Sonication Fenton reaksiyalarını yaxşılaşdırır

Fenton reaksiyaları hidroksil •OH radikalı və hidrogen peroksid (H) kimi sərbəst radikalların yaranmasına əsaslanır.₂O₂). Fenton reaksiyası ultrasəs ilə birləşdirildikdə əhəmiyyətli dərəcədə güclənə bilər. Fenton reaksiyasının güclü ultrasəs ilə sadə, lakin yüksək effektiv birləşməsi istənilən radikal formalaşmanı kəskin şəkildə yaxşılaşdırdığı və bununla da intensivləşdirici təsirləri emal etdiyi göstərilmişdir.

Power Ultrasəs Fenton reaksiyalarını necə yaxşılaşdırır?

Yüksək güclü / yüksək performanslı ultrasəs su kimi mayelərə birləşdirildikdə, akustik kavitasiya fenomeni müşahidə edilə bilər. Kavitasiya qaynar nöqtəsində dəqiqəlik vakuum qabarcıqları yaranır və güclü ultrasəs dalğalarının yaratdığı bir neçə yüksək təzyiq/aşağı təzyiq dövrü ərzində böyüyür. Vakuum qabarcığının daha çox enerji qəbul edə bilmədiyi nöqtədə, yüksək təzyiq (sıxılma) dövrü zamanı boşluq şiddətlə çökür. Bu qabarcıq partlaması 5000 K kimi yüksək temperaturun, 100 MPa kimi yüksək təzyiqlərin və çox yüksək temperatur və təzyiq fərqlərinin baş verdiyi fövqəladə ekstremal şərait yaradır. Partlayan kavitasiya qabarcıqları həmçinin suyun hidrolizi (sonokimyəvi təsir) nəticəsində OH radikalları kimi sərbəst radikal növləri ilə yanaşı, çox sıx kəsmə qüvvələri (sonomexaniki təsirlər) ilə yüksək sürətli maye mikrojetlər yaradır. Sərbəst radikal əmələ gəlməsinin sonokimyəvi təsiri ultrasəs intensivləşmiş Fenton reaksiyaları üçün əsas töhfədir, təşviqatın sonomexaniki təsiri isə kimyəvi çevrilmə sürətini yaxşılaşdıran kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır.
(Soldakı şəkil, sonotrodda yaranan akustik kavitasiyanı göstərir ultrasəs cihazı UIP1000hd. Görünüşü yaxşılaşdırmaq üçün aşağıdan qırmızı işıq istifadə olunur)

Sonchemically Enhanced Fenton Reaksiyalar üçün Nümunəvi Case Studies

Güclü ultrasəsin Fenton reaksiyalarına müsbət təsiri kimyəvi parçalanma, zərərsizləşdirmə və parçalanma kimi müxtəlif tətbiqlər üçün tədqiqat, pilot və sənaye parametrlərində geniş şəkildə öyrənilmişdir. Fenton və sono-Fenton reaksiyası yüksək reaktiv hidroksil radikallarının əmələ gəlməsi ilə nəticələnən dəmir katalizatoru istifadə edərək hidrogen peroksidin parçalanmasına əsaslanır.
Hidroksil (•OH) radikalları kimi sərbəst radikallar tez-tez oksidləşmə reaksiyalarını gücləndirmək, məsələn, çirkab sulardakı üzvi birləşmələr kimi çirkləndiriciləri parçalamaq üçün məqsədyönlü şəkildə əmələ gəlir. Güclü ultrasəs Fenton tipli reaksiyalarda sərbəst radikal əmələ gəlməsinin köməkçi mənbəyi olduğundan, Fenton reaksiyaları ilə birlikdə sonikasiya çirkləndiriciləri, təhlükəli birləşmələri və həmçinin sellüloza materiallarını deqradasiya etmək üçün çirkləndiricilərin deqradasiya sürətini artırdı. Bu o deməkdir ki, ultrasəslə gücləndirilmiş Fenton reaksiyası, sözdə sono-Fenton reaksiyası, Fenton reaksiyasını əhəmiyyətli dərəcədə daha səmərəli edən hidroksil radikal istehsalını yaxşılaşdıra bilər.

