher المناسبة لأحجام الدفعات ومعدلات التدفق النموذجية. ويعتمد الاختيار النهائي للمعدات على كيمياء العملية، ومعدل التحويل المستهدف، ووقت البقاء، ومحتوى المواد الصلبة، ودرجة الحرارة، والضغط، ومدخلات الطاقة المطلوبة.

كيفية إجراء اختبار جدوى طريقة سونو-فينتون

للحصول على توصية موثوقة بشأن المعدات، تقوم شركة Hielscher عادةً بمراجعة التركيب الكيميائي، والملوثات المستهدفة، وحجم المعالجة، ومعدل التدفق، وجرعة المُؤكسد، ونوع المُحفز، ونطاق درجة الحموضة، وحدود درجة الحرارة، والتحويل المطلوب. بالنسبة للتجارب المعملية، يُستخدم عادةً جهاز الموجات فوق الصوتية المزود بمسبار للمختبر أو المنضدة مثل UP200Ht أو UP400St أو UIP1000hdT لتحديد مدخلات الطاقة المطلوبة ونطاق العملية.

لضمان التشغيل المستمر، يمكن لشركة Hielscher تهيئة خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية والمفاعلات المدمجة في خط الإنتاج بحيث يمكن التحكم في زمن البقاء والضغط ودرجة الحرارة ومدخلات الطاقة. ويتيح ذلك إجراء مقارنة مباشرة بين أداء المعالجة عند مستويات مختلفة من السعة ومعدلات التدفق.

الأسئلة الشائعة حول تفاعلات سونو-فينتون

ما الفرق بين معالجة فينتون ومعالجة سونو-فينتون؟

تستخدم معالجة فينتون بيروكسيد الهيدروجين ومحفزات الحديد لتوليد جذور الهيدروكسيل. أما معالجة سونو-فينتون فتضيف الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. ويؤدي التجويف بالموجات فوق الصوتية إلى زيادة تكوين الجذور وتحسين عملية الخلط والتلامس مع المحفز ونقل الكتلة.

هل يمكن استخدام معالجة سونو-فينتون لمياه الصرف الصناعية؟

نعم. تُستخدم معالجة سونو-فينتون في تطوير عمليات معالجة مياه الصرف الصناعية، ومخلفات الصباغة، ومياه الصرف البتروكيماوية، والملاط الملوث، وغيرها من التدفقات التي تحتوي على مركبات عضوية صعبة التحلل. وتعتمد الجدوى الصناعية على حجم الملوثات، والطلب على المواد المؤكسدة، ونظام المحفز، والهدف من المعالجة، وتوازن الطاقة.

هل يمكن للموجات فوق الصوتية أن تقلل من استهلاك المواد الكيميائية؟

يمكن للموجات فوق الصوتية أن تحسّن من كفاءة استخدام المؤكسدات والمحفزات من خلال تعزيز تكوين الجذور الحرة ونقل الكتلة. ولا بد من التأكد من إمكانية خفض استهلاك المواد الكيميائية من خلال إجراء تجارب باستخدام مياه الصرف الفعليّة أو خليط التفاعل الفعلي.

هل هذه العملية قابلة للتوسع؟

نعم. تم تصميم أجهزة الموجات فوق الصوتية من Hielscher لتطوير العمليات القابلة للتوسع. ويمكن نقل نتائج الاختبارات المعملية إلى الأنظمة التجريبية والصناعية من خلال التحكم في السعة، ومدخلات الطاقة، ووقت البقاء، ودرجة الحرارة، والضغط، وهندسة المفاعل.

ما هو جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية المناسب لعمليتي؟

يعتمد اختيار المعالج المناسب على حجم العينة، ومعدل التدفق، والتحويل المستهدف، ومحتوى المواد الصلبة، واللزوجة، ودرجة حرارة التشغيل، والضغط. تقدم شركة Hielscher أجهزة الموجات فوق الصوتية المختبرية، والأنظمة التجريبية، والمفاعلات الصناعية التي تعمل بالموجات فوق الصوتية من أجل المعالجة المستمرة.

ما هي عملية المعالجة بالأوزون الصوتي؟

يُعد «التأكسد بالموجات فوق الصوتية والأوزون» عملية تأكسد متطورة تجمع بين المعالجة بالأوزون والموجات فوق الصوتية عالية الطاقة لتوليد جذور أكثر تفاعلية وتحسين انتقال الكتلة في السوائل. ويؤدي هذا التآزر إلى تسريع عملية تحلل الملوثات العضوية والأصباغ والميكروبات والمركبات الصعبة التحلل في المياه أو مياه الصرف الصحي مقارنةً بعملية التأكسد بالأوزون وحدها.

اكتشف مزايا المعالجة بالأوزون الصوتي!

الأدب / المراجع