Sonication يحسن ردود فعل فنتون

تعتمد تفاعلات فنتون على توليد الجذور الحرة مثل هيدروكسيل • OH الجذري وبيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂). يمكن تكثيف تفاعل فنتون بشكل كبير عندما يقترن بالموجات فوق الصوتية. لقد ثبت أن المزيج البسيط والفعال للغاية من تفاعل فنتون مع الموجات فوق الصوتية القوية يحسن بشكل كبير التكوين الجذري المطلوب وبالتالي يعالج التأثيرات المكثفة.

كيف تعمل الموجات فوق الصوتية على تحسين تفاعلات فنتون؟

عندما يقترن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة? عالية الأداء في السوائل مثل الماء ، يمكن ملاحظة ظاهرة التجويف الصوتي. في البقعة الساخنة التجويفية ، تنشأ فقاعات فراغ دقيقة ، وتنمو على مدى عدة دورات عالية الضغط? منخفضة الضغط تسببها موجات الموجات فوق الصوتية للطاقة. عند هذه النقطة ، عندما لا تستطيع فقاعة الفراغ امتصاص المزيد من الطاقة ، ينهار الفراغ بعنف أثناء دورة الضغط العالي (الضغط). يولد هذا الانفجار الداخلي للفقاعة ظروفا قاسية بشكل غير عادي حيث تصل درجات الحرارة إلى 5000 كلفن ، وضغوط تصل إلى 100 ميجا باسكال ، وفروق عالية جدا في درجات الحرارة والضغط. تولد فقاعات التجويف المتفجرة أيضا نفاثات سائلة عالية السرعة ذات قوى قص شديدة للغاية (تأثيرات ميكانيكية) بالإضافة إلى أنواع الجذور الحرة مثل جذور OH بسبب التحلل المائي للماء (تأثير سونوكيميائي). التأثير الكيميائي لتكوين الجذور الحرة هي المساهم الرئيسي في تفاعلات فنتون المكثفة بالموجات فوق الصوتية ، في حين أن التأثيرات الميكانيكية، للتحريض تعمل على تحسين نقل الكتلة، مما يحسن معدلات التحويل الكيميائي.
(تظهر الصورة اليسرى التجويف الصوتي المتولد في سونوترود من الموجات فوق الصوتية UIP1000hd. يتم استخدام الضوء الأحمر من الأسفل لتحسين الرؤية)

دراسات حالة نموذجية لتفاعلات فنتون المعززة كيميائيا

تمت دراسة الآثار الإيجابية للموجات فوق الصوتية للطاقة على تفاعلات فنتون على نطاق واسع في الإعدادات البحثية والتجريبية والصناعية لمختلف التطبيقات مثل التدهور الكيميائي وإزالة التلوث والتحلل. يعتمد تفاعل فنتون وسونو فنتون على تحلل بيروكسيد الهيدروجين باستخدام محفز حديدي ، مما يؤدي إلى تكوين جذور هيدروكسيل عالية التفاعل.
غالبا ما يتم إنشاء الجذور الحرة مثل جذور الهيدروكسيل (• OH) عن قصد في عمليات لتكثيف تفاعلات الأكسدة ، على سبيل المثال ، لتحلل الملوثات مثل المركبات العضوية في مياه الصرف الصحي. نظرا لأن الموجات فوق الصوتية للطاقة هي مصدر مساعد لتشكيل الجذور الحرة في تفاعلات نوع فنتون ، فإن الصوتنة بالاشتراك مع تفاعلات فنتون عززت معدلات تحلل الملوثات من أجل تحلل الملوثات والمركبات الخطرة وكذلك مواد السليلوز. هذا يعني أن تفاعل فنتون المكثف بالموجات فوق الصوتية ، ما يسمى تفاعل سونو فنتون ، يمكن أن يحسن إنتاج جذر الهيدروكسيل مما يجعل تفاعل فنتون أكثر كفاءة بشكل ملحوظ.

