المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسّن تفاعلات فنتون

تجمع تفاعلات فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية بين كيمياء فنتون والموجات فوق الصوتية عالية القدرة لتكثيف تكوّن جذور الهيدروكسيل، وتحسين انتقال الكتلة، وتسريع عمليات التحلل التأكسدي. وتوفر أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher للمختبرات والمنشآت التجريبية والمستخدمين الصناعيين وسيلة قابلة للتحكم والتوسيع لتحسين عمليات الأكسدة المتقدمة (AOPs)، مثل معالجة مياه الصرف، وتحلل الأصباغ، واستصلاح التربة، والمعالجة المسبقة للّيغنين، والتفكك الكيميائي.

ما هو تفاعل فنتون المدعوم بالموجات فوق الصوتية؟

يستخدم تفاعل فنتون التقليدي بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) ومحفزات الحديد لتوليد جذور الهيدروكسيل (•OH) شديدة التفاعل. وتؤكسد هذه الجذور الملوثات العضوية والأصباغ والمذيبات والهيدروكربونات واللّيغنين وغيرها من المركبات المقاومة للتحلل. وعند إضافة الموجات فوق الصوتية عالية القدرة، تُسمى العملية تفاعل فنتون المدعوم بالموجات فوق الصوتية أو تفاعل فنتون بالموجات فوق الصوتية.

تحسّن المعالجة بالموجات فوق الصوتية كيمياء فنتون بطريقتين متكاملتين:

• التأثير الكيميائي للموجات فوق الصوتية: يعزز التجويف الصوتي تحلل الماء بالموجات فوق الصوتية وتكوّن جذور إضافية.
• التأثير الميكانيكي للموجات فوق الصوتية: تحسّن النفاثات الدقيقة الناتجة عن التجويف والقص الخلط وتشتيت المحفزات ومساحة السطح البيني وانتقال الكتلة.

تتمثل الفائدة العملية للباحثين ومهندسي العمليات في عملية أكسدة أكثر كثافة يمكنها تقليل زمن التفاعل، وتحسين تحلل الملوثات، وتعزيز الاستفادة من المحفزات، وتسهيل توسيع نطاق المعالجات من نوع فنتون.

كيف تحسّن الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تفاعلات فنتون

عند اقتران الموجات فوق الصوتية عالية القدرة بسائل، يحدث التجويف الصوتي. وتنمو تجاويف بخارية مجهرية خلال دورات الضغط المتناوبة، ثم تنهار بعنف أثناء الانضغاط. ويولّد هذا الانهيار بؤرًا ساخنة موضعية ذات درجات حرارة وضغوط عابرة مرتفعة جدًا. وفي الأنظمة المائية، يمكن للتجويف أن يعزز تكوّن أنواع كيميائية تفاعلية، مثل جذور الهيدروكسيل وبيروكسيد الهيدروجين.

في عملية فنتون أو عملية شبيهة بفنتون، تعمل هذه الكيمياء المدفوعة بالتجويف بالتكامل مع تفكك H₂O₂ المحفَّز بالحديد. وفي الوقت نفسه، يحسّن القص الناتج عن الموجات فوق الصوتية التلامس بين المؤكسدات والمحفزات والمواد الصلبة المعلقة والملوثات المذابة. وهذا يجعل الموجات فوق الصوتية مفيدة بوجه خاص في:

• تيارات مياه الصرف التي تحتوي على ملوثات عضوية ضعيفة القابلية للتحلل الحيوي؛
• المحفزات غير المتجانسة، مثل المغنيتيت أو الغوثيت أو TiO₂ أو أكاسيد الحديد؛
• المعلقات الكثيفة، ومعلقات التربة، ومعلقات الكتلة الحيوية، والسوائل المحمّلة بالمحفزات؛
• عمليات الأكسدة المتقدمة على دفعات أو ضمن خط المعالجة التي تتطلب توسيعًا موثوقًا للنطاق.

فوائد مفاعلات فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية

• كثافة أكسدة أعلى: تزيد الموجات فوق الصوتية تكوّن الجذور وتحسّن حركية التحلل التأكسدي.
• استفادة أفضل من المحفزات: يشتت التجويف المحفزات ويحسّن التلامس بين السائل والمواد الصلبة.
• أزمنة تفاعل أقصر: يمكن أن يؤدي تكثيف توليد الجذور والخلط إلى تقليل زمن المعالجة.
• تصميم مفاعل قابل لتوسيع النطاق: توفر Hielscher مفاعلات بالموجات فوق الصوتية للمختبرات والنطاق التجريبي والصناعة، مع تحكم ثابت في سعة الاهتزاز.
• التشغيل على دفعات أو ضمن خط المعالجة: يمكن تطوير العمليات في كؤوس مخبرية أو خزانات دفعية ونقلها إلى مفاعلات التدفق المستمر.
• مراقبة العملية: توفر أجهزة المعالجة الرقمية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher التحكم في سعة الاهتزاز والقدرة المدخلة ودرجة الحرارة والضغط وزمن المعالجة.
• التشغيل الصناعي 24/7: صُممت المعالجات بالموجات فوق الصوتية المخصصة للأعمال الشاقة للتشغيل المستمر تحت الحمل الكامل.

متى ينبغي التفكير في المعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية؟

تكون المعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية أكثر ملاءمة عندما تكون عملية فنتون التقليدية بطيئة جدًا، أو يكون التلامس مع المحفز محدودًا، أو تصعب أكسدة الملوثات، أو تقلل المواد الصلبة المعلقة كفاءة العملية. كما تكون مفيدة عندما يلزم تطوير العملية من إثبات الجدوى المختبرية إلى معدلات المعالجة الصناعية دون تغيير كيمياء الأكسدة الأساسية.

معلمات العملية المهمة لتحسين فنتون المدعوم بالموجات فوق الصوتية

تعتمد كفاءة تفاعل فنتون المدعوم بالموجات فوق الصوتية على المعلمات الكيميائية ومعلمات الموجات فوق الصوتية معًا. وأثناء اختبارات الجدوى، تساعد Hielscher العملاء على تقييم نطاق التشغيل الملائم لمياه الصرف أو المعلق الكثيف أو مزيج التفاعل المحدد.

• سعة اهتزاز الموجات فوق الصوتية: المعلمة الرئيسية التي تتحكم في شدة التجويف عند السونوترود.
• كثافة القدرة والطاقة المدخلة: تحددان شدة التأثير الكيميائي للموجات فوق الصوتية لكل حجم معالَج.
• تركيز H₂O₂: يؤثر في توليد الجذور والطلب المتبقي على المؤكسد.
• نوع محفز الحديد وجرعته: يشمل Fe²⁺، وFe³⁺، والمغنيتيت، والغوثيت، والأنظمة المدعومة بـTiO₂، أو المحفزات المثبّتة.
• الأس الهيدروجيني (pH) ودرجة الحرارة: يؤثران في حركية تفاعل فنتون وذوبانية المحفز ومسارات الجذور.
• زمن المكوث: يحدد التحويل في الخزانات الدفعية أو مفاعلات التدفق ضمن خط المعالجة.
• الضغط: يمكن للمفاعلات بالموجات فوق الصوتية القابلة للضغط أن تكثف ظروف التجويف أثناء التشغيل المستمر.

دراسات حالة: تفاعلات فنتون المعززة بالموجات فوق الصوتية

دُرست التأثيرات الإيجابية للموجات فوق الصوتية عالية القدرة في تفاعلات فنتون والتفاعلات الشبيهة بفنتون لأغراض التحلل الكيميائي، وإزالة التلوث، والمعالجة المسبقة للكتلة الحيوية، ومعالجة مياه الصرف الصناعي. وتوضح الأمثلة التالية كيف يمكن للموجات فوق الصوتية تحسين تكوّن الجذور ومعدل التحلل وكفاءة العملية في أنظمة مختلفة.

تفاعل التحفيز بالموجات فوق الصوتية–فنتون لتعزيز توليد جذور الهيدروكسيل

أثبت Ninomiya et al. (2013) أن الجمع بين المعالجة بالموجات فوق الصوتية وTiO₂ وH₂O₂ ومحفز الحديد عزز توليد جذور الهيدروكسيل بدرجة كبيرة. وطُبقت العملية على تحلل اللّيغنين بوصفه خطوة معالجة مسبقة للكتلة الحيوية اللّيغنوسليلوزية، بما يدعم التحلل المائي الإنزيمي اللاحق.

الإعداد التجريبي: أُضيفت جسيمات TiO₂ (2 g/L)، وH₂O₂ (100 mM)، وFeSO₄·7H₂O (1 mM) إلى معلق العينة. وخضع المعلق للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 180 min باستخدام معالج بالموجات فوق الصوتية من فئة Hielscher UP200S / UP200St مع سونوترود مسباري بقدرة فوق صوتية قدرها 35 W. وضُبطت درجة حرارة الوعاء عند 25 °C.

النتيجة: بلغ تركيز DHBA في تفاعل التحفيز بالموجات فوق الصوتية–فنتون 378 μM، مقارنةً بـ115 μM في تفاعل فنتون دون موجات فوق صوتية ودون TiO₂. وازداد تحلل اللّيغنين بوتيرة أسرع تحت المعالجة بالتحفيز بالموجات فوق الصوتية–فنتون، مما يشير إلى تآزر قوي بين الموجات فوق الصوتية والمحفز وكيمياء فنتون.

صور مجهرية إلكترونية ماسحة (SEM) للكتلة الحيوية للكناف: (A) عينة ضابطة غير معالجة، و(B) معالجة بالتحفيز بالموجات فوق الصوتية، و(C) معالجة بفنتون، و(D) معالجة بالتحفيز بالموجات فوق الصوتية–فنتون. زمن المعالجة المسبقة: 360 min. تمثل أشرطة المقياس 10 μm.
(الصورة والدراسة: ©Ninomiya et al., 2013)

تحلل النفثالين بمعالجة التربة بعملية شبيهة بفنتون مدعومة بالموجات فوق الصوتية

بحث Virkutyte et al. (2009) تحلل النفثالين في التربة بالجمع بين الموجات فوق الصوتية وبيروكسيد الهيدروجين. وتحققت أعلى كفاءة تحلل عند تركيز مرتفع لبيروكسيد الهيدروجين وتركيز ابتدائي منخفض للنفثالين. وعند التعرض للموجات فوق الصوتية بقدرات 100 و200 و400 W، أُبلغ عن كفاءات تحلل بلغت 78% و94% و97% على التوالي.

استخدمت الدراسة أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher UP100H, UP200St، و UP400St. وعُزي تحسن التحلل إلى التأثير التآزري للموجات فوق الصوتية وبيروكسيد الهيدروجين، بما يشمل تكوّن الجذور وتحسن التفاعل مع أكاسيد الحديد في مصفوفة التربة.

صورة مجهرية بتقنية SEM–EDS للتربة قبل المعالجة بالتعرض للموجات فوق الصوتية وبعدها.
(الصورة والدراسة: ©Virkutyte et al., 2009)

أكسدة ثنائي كبريتيد الكربون كيميائيًا بالموجات فوق الصوتية

أثبت Adewuyi وAppaw أكسدة ثنائي كبريتيد الكربون (CS₂) كيميائيًا بالموجات فوق الصوتية في محلول مائي عند 20 kHz و20°C. وازدادت إزالة CS₂ مع شدة الموجات فوق الصوتية، وهو ما ارتبط بتجويف أقوى وزيادة تكوّن الجذور. وتشير الدراسة إلى أن الأكسدة الكيميائية بالموجات فوق الصوتية يمكن أن تكون طريقة فعالة لإزالة ثنائي كبريتيد الكربون من التيارات المائية.

المعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية لمياه صرف الأصباغ والمنسوجات

قد تصعب معالجة مياه الصرف المحتوية على الأصباغ الناتجة عن صناعة المنسوجات والصناعات المرتبطة بها، لأن كثيرًا من الأصباغ ونواتجها الثانوية مقاوم للتحلل وملوّن وضعيف القابلية للتحلل الحيوي. وتُستخدم عمليات الأكسدة المتقدمة بفنتون والعمليات الشبيهة بفنتون على نطاق واسع لتحلل الأصباغ. ويمكن للموجات فوق الصوتية تحسين هذه العمليات بتعزيز توليد الجذور وتشتيت المحفزات وانتقال الكتلة.

تحلل صبغة Reactive Red 120

درس Garófalo-Villalta et al. (2020) تحلل صبغة Reactive Red 120 (RR-120) في مياه مُحضَّرة اصطناعيًا. وقورنت المعالجة المتجانسة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية باستخدام كبريتات الحديد(II) بالمعالجة غير المتجانسة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية باستخدام محفزات قائمة على الغوثيت. وخلال 60 min، حققت العملية المتجانسة تحللًا للصبغة بنسبة 98.10%، بينما حققت العملية غير المتجانسة باستخدام الغوثيت تحللًا بنسبة 96.07% عند pH 3.0.

ووجدت الدراسة أيضًا أن المحفزات المعدّلة حسّنت أداء التحلل مقارنةً بالغوثيت غير المعدّل. وأظهرت قياسات COD وTOC وBOD/COD أن المعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية لم تزل لون المحلول فحسب، بل حسّنت أيضًا قابلية المركبات العضوية المتبقية للتحلل الحيوي. وتُظهر الصورة جهاز Hielscher UP100H المستخدم في التجارب.

التحلل غير المتجانس لصبغة الآزو RO107 بفنتون المدعوم بالموجات فوق الصوتية

أثبت Jaafarzadeh et al. (2018) إزالة صبغة الآزو Reactive Orange 107 (RO107) باستخدام عملية شبيهة بفنتون مدعومة بالموجات فوق الصوتية، مع جسيمات المغنيتيت (Fe₃O₄) النانوية بوصفها محفزًا. واستُخدم جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من فئة Hielscher UP400S / UP400St مزود بسونوترود مقاسه 7 mm لتوليد التجويف الصوتي.

النتيجة: تحققت الإزالة الكاملة لصبغة الآزو عند تركيز جسيمات المغنيتيت النانوية 0.8 g/L، وpH 5، و10 mM H₂O₂، وقدرة فوق صوتية 300 W/L، وزمن تفاعل 25 min. وفي مياه صرف حقيقية من صناعة المنسوجات، انخفض COD من 2360 mg/L إلى 489.5 mg/L خلال 180 min. وحدد المؤلفون القدرة فوق الصوتية بوصفها أحد العوامل الأساسية المؤثرة في معدل تحلل RO107 في النظام غير المتجانس الشبيه بفنتون.

تعرّف على المزيد حول تخليق المغنيتيت بكفاءة عالية باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية!

تحلل RO107 عند pH 5، و0.8 g/L MNPs، و10 mM H₂O₂، و50 mg/L RO107، وقدرة فوق صوتية 300 W، وزمن تفاعل 30 min.
الدراسة والصورة: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لفنتون المدعوم بالموجات فوق الصوتية وعمليات الأكسدة المتقدمة

تصمم Hielscher Ultrasonics وتصنع معالجات ومفاعلات عالية الأداء بالموجات فوق الصوتية للتطبيقات الكيميائية بالموجات فوق الصوتية المخصصة للأعمال الشاقة، بما يشمل تفاعلات فنتون، وتفاعلات فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية، والتفاعلات الضوئية الكيميائية المدعومة بالموجات فوق الصوتية، وغيرها من عمليات الأكسدة المتقدمة. وتتوفر أنظمة تتدرج من معدات مختبرية مدمجة إلى مفاعلات صناعية بالموجات فوق الصوتية للإنتاج المستمر وتيارات المعالجة.

اختيار معدات الموجات فوق الصوتية لعمليات فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية

يقدم الجدول أدناه مؤشرًا على أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المناسبة من Hielscher لأحجام الدفعات ومعدلات التدفق المعتادة. ويعتمد الاختيار النهائي للمعدات على كيمياء العملية، والتحويل المستهدف، وزمن المكوث، ومحتوى المواد الصلبة، ودرجة الحرارة، والضغط، والطاقة المدخلة المطلوبة.

كيفية بدء اختبار جدوى لفنتون المدعوم بالموجات فوق الصوتية

لتقديم توصية موثوقة بشأن المعدات، تراجع Hielscher عادةً الكيمياء، والملوثات المستهدفة، وحجم المعالجة، ومعدل التدفق، وجرعة المؤكسد، ونوع المحفز، ونطاق pH، وحدود درجة الحرارة، والتحويل المطلوب. وفي التجارب المختبرية، يُستخدم عادةً جهاز معالجة مسباري بالموجات فوق الصوتية مختبري أو يوضع على طاولة العمل، مثل UP200Ht أو UP400St أو UIP1000hdT، لتحديد الطاقة المدخلة المطلوبة ونطاق تشغيل العملية.

وللتشغيل المستمر، يمكن لـHielscher تهيئة خلايا التدفق بالموجات فوق الصوتية والمفاعلات ضمن خط المعالجة مع التحكم في زمن المكوث والضغط ودرجة الحرارة والقدرة المدخلة. ويتيح ذلك إجراء مقارنة مباشرة لأداء المعالجة عند سعات اهتزاز ومعدلات تدفق مختلفة.

الأسئلة الشائعة حول تفاعلات فنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية

ما الفرق بين المعالجة بفنتون والمعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية؟

تستخدم المعالجة بفنتون بيروكسيد الهيدروجين ومحفزات الحديد لتوليد جذور الهيدروكسيل. وتضيف المعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية عالية القدرة. ويزيد التجويف بالموجات فوق الصوتية تكوّن الجذور ويحسّن الخلط والتلامس مع المحفز وانتقال الكتلة.

هل يمكن استخدام المعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية لمياه الصرف الصناعي؟

نعم. تُستخدم المعالجة بفنتون المدعومة بالموجات فوق الصوتية في تطوير العمليات لمياه الصرف الصناعي، ومياه صرف الأصباغ، ومياه الصرف البتروكيميائي، والمعلقات الكثيفة الملوثة، وغيرها من التيارات التي تحتوي على مركبات عضوية مقاومة للتحلل. وتعتمد الجدوى الصناعية على حمل الملوثات، والطلب على المؤكسد، ونظام المحفزات، وهدف المعالجة، وميزان الطاقة.

هل يمكن للموجات فوق الصوتية تقليل استهلاك المواد الكيميائية؟

يمكن للموجات فوق الصوتية تحسين الاستفادة من المؤكسدات والمحفزات بتكثيف تكوّن الجذور وانتقال الكتلة. ويجب التأكد من إمكانية تقليل استهلاك المواد الكيميائية من خلال تجارب باستخدام مياه الصرف الفعلية أو مزيج التفاعل الفعلي.

هل يمكن توسيع نطاق العملية؟

نعم. صُممت أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لتطوير عمليات قابلة لتوسيع النطاق. ويمكن نقل نتائج الاختبارات المختبرية إلى الأنظمة التجريبية والصناعية بالتحكم في سعة الاهتزاز والطاقة المدخلة وزمن المكوث ودرجة الحرارة والضغط وهندسة المفاعل.

أي معالج بالموجات فوق الصوتية يناسب عمليتي؟

يعتمد المعالج المناسب على حجم العينة ومعدل التدفق والتحويل المستهدف ومحتوى المواد الصلبة واللزوجة ودرجة حرارة التشغيل والضغط. وتوفر Hielscher أجهزة معالجة مختبرية بالموجات فوق الصوتية، وأنظمة تجريبية، ومفاعلات صناعية بالموجات فوق الصوتية للمعالجة المستمرة.

ما هي عملية الأوزنة المدعومة بالموجات فوق الصوتية؟

الأوزنة المدعومة بالموجات فوق الصوتية هي عملية أكسدة متقدمة تجمع بين المعالجة بالأوزون والموجات فوق الصوتية عالية القدرة لتوليد جذور أكثر تفاعلية وتحسين انتقال الكتلة في السوائل. ويسرّع هذا التآزر تحلل الملوثات العضوية والأصباغ والميكروبات والمركبات المقاومة للتحلل في الماء أو مياه الصرف مقارنةً بالأوزنة وحدها.

استكشف مزايا الأوزنة المدعومة بالموجات فوق الصوتية!

المؤلفات / المراجع

• Kazuaki Ninomiya, Hiromi Takamatsu, Ayaka Onishi, Kenji Takahashi, Nobuaki Shimizu (2013): Sonocatalytic–Fenton reaction for enhanced OH radical generation and its application to lignin degradation. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 20, Issue 4, 2013. 1092-1097.
• Nematollah Jaafarzadeh, Afshin Takdastan, Sahand Jorfi, Farshid Ghanbari, Mehdi Ahmadi, Gelavizh Barzegar (2018): The performance study on ultrasonic/Fe₃O₄/H₂O₂ for degradation of azo dye and real textile wastewater treatment. Journal of Molecular Liquids Vol. 256, 2018. 462–470.
• Virkutyte, Jurate; Vickackaite, Vida; Padarauskas, Audrius (2009): Sono-oxidation of soils: Degradation of naphthalene by sono-Fenton-like process. Journal of Soils and Sediments 10, 2009. 526-536.
• Garófalo-Villalta, Soraya; Medina Espinosa, Tanya; Sandoval Pauker, Christian; Villacis, William; Ciobotă, Valerian; Muñoz, Florinella; Vargas Jentzsch, Paul (2020): Degradation of Reactive Red 120 dye by a heterogeneous Sono-Fenton process with goethite deposited onto silica and calcite sand. Journal of the Serbian Chemical Society 85, 2020. 125-140.
• Ahmadi, Mehdi; Haghighifard, Nematollah; Soltani, Reza; Tobeishi, Masumeh; Jorfi, Sahand (2019): Treatment of a saline petrochemical wastewater containing recalcitrant organics using electro-Fenton process: persulfate and ultrasonic intensification. Desalination and Water Treatment 169, 2019. 241-250.
• Adewuyi, Yusuf G.; Appaw, Collins (2002): Sonochemical Oxidation of Carbon Disulfide in Aqueous Solutions: Reaction Kinetics and Pathways. Industrial & Engineering Chemistry Research 41 (20), 2002. 4957–4964.