OH Radikal Nəsilini Gücləndirən Sonokatalitik-Fenton Reaksiya

Ninomiya və başqaları. (2013) sonokatalitik olaraq gücləndirilmiş Fenton reaksiyasını uğurla nümayiş etdirir – katalizator kimi titan dioksid (TiO2) ilə birlikdə ultrasəsdən istifadə – əhəmiyyətli dərəcədə gücləndirilmiş hidroksil (•OH) radikal nəslini nümayiş etdirir. Yüksək performanslı ultrasəsin tətbiqi qabaqcıl oksidləşmə prosesini (AOP) başlatmağa imkan verdi. TiO2 hissəciklərindən istifadə edərək sonokatalitik reaksiya müxtəlif kimyəvi maddələrin parçalanmasına tətbiq edilsə də, Ninomiya-nın tədqiqat qrupu liqnoselülozik materialın ilkin müalicəsi kimi liqnini (bitki hüceyrə divarlarında mürəkkəb üzvi polimer) parçalamaq üçün səmərəli şəkildə yaradılmış •OH radikallarından istifadə etmişdir. sonrakı enzimatik hidrolizi asanlaşdırdı.
Nəticələr göstərir ki, TiO2-dən sonokatalizator kimi istifadə edilən sonokatalitik Fenton reaksiyası təkcə liqninin deqradasiyasını gücləndirmir, həm də sonrakı enzimatik şəkərləşməni artırmaq üçün liqnoselüloz biokütləsinin effektiv ilkin müalicəsidir.
Prosedur: Sonokatalitik-Fenton reaksiyası üçün nümunə məhluluna və ya suspenziyasına həm TiO2 hissəcikləri (2 q/L), həm də Fenton reagenti (yəni, H2O2 (100 mM) və FeSO4 · 7H2O (1 mM)) əlavə edildi. Sonokatalitik-Fenton reaksiyası üçün reaksiya qabındakı nümunə süspansiyonu 180 dəqiqə ultrasəslə zond tipli ultrasəs prosessoru UP200S (200W, 24kHz) 35 W ultrasəs gücündə sonotrode S14 ilə. Reaksiya qabı soyuducu sirkulyatordan istifadə edərək 25 ° C temperaturda saxlanılan su banyosuna yerləşdirildi. İşığın yaratdığı hər hansı təsirlərin qarşısını almaq üçün ultrasəs qaranlıqda aparılmışdır.
Effekt: Sonokatalitik Fenton reaksiyası zamanı OH radikalının əmələ gəlməsinin bu sinerji gücləndirilməsi, Fenton reaksiyası ilə əmələ gələn Fe3+-nın sonokatalitik reaksiya ilə reaksiya birləşməsindən qaynaqlanan Fe2+-a bərpa olunması ilə əlaqələndirilir.
Nəticələr: Sono-katalitik Fenton reaksiyası üçün DHBA konsentrasiyası sinergik olaraq 378 μM-ə qədər artırıldı, ultrasəs və TiO2 olmadan Fenton reaksiyası isə yalnız 115 μM DHBA konsentrasiyası əldə etdi. Fenton reaksiyası zamanı kenaf biokütləsinin liqninin deqradasiyası yalnız liqninin deqradasiya əmsalı əldə etdi, bu nisbət kD = 0,26 dəq−1 ilə xətti olaraq 120 dəqiqəyə qədər artdı və 180 dəqiqədə 49,9%-ə çatdı; sonokatalitik-Fenton reaksiyası ilə liqninin parçalanma nisbəti kD = 0.57 dəq-1 ilə xətti olaraq 60 dəqiqəyə qədər artdı və 180 dəqiqədə 60.0% -ə çatdı.

(B) sonokatalitik (US/TiO2), (C) Fenton (H2O2/Fe2+) və (D) sonokatalitik-Fenton (US/TiO2 + H2O2) ilə əvvəlcədən işlənmiş kenaf biokütləsinin (A) təmizlənməmiş nəzarətinin elektron mikroqrafikləri (SEM) /Fe2+) reaksiyaları. İlkin müalicə müddəti 360 dəqiqə idi. Barlar 10 μm-i təmsil edir.
(Şəkil və tədqiqat: ©Ninomiya et al., 2013)

Sonochemical Fenton vasitəsilə naftalin parçalanması

tətbiq olunan bütün ultrasəs şüalanma intensivliyi üçün hər iki amilin ən yüksək (600 mq L-1 hidrogen peroksid konsentrasiyası) və ən aşağı (200 mq kq1 naftalin konsentrasiyası) səviyyələrinin kəsişməsində naftalin parçalanmasının ən yüksək faizi əldə edilmişdir. Bu, müvafiq olaraq 100, 200 və 400 Vt gücündə sonikasiya tətbiq edildikdə naftalin parçalanmasının səmərəliliyinin 78%, 94% və 97% ilə nəticələndi. Müqayisəli araşdırmada tədqiqatçılar Hielscher ultrasəs aparatlarından istifadə ediblər UP100H, UP200 St, və UP400St. Deqradasiya səmərəliliyinin əhəmiyyətli dərəcədə artması həm oksidləşdirici mənbələrin (ultrasəsləmə və hidrogen peroksid) sinergizminə aid edilirdi ki, bu da tətbiq olunan ultrasəs vasitəsilə Fe oksidlərinin səthinin artmasına və radikalların daha səmərəli istehsalına çevrildi. Optimal dəyərlər (200 və 400 Vt-da 600 mq L−1 hidrogen peroksid və 200 mq kq1 naftalin konsentrasiyaları) 2 saatlıq müalicədən sonra torpaqda naftalin konsentrasiyasının maksimum 97%-ə qədər azaldığını göstərir.
(müq. Virkutyte və başqaları, 2009)

a) elementar xəritələşdirmə və b) torpaqdan əvvəl və c) ultrasəs şüalanmasından sonra SEM–EDS mikroqramı
(Şəkil və tədqiqat: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonokimyəvi karbon disulfidin deqradasiyası

Adewuyi və Appaw 20 kHz və 20 ° C tezliyində sonokimyəvi partiya reaktorunda karbon disulfidin (CS2) uğurlu oksidləşməsini nümayiş etdirdi. CS2-nin sulu məhluldan çıxarılması ultrasəs intensivliyinin artması ilə əhəmiyyətli dərəcədə artdı. Daha yüksək intensivlik akustik amplitüdün artması ilə nəticələndi ki, bu da daha sıx kavitasiya ilə nəticələnir. CS2-nin sulfata sonokimyəvi oksidləşməsi əsasən •OH radikalı və onun rekombinasiya reaksiyalarından əmələ gələn H2O2 tərəfindən oksidləşmə yolu ilə baş verir. Bundan əlavə, bu tədqiqatda həm aşağı, həm də yüksək temperatur diapazonunda aşağı EA dəyərləri (42 kJ/mol-dan aşağı) diffuziya ilə idarə olunan nəqliyyat proseslərinin ümumi reaksiyanı diktə etdiyini göstərir. Ultrasəs kavitasiyası zamanı boşluqlarda mövcud olan su buxarının sıxılma mərhələsində H• və •OH radikallarını əmələ gətirmək üçün parçalanması artıq yaxşı öyrənilmişdir. •OH radikalı həm qaz, həm də maye fazada güclü və effektiv kimyəvi oksidləşdiricidir və onun qeyri-üzvi və üzvi substratlarla reaksiyaları çox vaxt diffuziya ilə idarə olunan sürətə yaxın olur. Hidroksil radikalları və hidrogen atomları vasitəsilə H2O2 və hidrogen qazı hasil etmək üçün suyun sonolizi yaxşı məlumdur və hər hansı qazın, O2 və ya təmiz qazların (məsələn, Ar) iştirakı ilə baş verir. Nəticələr göstərir ki, sərbəst radikalların (məsələn, •OH) interfasial reaksiya zonasına diffuziyasının mövcudluğu və nisbi sürəti reaksiyanın sürətini məhdudlaşdıran addımı və ümumi qaydanı müəyyən edir. Ümumiyyətlə, sonokimyəvi gücləndirilmiş oksidləşdirici deqradasiya karbon disulfidin çıxarılması üçün təsirli bir üsuldur.
(Adewuyi və Appaw, 2002)

Ultrasonik Fenton kimi Boya Deqradasiyası

İstehsalında boyalardan istifadə edən sənaye müəssisələrinin tullantıları ekoloji problemdir ki, bu da tullantı sularının təmizlənməsi üçün səmərəli proses tələb edir. Oksidləşdirici Fenton reaksiyaları boya tullantılarının təmizlənməsi üçün geniş istifadə olunur, eyni zamanda təkmilləşdirilmiş Sono-Fenton prosesləri artan səmərəliliyi və ətraf mühitə uyğunluğu səbəbindən getdikcə daha çox diqqət çəkir.