تفاعل سونوكاتالي-فنتون لتعزيز توليد OH الجذري

Ninomiya et al. (2013) يثبت بنجاح أن تفاعل فنتون المعزز بالموجات فوق الصوتية – باستخدام الموجات فوق الصوتية في تركيبة مع ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO2) كمحفز – يظهر توليد جذري محسن بشكل كبير من الهيدروكسيل (• OH). سمح تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية الأداء ببدء عملية أكسدة متقدمة (AOP). في حين تم تطبيق التفاعل التحفيزي باستخدام جزيئات TiO2 على تدهور المواد الكيميائية المختلفة ، استخدم فريق البحث في Ninomiya جذور • OH المتولدة بكفاءة لتحلل اللجنين (بوليمر عضوي معقد في جدران خلايا النبات) كمعالجة مسبقة لمادة lignocellulosic للتحلل المائي الأنزيمي اللاحق الميسر.
أظهرت النتائج أن تفاعل فنتون التحفيزي باستخدام TiO2 كمحفز سونوكاتاز ، لا يعزز فقط تدهور اللجنين ولكن أيضا هو معالجة مسبقة فعالة للكتلة الحيوية lignocellulosic من أجل تعزيز التسكع الأنزيمي اللاحق.
إجراء: بالنسبة لتفاعل فونتونكاتالي-فنتون، تمت إضافة كل من جسيمات TiO2 (2 g/L) وكاشف فنتون (أي H2O2 (100 mM) وFeSO4·7H2O (1 mM)) إلى محلول العينة أو المعلق. بالنسبة لتفاعل فونتون-فنتون التحفيزي، تم صوتنة معلق العينة في وعاء التفاعل لمدة 180 دقيقة باستخدام معالج بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار UP200S (200 واط ، 24 كيلو هرتز) مع سونوترودي S14 بقوة الموجات فوق الصوتية من 35 وات. تم وضع وعاء التفاعل في حمام مائي يحافظ على درجة حرارة 25 درجة مئوية باستخدام جهاز تبريد. تم إجراء الموجات فوق الصوتية في الظلام من أجل تجنب أي آثار ناجمة عن الضوء.
أثر: يعزى هذا التعزيز التآزري لتوليد OH الجذري أثناء تفاعل Fenton التحفيزي إلى Fe3 + الذي تم تشكيله بواسطة تفاعل Fenton الذي يتم تجديده إلى Fe2 + الناجم عن اقتران التفاعل مع تفاعل sonocatalytic.
النتائج: بالنسبة لتفاعل فنتون التحفيزي للسونو ، تم تعزيز تركيز DHBA بشكل تآزري إلى 378 ميكرومتر ، في حين أن تفاعل فنتون بدون الموجات فوق الصوتية و TiO2 حقق تركيز DHBA فقط من 115 ميكرومتر. لم يحقق تحلل اللجنين للكتلة الحيوية للكيناف تحت تفاعل فنتون سوى نسبة تحلل اللجنين ، والتي زادت خطيا حتى 120 دقيقة مع kD = 0.26 دقيقة − 1 ، لتصل إلى 49.9٪ عند 180 دقيقة ؛ بينما مع تفاعل سونوكاتاليتيك-فنتون ، زادت نسبة تحلل اللجنين خطيا حتى 60 دقيقة مع kD = 0.57 دقيقة − 1 ، لتصل إلى 60.0٪ عند 180 دقيقة.

مسح الصور المجهرية الإلكترونية (SEM) للكتلة الحيوية للكيناف (A) التحكم غير المعالج ، المعالجة مسبقا بتفاعلات (B) التحفيزية (US? TiO2) ، (C) Fenton (H2O2? Fe2+) ، و (D) تفاعلات Sonocatalytic-Fenton (US? TiO2 + H2O2? Fe2+). كان وقت المعالجة 360 دقيقة. تمثل القضبان 10 ميكرومتر.(الصورة والدراسة: ©نينوميا وآخرون ، 2013)

تدهور النفثالين عبر سونوكيميكال فنتون

تم تحقيق أعلى نسبة من تحلل النفثالين عند تقاطع أعلى مستويات (600 ملغ L-1 بيروكسيد الهيدروجين) وأدنى مستويات (200 ملغ كجم 1 تركيز النفثالين) لكلا العاملين لجميع شدة تشعيع الموجات فوق الصوتية المطبقة. نتج عن ذلك 78٪ و 94٪ و 97٪ من كفاءة تدهور النفثالين عند تطبيق صوتنة عند 100 و 200 و 400 واط على التوالي. في دراستهم المقارنة ، استخدم الباحثون الموجات فوق الصوتية Hielscher UP100H, UP200Stو UP400St. وتعزى الزيادة الكبيرة في كفاءة التدهور إلى التآزر بين كل من المصادر المؤكسدة (الموجات فوق الصوتية وبيروكسيد الهيدروجين) والتي ترجمت إلى زيادة مساحة سطح أكاسيد الحديد عن طريق الموجات فوق الصوتية المطبقة والإنتاج الأكثر كفاءة للجذور. أشارت القيم المثلى (600 مجم L−1 من بيروكسيد الهيدروجين و 200 مجم كجم 1 من تركيزات النفثالين عند 200 و 400 واط) إلى انخفاض بنسبة 97٪ كحد أقصى في تركيز النفثالين في التربة بعد ساعتين من المعالجة.
(راجع فيركوتيت وآخرون ، 2009)

ميكروغرام SEM-EDS من أ) رسم الخرائط الأولية و ب) التربة قبل و ج) بعد العلاج الإشعاعي بالموجات فوق الصوتية(الصورة والدراسة: ©Virkutyte et al. ، 2009)

تدهور ثاني كبريتيد الكربون Sonochemical

أظهر Adewuyi و Appaw الأكسدة الناجحة لثاني كبريتيد الكربون (CS2) في مفاعل دفعي سونوكيميائي تحت صوتنة بتردد 20 كيلو هرتز و 20 درجة مئوية. زادت إزالة CS2 من المحلول المائي بشكل كبير مع زيادة كثافة الموجات فوق الصوتية. أدت الكثافة العالية إلى زيادة السعة الصوتية ، مما يؤدي إلى تجويف مكثف. تستمر الأكسدة الكيميائية الصوتية ل CS2 إلى الكبريتات بشكل رئيسي من خلال الأكسدة بواسطة جذر • OH و H2O2 الناتج عن تفاعلات إعادة التركيب. بالإضافة إلى ذلك ، تشير قيم EA المنخفضة (أقل من 42 كيلو جول? مول) في كل من نطاق درجات الحرارة المنخفضة والعالية في هذه الدراسة إلى أن عمليات النقل التي يتم التحكم فيها بالانتشار تملي التفاعل الكلي. أثناء التجويف بالموجات فوق الصوتية ، تمت بالفعل دراسة تحلل بخار الماء الموجود في التجاويف لإنتاج جذور H• و • OH أثناء مرحلة الانضغاط جيدا. جذر • OH هو مؤكسد كيميائي قوي وفعال في كل من المرحلة الغازية والسائلة ، وغالبا ما تكون تفاعلاته مع الركائز غير العضوية والعضوية قريبة من معدل التحكم في الانتشار. إن انحلال الماء لإنتاج H2O2 وغاز الهيدروجين عبر جذور الهيدروكسيل وذرات الهيدروجين معروف جيدا ويحدث في وجود أي غاز أو O2 أو غازات نقية (على سبيل المثال ، Ar). تشير النتائج إلى أن التوافر والمعدلات النسبية لانتشار الجذور الحرة (على سبيل المثال ، • OH) إلى منطقة التفاعل البيني تحدد خطوة تحديد المعدل والترتيب العام للتفاعل. بشكل عام ، يعد التدهور التأكسدي المعزز بالموجات فوق الصوتية طريقة فعالة لإزالة ثاني كبريتيد الكربون.
(أديوي وأباو ، 2002)

تدهور صبغة تشبه الفنتون بالموجات فوق الصوتية

تعتبر النفايات السائلة من الصناعات التي تستخدم الأصباغ في إنتاجها مشكلة بيئية تتطلب عملية فعالة من أجل معالجة مياه الصرف الصحي. تستخدم تفاعلات الفنتون المؤكسدة على نطاق واسع لمعالجة النفايات السائلة للأصباغ ، في حين أن عمليات Sono-Fenton المحسنة تحظى باهتمام متزايد بسبب كفاءتها المحسنة وملاءمتها للبيئة.

تفاعل سونو فنتون لتدهور صبغة 120 الحمراء التفاعلية

تمت دراسة تدهور صبغة Reactive Red 120 (RR-120) في المياه الاصطناعية. تم النظر في عمليتين: Sono-Fenton المتجانس مع كبريتات الحديد (II) و Sono-Fenton غير المتجانس مع goethite الاصطناعي و goethite المترسب على رمل السيليكا والكالسيت (المحفزات المعدلة GS (goethite المترسبة على رمل السيليكا) و GC (goethite المترسب على رمل الكالسيت) ، على التوالي). في 60 دقيقة من التفاعل ، سمحت عملية Sono-Fenton المتجانسة بتدهور بنسبة 98.10٪ ، على عكس 96.07٪ لعملية Sono-Fenton غير المتجانسة مع goethite عند الرقم الهيدروجيني 3.0. زادت إزالة RR-120 عندما تم استخدام المحفزات المعدلة بدلا من goethite العاري. أظهرت قياسات الطلب على الأكسجين الكيميائي (COD) وإجمالي الكربون العضوي (TOC) أنه تم تحقيق أعلى عمليات إزالة الكربون العضوي الكلي و COD من خلال عملية Sono-Fenton المتجانسة. سمحت قياسات الطلب على الأكسجين الكيميائي الحيوي (BOD) بالعثور على أن أعلى قيمة ل BOD? COD قد تم تحقيقها من خلال عملية Sono-Fenton غير المتجانسة (0.88±0.04 مع المحفز المعدل GC) ، مما يدل على أن قابلية التحلل البيولوجي للمركبات العضوية المتبقية قد تحسنت بشكل ملحوظ.
(راجع Garófalo-Villalta et al. 2020)
توضح الصورة اليسرى الموجات فوق الصوتية UP100H المستخدمة في تجارب تحلل الصبغة الحمراء عن طريق تفاعل سونو فنتون. (دراسة وصورة: ©Garófalo-Villalta et al. ، 2020.)

تدهور سونو فنتون غير المتجانسة لصبغة الآزو RO107

أظهر جعفر زاده وآخرون (2018) الإزالة الناجحة لصبغة الآزو البرتقالي التفاعلي 107 (RO107) عبر عملية التحلل الشبيهة بسونو فنتون باستخدام جسيمات المغنتيت (Fe3O4) النانوية (MNP) كمحفز. في دراستهم ، استخدموا Hielscher UP400S الموجات فوق الصوتية مجهزة سونوترودي 7mm في دورة عمل 50٪ (1 ثانية على? 1 ثانية قبالة) لتوليد التجويف الصوتي من أجل الحصول على التكوين الجذري المطلوب. تعمل جسيمات المغنتيت النانوية كمحفز يشبه البيروكسيديز ، وبالتالي فإن الزيادة في جرعة المحفز توفر مواقع حديد أكثر نشاطا ، مما يؤدي بدوره إلى تسريع تحلل H2O2 مما يؤدي إلى إنتاج OH • تفاعلي.
النتائج: تم الحصول على الإزالة الكاملة لصبغة الآزو عند 0.8 جم? لتر MPNs ، ودرجة الحموضة = 5 ، وتركيز 10 mM H2O2 ، وقوة الموجات فوق الصوتية 300 واط? لتر ، ووقت رد الفعل 25 دقيقة. كما تم تقييم نظام التفاعل الشبيه بالموجات فوق الصوتية Sono-Fenton لمياه الصرف الصحي النسيجية الحقيقية. أظهرت النتائج أن الطلب على الأكسجين الكيميائي (COD) قد انخفض من 2360 مجم? لتر إلى 489.5 مجم? لتر خلال فترة تفاعل مدتها 180 دقيقة. علاوة على ذلك ، تم إجراء تحليل التكلفة أيضا على US? Fe3O4? H2O2. أخيرا ، أظهر الموجات فوق الصوتية? Fe3O4? H2O2 كفاءة عالية في إزالة اللون ومعالجة مياه الصرف الصحي الملونة.
أدت الزيادة في الطاقة فوق الصوتية إلى تعزيز التفاعل ومساحة سطح الجسيمات النانوية المغنتيتية ، مما سهل معدل التحول من "Fe3 + إلى" Fe2 +. حفز "Fe2 + المولد" تفاعل H2O2 من أجل إنتاج جذور الهيدروكسيل. نتيجة لذلك ، تبين أن زيادة الطاقة فوق الصوتية تعزز أداء عملية US? MNPs? H2O2 من خلال تسريع معدل إزالة اللون خلال فترة قصيرة من وقت الاتصال.
لاحظ مؤلفو الدراسة أن الطاقة فوق الصوتية هي واحدة من أهم العوامل التي تؤثر على معدل تدهور صبغة RO107 في النظام الشبيه بالفنتون غير المتجانس.
معرفة المزيد عن توليف المغنتيت عالية الكفاءة باستخدام صوتنة!
(راجع جعفر زاده وآخرون ، 2018)

تحلل RO107 في مجموعات مختلفة عند درجة الحموضة 5 ، جرعة MNPs 0.8 جم? لتر ، تركيز H2O2 10 mM ، تركيز RO107 50 مجم? لتر ، قوة الموجات فوق الصوتية 300 واط ووقت رد الفعل 30 دقيقة.دراسة وصورة: ©جعفر زاده وآخرون، 2018.

الموجات فوق الصوتية الثقيلة

Hielscher Ultrasonics تصميم وتصنيع وتوزيع المعالجات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء والمفاعلات للتطبيقات الثقيلة مثل عمليات الأكسدة المتقدمة (AOP)، تفاعل فنتون، فضلا عن غيرها من سونوكيميائية، سونو الضوئية الكيميائية، وسونو الكهروكيميائية التفاعلات. الموجات فوق الصوتية ، تحقيقات الموجات فوق الصوتية (sonotrodes) ، خلايا التدفق والمفاعلات متوفرة في أي حجم – من معدات الاختبار المعملية المدمجة إلى المفاعلات الكيميائية على نطاق واسع. تتوفر الموجات فوق الصوتية Hielscher العديد من فئات الطاقة من المختبرات والأجهزة مقاعد البدلاء إلى الأنظمة الصناعية القادرة على معالجة عدة أطنان في الساعة.

تحكم دقيق في السعة

السعة هي واحدة من أهم معلمات العملية التي تؤثر على نتائج أي عملية بالموجات فوق الصوتية. الضبط الدقيق للسعة بالموجات فوق الصوتية يسمح لتشغيل الموجات فوق الصوتية Hielscher في السعات المنخفضة إلى عالية جدا وضبط السعة بالضبط لظروف عملية الموجات فوق الصوتية المطلوبة من التطبيقات مثل التشتت والاستخراج والكيمياء الصوتية.
اختيار حجم sonotrode الصحيح واستخدام اختياريا قرن معزز لزيادة أو نقصان إضافي من السعة يسمح لإعداد نظام الموجات فوق الصوتية المثالي لتطبيق معين. باستخدام مسبار? سونوترودي مع مساحة سطح أمامي أكبر سوف تبدد الطاقة فوق الصوتية على مساحة كبيرة وسعة أقل، في حين أن سونوترود مع مساحة سطح أمامي أصغر يمكن أن تخلق سعات أعلى خلق بقعة ساخنة تجويف أكثر تركيزا.

Hielscher Ultrasonics بتصنيع أنظمة الموجات فوق الصوتية عالية الأداء من متانة عالية جدا وقادرة على تقديم موجات الموجات فوق الصوتية مكثفة في التطبيقات الثقيلة في ظل ظروف صعبة. تم تصميم جميع المعالجات بالموجات فوق الصوتية لتوفير الطاقة الكاملة في عملية 24/7. تسمح sonotrodes الخاصة لعمليات صوتنة في بيئات درجات الحرارة العالية.

يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا: