Sonikasiya Fenton reaksiyalarını yaxşılaşdırır

Sono-Fenton reaksiyaları hidroksil radikallarının əmələ gəlməsini intensivləşdirmək, kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırmaq və oksidləşdirici parçalanma proseslərini sürətləndirmək üçün Fenton kimyasını yüksək güclü ultrasəslə birləşdirir. Laboratoriyalar, pilot qurğular və sənaye istifadəçiləri üçün Hielscher ultrasəs cihazları çirkab suların təmizlənməsi, boyaların parçalanması, torpağın bərpası, liqninin ilkin emalı və kimyəvi parçalanma kimi qabaqcıl oksidləşmə proseslərini (AOP) yaxşılaşdırmaq üçün idarəolunan və miqyası artırıla bilən üsul təqdim edir.

Sono-Fenton reaksiyası nədir?

Klassik Fenton reaksiyasında yüksək reaktivliyə malik hidroksil radikalları (•OH) yaratmaq üçün hidrogen peroksid (H₂O₂) və dəmir katalizatorlarından istifadə olunur. Bu radikallar üzvi çirkləndiriciləri, boyaları, həllediciləri, karbohidrogenləri, liqnini və digər çətin parçalanan birləşmələri oksidləşdirir. Güclü ultrasəs əlavə edildikdə proses sono-Fenton reaksiyası və ya ultrasəs Fenton reaksiyası adlanır.

Ultrasəslə emal Fenton kimyasını bir-birini tamamlayan iki yolla yaxşılaşdırır:

• Sonokimyəvi təsir: akustik kavitasiya suyun sonolizini və əlavə radikalların əmələ gəlməsini təşviq edir.
• Sonomexaniki təsir: kavitasiya mikroşırnaqları və kəsilmə təsiri qarışdırmanı, katalizatorun dispersləşdirilməsini, fazalararası səth sahəsini və kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır.

Tədqiqatçılar və proses mühəndisləri üçün praktik fayda reaksiya müddətini azalda, çirkləndiricilərin parçalanmasını yaxşılaşdıra, katalizatordan istifadə səmərəliliyini yüksəldə və Fenton tipli emal proseslərinin miqyasını artırmağı asanlaşdıra bilən daha intensiv oksidləşmə prosesidir.

Güclü ultrasəs Fenton reaksiyalarını necə yaxşılaşdırır

Yüksək güclü ultrasəs enerjisi mayeyə ötürüldükdə akustik kavitasiya baş verir. Mikroskopik buxar boşluqları növbələşən təzyiq dövrləri ərzində böyüyür və sıxılma zamanı şiddətlə çökür. Bu çökmə çox yüksək ani temperatur və təzyiqə malik lokal isti nöqtələr yaradır. Sulu sistemlərdə kavitasiya hidroksil radikalları və hidrogen peroksid kimi reaktiv növlərin əmələ gəlməsini təşviq edə bilər.

Fenton və ya Fentonabənzər prosesdə kavitasiyanın yaratdığı bu kimyəvi təsir dəmirin kataliz etdiyi H₂O₂ parçalanması ilə birlikdə işləyir. Eyni zamanda, ultrasəsin yaratdığı kəsilmə təsiri oksidləşdiricilər, katalizatorlar, asılı bərk hissəciklər və həll olmuş çirkləndiricilər arasındakı təması yaxşılaşdırır. Bu, ultrasəsi xüsusilə aşağıdakılar üçün dəyərli edir:

• bioloji yolla zəif parçalanan üzvi çirkləndiricilər olan çirkab su axınları;
• maqnetit, götit, TiO₂ və ya dəmir oksidləri kimi heterogen katalizatorlar;
• şlamlar, torpaq suspenziyaları, biokütlə suspenziyaları və katalizator tərkibli mayelər;
• miqyasın etibarlı artırılmasını tələb edən dövri və axın xəttində qabaqcıl oksidləşmə prosesləri.

Ultrasəs sono-Fenton reaktorlarının üstünlükləri

• Daha yüksək oksidləşmə intensivliyi: ultrasəs radikalların əmələ gəlməsini artırır və oksidləşdirici parçalanmanın kinetikasını yaxşılaşdırır.
• Katalizatordan daha səmərəli istifadə: kavitasiya katalizatorları dispersləşdirir və maye ilə bərk maddə arasındakı təması yaxşılaşdırır.
• Daha qısa reaksiya müddətləri: radikal yaranmasının və qarışdırmanın intensivləşdirilməsi emal müddətini azalda bilər.
• Miqyası artırıla bilən reaktor konstruksiyası: Hielscher amplitudanın sabit idarə olunmasını təmin edən laboratoriya, pilot və sənaye ultrasəs reaktorları təklif edir.
• Dövri və ya axın xəttində iş rejimi: proseslər laboratoriya stəkanlarında və ya dövri emal çənlərində işlənib hazırlana və fasiləsiz axın reaktorlarına keçirilə bilər.
• Prosesin monitorinqi: rəqəmsal Hielscher ultrasəs cihazları amplitudanın, daxil edilən gücün, temperaturun, təzyiqin və emal müddətinin idarə olunmasını təmin edir.
• 24/7 sənaye iş rejimi: ağır iş şəraiti üçün nəzərdə tutulmuş ultrasəs prosessorları tam yük altında fasiləsiz işləmək üçün hazırlanıb.

Sono-Fenton emalını nə vaxt nəzərdən keçirməlisiniz?

Sono-Fenton emalı ən çox ənənəvi Fenton prosesinin həddən artıq yavaş olduğu, katalizatorla təmasın məhdud olduğu, çirkləndiricilərin çətin oksidləşdiyi və ya asılı bərk hissəciklərin proses səmərəliliyini azaltdığı hallarda məqsədəuyğundur. Əsas oksidləşmə kimyasını dəyişdirmədən prosesi laboratoriyada tətbiq imkanının yoxlanmasından sənaye emal məhsuldarlığına qədər inkişaf etdirmək lazım gəldikdə də faydalıdır.

Sono-Fenton optimallaşdırılması üçün mühüm proses parametrləri

Sono-Fenton reaksiyasının səmərəliliyi həm kimyəvi, həm də ultrasəs parametrlərindən asılıdır. Tətbiq imkanının yoxlanması zamanı Hielscher müştərilərə konkret çirkab su, şlam və ya reaksiya qarışığı üçün uyğun iş parametrləri diapazonunu qiymətləndirməyə kömək edir.

• Ultrasəs amplitudası: sonotrodda kavitasiya intensivliyini idarə edən əsas parametrdir.
• Güc sıxlığı və daxil edilən enerji: emal olunan həcm vahidinə düşən sonokimyəvi intensivliyi müəyyən edir.
• H₂O₂ konsentrasiyası: radikal yaranmasına və oksidləşdiriciyə qalan tələbata təsir edir.
• Dəmir katalizatorunun növü və dozası: buraya Fe²⁺, Fe³⁺, maqnetit, götit, TiO₂ ilə dəstəklənən sistemlər və ya immobilizasiya edilmiş katalizatorlar daxildir.
• pH və temperatur: Fenton reaksiyasının kinetikasına, katalizatorun həllolmasına və radikalların reaksiya yollarına təsir edir.
• Reaktorda qalma müddəti: dövri emal çənlərində və ya axın xəttindəki axın reaktorlarında çevrilmə dərəcəsini müəyyən edir.
• Təzyiq: təzyiq altında işlədilə bilən ultrasəs reaktorları fasiləsiz iş rejimində kavitasiya şəraitini intensivləşdirə bilər.

Tədqiqat nümunələri: ultrasəslə gücləndirilmiş Fenton reaksiyaları

Güclü ultrasəsin Fenton və Fentonabənzər reaksiyalara müsbət təsirləri kimyəvi parçalanma, çirklənmədən təmizləmə, biokütlənin ilkin emalı və sənaye çirkab sularının təmizlənməsi üçün öyrənilib. Aşağıdakı nümunələr ultrasəsin müxtəlif sistemlərdə radikalların əmələ gəlməsini, parçalanma sürətini və proses səmərəliliyini necə yaxşılaşdıra biləcəyini göstərir.

Hidroksil radikallarının yaranmasını artıran sonokatalitik–Fenton reaksiyası

Ninomiya və b. (2013) ultrasəslə emalın, TiO₂, H₂O₂ və dəmir katalizatorunun birləşdirilməsinin hidroksil radikallarının yaranmasını əhəmiyyətli dərəcədə artırdığını göstəriblər. Proses liqnosellüloz biokütlənin ilkin emal mərhələsi kimi liqninin parçalanmasına tətbiq olunaraq sonrakı fermentativ hidrolizi dəstəkləyib.

Təcrübə quruluşu: TiO₂ hissəcikləri (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) və FeSO₄·7H₂O (1 mM) nümunə suspenziyasına əlavə edilib. Suspenziya 180 min ərzində Hielscher UP200S / UP200St sinfinə aid ultrasəs prosessoru vasitəsilə zond sonotrodundan istifadə olunmaqla 35 W ultrasəs gücündə sonikasiya edilib. Qabın temperaturu idarə olunaraq 25 °C səviyyəsində saxlanılıb.

Nəticə: Sonokatalitik–Fenton reaksiyasında DHBA konsentrasiyası 378 μM-ə çatıb; ultrasəs və TiO₂ olmadan Fenton reaksiyasında isə bu göstərici 115 μM olub. Sonokatalitik–Fenton emalı zamanı liqninin parçalanması daha sürətlə artıb və bu, ultrasəs, katalizator və Fenton kimyası arasında güclü sinerjini göstərib.

Kenaf biokütləsinin skanedici elektron mikroskopiya (SEM) təsvirləri: (A) emal edilməmiş nəzarət nümunəsi, (B) sonokatalitik emal, (C) Fenton emalı və (D) sonokatalitik–Fenton emalı. İlkin emal müddəti: 360 min. Miqyas xətləri 10 μm-i göstərir.
(Şəkil və tədqiqat: ©Ninomiya et al., 2013)

Sono-Fentonabənzər torpaq emalı ilə naftalinin parçalanması

Virkutyte və b. (2009) ultrasəs və hidrogen peroksidi birləşdirərək torpaqda naftalinin parçalanmasını araşdırıblar. Ən yüksək parçalanma səmərəliliyi yüksək hidrogen peroksid konsentrasiyasında və aşağı ilkin naftalin konsentrasiyasında əldə edilib. 100, 200 və 400 W gücündə ultrasəs şüalandırılması zamanı müvafiq olaraq 78%, 94% və 97% parçalanma səmərəliliyi qeydə alınıb.

Tədqiqatda istifadə olunan Hielscher ultrasəs cihazları bunlardır: UP100H, UP200St və UP400St. Parçalanmanın yaxşılaşması ultrasəs və hidrogen peroksidin sinergetik təsiri, o cümlədən radikalların yaranması və torpaq matrisindəki dəmir oksidləri ilə qarşılıqlı təsirin yaxşılaşması ilə əlaqələndirilib.

Ultrasəs şüalandırılması ilə emaldan əvvəl və sonra torpağın SEM–EDS mikroskopik təsviri.
(Şəkil və tədqiqat: ©Virkutyte et al., 2009)

Karbon disulfidin sonokimyəvi oksidləşməsi

Adewuyi və Appaw sulu məhlulda 20 kHz və 20°C şəraitində karbon disulfidin (CS₂) sonokimyəvi oksidləşməsini göstəriblər. Ultrasəs intensivliyi artdıqca CS₂-nin uzaqlaşdırılması artıb; bu, daha güclü kavitasiya və radikalların yaranmasının artması ilə əlaqələndirilib. Tədqiqat sonokimyəvi oksidləşmənin sulu axınlardan karbon disulfidin uzaqlaşdırılması üçün effektiv üsul ola biləcəyini göstərir.

Boya və tekstil çirkab suları üçün sono-Fenton emalı

Tekstil və əlaqəli sənaye sahələrindən gələn boya tərkibli tullantı sularının təmizlənməsi çətin ola bilər, çünki bir çox boya və boyaların yan məhsulları çətin parçalanır, rənglidir və bioloji yolla zəif parçalanır. Fenton və Fentonabənzər qabaqcıl oksidləşmə proseslərindən boyaların parçalanması üçün geniş istifadə olunur. Ultrasəs radikal yaranmasını, katalizatorun dispersləşdirilməsini və kütlə ötürülməsini gücləndirərək bu prosesləri yaxşılaşdıra bilər.

Reactive Red 120 boyasının parçalanması

Garófalo-Villalta və b. (2020) sintetik suda Reactive Red 120 boyasının (RR-120) parçalanmasını öyrəniblər. Dəmir(II) sulfatla homogen sono-Fenton emalı və götit əsaslı katalizatorlarla heterogen sono-Fenton emalı müqayisə edilib. 60 min ərzində homogen prosesdə boyanın 98,10% parçalanması, götitlə heterogen prosesdə isə pH 3,0 şəraitində 96,07% parçalanması əldə edilib.

Tədqiqat həmçinin modifikasiya edilmiş katalizatorların modifikasiya edilməmiş götitlə müqayisədə parçalanma göstəricilərini yaxşılaşdırdığını müəyyən edib. COD, TOC və BOD/COD ölçmələri sono-Fenton emalının məhlulu rəngsizləşdirməklə yanaşı, qalıq üzvi birləşmələrin bioloji parçalanma qabiliyyətini də yaxşılaşdırdığını göstərib. Şəkildə Hielscher UP100H cihazının təcrübələrdə istifadə olunan nümunəsi göstərilir.

RO107 azoboyasının heterogen sono-Fenton parçalanması

Jaafarzadeh və b. (2018) Reactive Orange 107 (RO107) azoboyasının uzaqlaşdırılmasını katalizator kimi maqnetit (Fe₃O₄) nanohissəciklərindən istifadə olunan sono-Fentonabənzər proses vasitəsilə göstəriblər. Hielscher UP400S / UP400St sinfinə aid ultrasəs cihazı 7 mm sonotrodla təchiz edilərək akustik kavitasiya yaratmaq üçün istifadə olunub.

Nəticə: 0,8 g/L maqnetit nanohissəcikləri, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/L ultrasəs gücü və 25 min reaksiya müddəti şəraitində azoboyanın tam uzaqlaşdırılması əldə edilib. Real tekstil çirkab suyunda COD 180 min ərzində 2360 mg/L-dən 489,5 mg/L-ə endirilib. Müəlliflər ultrasəs gücünü heterogen Fentonabənzər sistemdə RO107-nin parçalanma sürətinə təsir edən əsas amillərdən biri kimi müəyyən ediblər.

Sonikasiyadan istifadə etməklə yüksək səmərəli maqnetit sintezi haqqında daha ətraflı öyrənin!

pH 5, 0,8 g/L MNPs, 10 mM H₂O₂, 50 mg/L RO107, 300 W ultrasəs gücü və 30 min reaksiya müddəti şəraitində RO107-nin parçalanması.
Tədqiqat və şəkil: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Sono-Fenton və qabaqcıl oksidləşmə prosesləri üçün Hielscher ultrasəs cihazları

Hielscher Ultrasonics Fenton reaksiyaları, sono-Fenton reaksiyaları, sono-fotokimyəvi reaksiyalar və digər qabaqcıl oksidləşmə prosesləri daxil olmaqla ağır iş şəraitində sonokimyəvi tətbiqlər üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs prosessorları və reaktorları layihələndirir və istehsal edir. Sistemlər yığcam laboratoriya avadanlığından fasiləsiz istehsal və emal axınları üçün sənaye ultrasəs reaktorlarına qədər müxtəlif ölçülərdə mövcuddur.

Sono-Fenton prosesləri üçün ultrasəs avadanlığının seçilməsi

Aşağıdakı cədvəl tipik dövri emal həcmləri və axın sərfləri üçün uyğun Hielscher ultrasəs cihazları barədə istiqamət verir. Avadanlığın yekun seçimi prosesin kimyasından, hədəf çevrilmə dərəcəsindən, reaktorda qalma müddətindən, bərk maddə miqdarından, temperaturdan, təzyiqdən və tələb olunan enerji girişindən asılıdır.

Sono-Fenton tətbiq imkanının yoxlanmasına necə başlamaq olar

Etibarlı avadanlıq tövsiyəsi vermək üçün Hielscher adətən kimyəvi sistemi, hədəf çirkləndiriciləri, emal həcmini, axın sərfini, oksidləşdirici dozasını, katalizator növünü, pH diapazonunu, temperatur hədlərini və tələb olunan çevrilmə dərəcəsini nəzərdən keçirir. Laboratoriya sınaqlarında tələb olunan enerji girişini və proses parametrləri diapazonunu müəyyən etmək üçün adətən UP200Ht, UP400St və ya UIP1000hdT kimi laboratoriya və ya masaüstü zondlu ultrasəs cihazından istifadə olunur.

Fasiləsiz iş rejimi üçün Hielscher reaktorda qalma müddəti, təzyiqi, temperaturu və daxil edilən gücü idarə olunan ultrasəs axın hüceyrələri və axın xətti reaktorları konfiqurasiya edə bilər. Bu, müxtəlif amplitudalarda və axın sərflərində emal göstəricilərinin birbaşa müqayisəsinə imkan verir.

Sono-Fenton reaksiyaları haqqında tez-tez verilən suallar

Fenton və sono-Fenton emalı arasındakı fərq nədir?

Fenton emalında hidroksil radikalları yaratmaq üçün hidrogen peroksid və dəmir katalizatorlarından istifadə olunur. Sono-Fenton emalında güclü ultrasəs əlavə edilir. Ultrasəs kavitasiyası radikalların əmələ gəlməsini artırır və qarışdırmanı, katalizatorla təması və kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır.

Sono-Fenton emalından sənaye çirkab suları üçün istifadə etmək olarmı?

Bəli. Sono-Fenton emalından sənaye çirkab suları, boya tullantı suları, neft-kimya çirkab suları, çirklənmiş şlamlar və çətin parçalanan üzvi birləşmələr olan digər axınlar üçün proseslərin işlənib hazırlanmasında istifadə olunur. Sənayedə tətbiq imkanı çirkləndirici yükündən, oksidləşdiriciyə tələbatdan, katalizator sistemindən, emal hədəfindən və enerji balansından asılıdır.

Ultrasəs kimyəvi maddə sərfini azalda bilərmi?

Ultrasəs radikalların yaranmasını və kütlə ötürülməsini intensivləşdirərək oksidləşdiricilərdən və katalizatorlardan istifadə səmərəliliyini yaxşılaşdıra bilər. Kimyəvi maddə sərfinin azaldıla bilib-bilməyəcəyi faktiki çirkab su və ya reaksiya qarışığı ilə aparılan sınaqlarda təsdiqlənməlidir.

Prosesin miqyası artırıla bilərmi?

Bəli. Hielscher ultrasəs cihazları miqyası artırıla bilən proseslərin işlənib hazırlanması üçün nəzərdə tutulub. Amplituda, daxil edilən enerji, reaktorda qalma müddəti, temperatur, təzyiq və reaktor həndəsəsi idarə olunmaqla laboratoriya sınaqlarının nəticələri pilot və sənaye sistemlərinə köçürülə bilər.

Prosesim üçün hansı ultrasəs prosessoru uyğundur?

Uyğun prosessor nümunə həcmindən, axın sərfindən, hədəf çevrilmə dərəcəsindən, bərk maddə miqdarından, özlülükdən, iş temperaturundan və təzyiqdən asılıdır. Hielscher fasiləsiz emal üçün laboratoriya ultrasəs cihazları, pilot sistemlər və sənaye ultrasəs reaktorları təklif edir.

Sono-ozonlaşdırma prosesi nədir?

Sono-ozonlaşdırma daha yüksək reaktivliyə malik radikallar yaratmaq və mayelərdə kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırmaq üçün ozonla emalı yüksək güclü ultrasəslə birləşdirən qabaqcıl oksidləşmə prosesidir. Bu sinerji yalnız ozonlaşdırma ilə müqayisədə suda və ya çirkab suda üzvi çirkləndiricilərin, boyaların, mikrobların və çətin parçalanan birləşmələrin parçalanmasını sürətləndirir.

Sono-ozonlaşdırmanın üstünlüklərini kəşf edin!

Ədəbiyyat / İstinadlar

• 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.