Reaktiv Qırmızı 120 Boyanın deqradasiyası üçün Sono-Fenton reaksiyası

Sintetik sularda Reaktiv Qırmızı 120 boyasının (RR-120) deqradasiyası tədqiq edilmişdir. İki proses nəzərdən keçirilmişdir: dəmir (II) sulfatlı homojen Sono-Fenton və silisium və kalsit qumu üzərində çökdürülmüş sintetik goetit və goetitli heterojen Sono-Fenton (dəyişdirilmiş katalizatorlar GS (silis qumu üzərində çökdürülmüş goetit) və GC (kalsitin üzərinə çökmüş goetit). ), müvafiq olaraq). 60 dəqiqəlik reaksiyada homojen Sono-Fenton prosesi pH 3.0-da goethite ilə heterojen Sono-Fenton prosesi üçün 96.07% ilə müqayisədə 98.10% deqradasiyaya imkan verdi. Çılpaq goetit əvəzinə dəyişdirilmiş katalizatorlardan istifadə edildikdə RR-120-nin çıxarılması artdı. Kimyəvi Oksigen Tələbinin (COD) və Ümumi Üzvi Karbonun (TOC) ölçülməsi göstərdi ki, ən yüksək TOK və KOİ xaric edilməsi homojen Sono-Fenton prosesi ilə əldə edilib. Biokimyəvi Oksigen Tələbinin (BOD) ölçülməsi BOD/COD-nin ən yüksək dəyərinin heterojen Sono-Fenton prosesi ilə (0,88±0,04 modifikasiya edilmiş katalizator GC ilə) əldə edildiyini aşkar etməyə imkan verdi ki, bu da qalıq üzvi birləşmələrin bioloji parçalanma qabiliyyətinin nəzərəçarpacaq dərəcədə yaxşılaşdığını nümayiş etdirdi. .
(müq. Garófalo-Villalta et al. 2020)
Soldakı şəkil göstərir ultrasəs cihazı UP100H sono-Fenton reaksiyası ilə qırmızı boyanın parçalanması üçün təcrübələrdə istifadə olunur.(Tədqiqat və şəkil: ©Garófalo-Villalta et al., 2020.)

RO107 azo boyasının heterojen Sono-Fenton deqradasiyası

Cəfərzadə və b. (2018) katalizator kimi maqnetit (Fe3O4) nanohissəciklərindən (MNP) istifadə edərək, sono-Fenton kimi deqradasiya prosesi vasitəsilə azo boya Reaktiv Portağal 107 (RO107) uğurla çıxarılmasını nümayiş etdirdi. Onlar öz tədqiqatlarında istifadə ediblər Hielscher UP400S ultrasəs cihazı İstənilən radikal formalaşmanı əldə etmək üçün akustik kavitasiya yaratmaq üçün 50% iş dövründə (1 s aktiv / 1 s off) 7 mm sonotrode ilə təchiz edilmişdir. Magnitit nanohissəcikləri peroksidaza bənzər katalizator kimi fəaliyyət göstərir, buna görə də katalizatorun dozasının artırılması daha aktiv dəmir sahələrini təmin edir, bu da öz növbəsində H2O2-nin parçalanmasını sürətləndirərək reaktiv OH• istehsalına gətirib çıxarır.
Nəticələr: Azo boyanın tam çıxarılması 0,8 q/L MPN, pH = 5, 10 mM H2O2 konsentrasiyası, 300 W/L ultrasəs gücü və 25 dəqiqə reaksiya müddətində əldə edilmişdir. Bu ultrasəs Sono-Fenton kimi reaksiya sistemi də real tekstil çirkab suları üçün qiymətləndirilmişdir. Nəticələr göstərdi ki, 180 dəqiqəlik reaksiya zamanı kimyəvi oksigen tələbatı (COD) 2360 mq/L-dən 489,5 mq/L-ə qədər azalıb. Bundan əlavə, ABŞ/Fe3O4/H2O2 üzərində də xərc təhlili aparılmışdır. Nəhayət, ultrasəs/Fe3O4/H2O2 rəngli çirkab suların rəngsizləşdirilməsi və təmizlənməsində yüksək effektivlik göstərmişdir.
Ultrasəs gücünün artması maqnetit nanohissəciklərinin reaktivliyinin və səthinin artmasına gətirib çıxardı ki, bu da `Fe3+-dan `Fe2+-a çevrilmə sürətini asanlaşdırdı. Yaranan `Fe2+ hidroksil radikallarını yaratmaq üçün H2O2 reaksiyasını katalizlədi. Nəticədə, ultrasəs gücünün artması qısa müddət ərzində təmas müddəti ərzində rəngsizləşdirmə sürətini sürətləndirərək US/MNPs/H2O2 prosesinin performansını artırdığı göstərildi.
Tədqiqatın müəllifləri qeyd edirlər ki, ultrasəs gücü heterojen Fenton kimi sistemdə RO107 boyasının deqradasiya dərəcəsinə təsir edən ən vacib amillərdən biridir.
Sonikasiyadan istifadə edərək yüksək effektiv maqnit sintezi haqqında daha çox məlumat əldə edin!
(müq. Cəfərzadə və başqaları, 2018)

5 pH, MNPs dozası 0,8 q/L, H2O2 konsentrasiyası 10 mM, RO107 konsentrasiyası 50 mq/L, ultrasəs gücü 300 Vt və reaksiya müddəti 30 dəqiqə olan RO107-nin müxtəlif birləşmələrdə deqradasiyası.
Tədqiqat və şəkil: ©Cəfərzadə və b., 2018.

AĞIR İSTİFADƏ EDİLƏN ULTRASONİKATORLAR

Hielscher Ultrasonics, qabaqcıl oksidləşdirici proseslər (AOP), Fenton reaksiyası, eləcə də digər sonokimyəvi, sono-foto-kimyəvi və sono-elektro-kimyəvi reaksiyalar kimi ağır yük tətbiqləri üçün yüksək performanslı ultrasəs prosessorları və reaktorları dizayn edir, istehsal edir və paylayır. . Ultrasonikatorlar, ultrasəs zondları (sonotrotlar), axın hüceyrələri və reaktorlar istənilən ölçüdə mövcuddur – kompakt laboratoriya sınaq avadanlıqlarından irimiqyaslı sonokimyəvi reaktorlara qədər. Hielscher ultrasəs cihazları laboratoriya və dəzgah üstü cihazlardan saatda bir neçə ton emal edə bilən sənaye sistemlərinə qədər çoxsaylı güc sinifləri mövcuddur.

Dəqiq Amplituda Nəzarət

Amplituda hər hansı bir ultrasəs prosesinin nəticələrinə təsir edən ən vacib proses parametrlərindən biridir. Ultrasəs amplitüdünün dəqiq tənzimlənməsi Hielscher ultrasəs cihazlarını aşağıdan çox yüksək amplitüdlərdə işlətməyə və amplitüdü dispersiya, ekstraksiya və sonokimya kimi tətbiqlərin tələb olunan ultrasəs proses şərtlərinə dəqiq uyğunlaşdırmağa imkan verir.
Doğru sonotrode ölçüsünü seçmək və isteğe bağlı olaraq gücləndirici buynuzu istifadə etmək və amplituda əlavə artırmaq və ya azaltmaq xüsusi bir tətbiq üçün ideal ultrasəs sistemi qurmağa imkan verir. Daha böyük bir ön səth sahəsi olan bir zond / sonotrode istifadə edərək, ultrasəs enerjisini böyük bir sahəyə və daha aşağı amplitudaya yayacaq, daha kiçik ön səth sahəsi olan bir sonotrod daha diqqətli bir kavitasiya qaynar nöqtəsi yaradaraq daha yüksək amplitüdlər yarada bilər.

Hielscher Ultrasonics, çox yüksək möhkəmliyə malik yüksək performanslı ultrasəs sistemləri istehsal edir və tələb olunan şərtlər altında ağır yük tətbiqlərində intensiv ultrasəs dalğalarını çatdırmağa qadirdir. Bütün ultrasəs prosessorları 24/7 iş rejimində tam gücü təmin etmək üçün qurulmuşdur. Xüsusi sonotrodlar yüksək temperaturlu mühitlərdə sonikasiya proseslərinə imkan verir.

Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal qabiliyyətinin göstəricisini verir: