Уникирането подобрява реакциите на Фентон

Реакциите „Sono-Fenton“ съчетават химията на Фентън с мощни ултразвукови вълни, за да ускорят образуването на хидроксилни радикали, да подобрят масообмена и да ускорят процесите на окислително разграждане. За лаборатории, пилотни инсталации и промишлени потребители ултразвуковите апарати на Hielscher осигуряват контролируем и мащабируем начин за подобряване на усъвършенстваните окислителни процеси (AOP), като пречистване на отпадъчни води, разграждане на багрила, ремедиация на почвата, предварителна обработка на лигнин и химично разлагане.

Какво представлява реакцията на Соно-Фентън?

При класическата реакция на Фентън се използват водороден пероксид (H₂O₂) и железни катализатори за образуване на силно реактивни хидроксилни радикали (•OH). Тези радикали окисляват органични замърсители, багрила, разтворители, въглеводороди, лигнин и други трудноразградими съединения. Когато се добави мощна ултразвукова енергия, процесът се нарича соно-Фентон реакция или ултразвукова Фентон реакция.

Ултразвуковата обработка подобрява химичния процес на Фентън по два взаимно допълващи се начина:

• Звуково-химичен ефект: Акустичната кавитация спомага за сонолизата на водата и образуването на допълнителни радикали.
• Звуково-механичен ефект: Кавитационните микроструи и срязващото действие подобряват смесването, дисперсията на катализатора, повърхността на взаимодействие и масообмена.

За изследователите и инженерите по технологични процеси практическата полза се състои в по-интензивен окислителен процес, който може да съкрати времето за реакция, да подобри разграждането на замърсителите, да повиши ефективността на катализатора и да улесни мащабирането на процесите от типа на Фентън.

Как мощният ултразвук подобрява реакциите на Фентън

Когато ултразвук с висока мощност се предава в течност, възниква акустична кавитация. Микроскопични парови кухини се разширяват по време на циклите на промяна на налягането и се сриват бурно при сгъстяване. Това сриване създава локализирани горещи точки с много високи кратковременни температури и налягания. В водни системи кавитацията може да спомогне за образуването на реактивни съединения като хидроксилни радикали и водороден пероксид.

При процеса „Фентън“ или подобни на него процеси тази кавитационно-управлявана химична реакция действа съвместно с разграждането на H₂O₂ под въздействието на железен катализатор. Същевременно ултразвуковото срязване подобрява контакта между окислителите, катализаторите, суспендираните твърди частици и разтворените замърсители. Това прави ултразвука особено ценен за:

• потоци от отпадъчни води със слабо биоразградими органични замърсители;
• хетерогенни катализатори като магнетит, гетит, TiO₂ или железни оксиди;
• каши, почвени суспензии, суспензии от биомаса и течности, съдържащи катализатори;
• пакетни и инлайн процеси за усъвършенствано окисляване, изискващи надеждно мащабиране.

Предимства на ултразвуковите реактори „Соно-Фентон“

• По-висока интензивност на окисляване: Ултразвукът увеличава образуването на радикали и подобрява кинетиката на окислителното разграждане.
• По-добро оползотворяване на катализатора: Кавитацията разпръсква катализаторите и подобрява контакта между течността и твърдата фаза.
• По-кратко време за реакция: Ускореното образуване и смесване на радикали може да съкрати времето за обработка.
• Проект на мащабируем реактор: Hielscher предлага лабораторни, пилотни и промишлени ултразвукови реактори с прецизно регулиране на амплитудата.
• Работа в пакетен режим или в режим на непрекъснато действие: Процесите могат да се разработват в бехери или реактори за периодична работа и да се прехвърлят в реактори с непрекъснат поток.
• Мониторинг на процеса: Цифровите ултразвукови апарати на Hielscher позволяват регулиране на амплитудата, консумираната мощност, температурата, налягането и времето за обработка.
• Непрекъсната промишлена експлоатация: Ултразвуковите процесори за тежки условия са предназначени за непрекъсната работа при пълно натоварване.

Кога е препоръчително да се обмисли прилагането на метода „Соно-Фентън“?

Обработката по метода „Соно-Фентън“ е най-подходяща, когато конвенционалният процес на Фентън е твърде бавен, контактът с катализатора е ограничен, замърсителите са трудни за окисляване или суспендираните твърди частици намаляват ефективността на процеса. Тя е полезна и когато даден процес трябва да бъде превърнат от лабораторна концепция в промишлен процес без промяна на основните химични принципи на окисляването.

Важни параметри на процеса за оптимизиране на метода „Соно-Фентън“

Ефективността на соно-Фентоновата реакция зависи както от химическите, така и от ултразвуковите параметри. По време на тестовете за осъществимост Hielscher помага на клиентите да определят подходящия работен диапазон за конкретните отпадъчни води, каша или реакционна смес.

• Ултразвукова амплитуда: основният параметър, определящ интензивността на кавитацията при сонотрода.
• Плътност на мощността и консумирана енергия: да се определи интензитетът на сонохимичното въздействие на единица обработен обем.
• Концентрация на H₂O₂: влияе върху образуването на радикали и потребността от остатъчни окислители.
• Вид и дозировка на железен катализатор: включва Fe²⁺, аз³⁺, магнетит, гетит, системи с TiO₂ като катализатор или иммобилизирани катализатори.
• pH и температура: оказват влияние върху кинетиката на реакцията на Фентън, разтворимостта на катализатора и радикалните пътища.
• Време на пребиваване: определя превръщането в резервоари за партидно производство или в реактори с непрекъснат поток.
• Налягане: Ултразвуковите реактори, в които може да се създава налягане, могат да засилят кавитационните условия при непрекъсната работа.

Примери от практиката: Фентонови реакции, ускорени с ултразвук

Положителното въздействие на мощния ултразвук върху реакциите на Фентън и подобните на тях реакции е проучвано с оглед химично разграждане, деконтаминация, предварителна обработка на биомаса и пречистване на промишлени отпадъчни води. Примерите по-долу показват как ултразвукът може да подобри образуването на радикали, скоростта на разграждане и ефективността на процеса в различни системи.

Сонокаталитична реакция на Фентон за ускорено образуване на хидроксилни радикали

Ниномия и др. (2013) доказаха, че комбинирането на ултразвукова обработка, TiO₂, H₂O₂ и железен катализатор значително ускорява образуването на хидроксилни радикали. Процесът бе приложен за разграждане на лигнина като етап на предварителна обработка на лигноцелулозната биомаса, подпомагащ последващата ензимна хидролиза.

Експериментална настройка: Частици TiO₂ (2 г/л), H₂O₂ (100 мМ) и FeSO₄·7H₂O (1 mM) се добави към суспензията на пробата. Суспензията се обработи с ултразвук в продължение на 180 минути с Ултразвуков процесор от серията Hielscher UP200S / UP200St с помощта на сонотрод с мощност 35 W. Температурата в съда се поддържаше на 25 °C.

Резултат: При сонокаталитично-Фентоновата реакция концентрацията на DHBA достигна 378 μM, в сравнение с 115 μM при Фентоновата реакция без ултразвук и TiO₂. Разграждането на лигнина се ускори при сонокаталитично-Фентоновата обработка, което показва силна синергия между ултразвука, катализатора и Фентоновата химия.

Сканиращи електронни микроскопски снимки (SEM) на биомаса от кенаф: (A) необработен контролен образец, (B) сонокаталитична обработка, (C) обработка по метода на Фентън и (D) сонокаталитично-Фентънова обработка. Продължителност на предварителната обработка: 360 мин. Мащабната линия отговаря на 10 μm.
(Снимка и проучване: ©Ninomiya et al., 2013)

Разграждане на нафталин чрез обработка на почвата по метода „Соно-Фентън“

Virkutyte и др. (2009) проучиха разграждането на нафталин в почвата чрез комбиниране на ултразвук и водороден пероксид. Най-високата ефективност на разграждането беше постигната при висока концентрация на водороден пероксид и ниска начална концентрация на нафталин. При ултразвуково облъчване с мощност 100, 200 и 400 W са отчетени ефективности на разграждане съответно 78%, 94% и 97%.

В проучването бяха използвани ултразвукови апарати на Hielscher UP100H, UP200Stи UP400St. Подобреното разграждане се дължеше на синергичния ефект на ултразвука и водородния пероксид, включително образуването на радикали и подобреното взаимодействие с железни оксиди в почвената матрица.

SEM–EDS микрограф на почвата преди и след обработка с ултразвуково облъчване.
(Снимка и проучване: ©Virkutyte et al., 2009)

Звуково-химично окисляване на сероводород

Адевуи и Апау демонстрираха сонохимично окисляване на сероводород (CS₂) във воден разтвор при 20 kHz и 20 °C. Степента на отстраняване на CS₂ нарастваше с увеличаване на интензивността на ултразвука, което се дължеше на по-силна кавитация и засилено образуване на радикали. Проучването показва, че сонохимичното окисляване може да бъде ефективен метод за отстраняване на сероводород от водни потоци.

Методът „Соно-Фентън“ за пречистване на отпадъчни води от бои и текстилна промишленост

Отпадъчните води, съдържащи багрила, от текстилната и свързаните с нея индустрии могат да бъдат трудни за пречистване, тъй като много багрила и странични продукти от тях са устойчиви, оцветени и слабо биоразградими. За разграждането на багрилата широко се използват усъвършенствани окислителни процеси от типа на Фентън и подобни на тях. Ултразвукът може да подобри тези процеси чрез усилване на образуването на радикали, дисперсията на катализатора и масовия пренос.

Разграждане на багрилото „Реактивно червено 120“

Garófalo-Villalta и др. (2020) проучиха разграждането на багрилото Reactive Red 120 (RR-120) в синтетична вода. Бяха сравнени хомогенна соно-Фентон обработка с железен(II) сулфат и хетерогенна соно-Фентон обработка с катализатори на базата на гетит. За 60 минути хомогенният процес постигна 98,10% разграждане на багрилото, докато хетерогенният процес с гетит постигна 96,07% разграждане при pH 3,0.

Проучването установи също, че модифицираните катализатори подобряват ефективността на разграждането в сравнение с обикновения гетит. Измерванията на COD, TOC и BOD/COD показаха, че обработката по метода „соно-Фентон“ не само обезцветява разтвора, но и подобрява биоразградимостта на остатъчните органични съединения. На снимката е показано Hielscher UP100H използвани в експериментите.

Хетерогенно разграждане на Соно-Фентон на азо багрило RO107

Jaafarzadeh и др. (2018) демонстрираха отстраняването на азобагрилото Reactive Orange 107 (RO107) чрез процес, подобен на соно-Фентон, с използване на магнетит (Fe₃O₄) наночастици като катализатор. Ултразвуков апарат от серията Hielscher UP400S / UP400St за генериране на акустична кавитация беше използван сонотрод с диаметър 7 мм.

Резултат: Пълно отстраняване на азобагрилата беше постигнато при концентрация на наночастици от магнетит 0,8 г/л, рН 5, 10 мМ H₂O₂, ултразвукова мощност 300 W/л и време на реакция 25 минути. В реални текстилни отпадъчни води, COD беше намален от 2360 mg/L до 489,5 mg/L за 180 минути. Авторите идентифицираха ултразвуковата мощност като един от основните фактори, влияещи върху скоростта на разграждане на RO107 в хетерогенната система от типа на Фентон.

Научете повече за високоефективния синтез на магнетит с помощта на ултразвук!

Разграждане на RO107 при pH 5, 0,8 г/л МНП, 10 мМ H₂O₂, 50 мг/л RO107, ултразвукова мощност 300 W и продължителност на реакцията 30 минути.
Проучване и картина: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Ултразвукови апарати Hielscher за процеси по метода „Соно-Фентон“ и за усъвършенствани окислителни процеси

Hielscher Ultrasonics проектира и произвежда високопроизводителни ултразвукови процесори и реактори за тежки сонохимични приложения, включително реакции на Фентън, соно-Фентън реакции, соно-фотохимични реакции и други усъвършенствани окислителни процеси. Предлагат се системи, вариращи от компактно лабораторно оборудване до промишлени ултразвукови реактори за непрекъснато производство и обработка на потоци.

Избор на ултразвукова апаратура за процеси по метода „Соно-Фентон“

В таблицата по-долу са посочени подходящи ултразвукови апарати на Hielscher за типични обеми на партидите и дебити. Окончателният избор на оборудване зависи от химичните характеристики на процеса, желаната степен на превръщане, времето на престой, съдържанието на твърди вещества, температурата, налягането и необходимата енергия.

Как да започнете тест за осъществимост по метода „Соно-Фентън“

За да даде надеждна препоръка за оборудване, Hielscher обикновено анализира химичния състав, целевите замърсители, обема на обработката, дебита, дозата на окислителя, типа на катализатора, диапазона на pH, температурните граници и необходимата степен на преобразуване. За лабораторни изпитвания обикновено се използва лабораторен или настолен ултразвуков апарат с сонда, като UP200Ht, UP400St или UIP1000hdT, за да се определят необходимата енергия и параметрите на процеса.

За непрекъсната работа Hielscher може да конфигурира ултразвукови проточни клетки и вградени реактори с регулируемо време на престой, налягане, температура и консумирана мощност. Това позволява пряко сравнение на ефективността на обработката при различни амплитуди и дебити.

Често задавани въпроси относно реакциите на Соно-Фентън

Каква е разликата между метода на Фентън и метода на соно-Фентън?

При метода на Фентън се използват водороден пероксид и железни катализатори за генериране на хидроксилни радикали. При метода „Соно-Фентън“ се добавя мощна ултразвукова енергия. Ултразвуковата кавитация ускорява образуването на радикали и подобрява смесването, контакта с катализатора и масообмена.

Може ли методът „Соно-Фентън“ да се използва за пречистване на промишлени отпадъчни води?

Да. Методът „Соно-Фентън“ се използва при разработването на технологични процеси за пречистване на промишлени отпадъчни води, отпадъчни води от бояджийски цехове, нефтохимически отпадъчни води, замърсени каши и други потоци, съдържащи трудноразградими органични съединения. Промишлената приложимост зависи от натоварването с замърсители, потребността от окислител, каталитичната система, целта на пречистването и енергийния баланс.

Може ли ултразвукът да намали потреблението на химикали?

Ултразвукът може да подобри усвояването на окислителите и катализаторите чрез ускоряване на образуването на радикали и на масовия пренос. Въпросът дали е възможно да се намали консумацията на химикали трябва да бъде потвърден чрез експерименти с реални отпадъчни води или реакционни смеси.

Процесът мащабируем ли е?

Да. Ултразвуковите апарати на Hielscher са проектирани за разработване на мащабируеми процеси. Резултатите от лабораторните тестове могат да бъдат пренесени към пилотни и промишлени системи чрез регулиране на амплитудата, вложената енергия, времето на престой, температурата, налягането и геометрията на реактора.

Кой ултразвуков процесор е подходящ за моя производствен процес?

Изборът на подходящ процесор зависи от обема на пробата, дебита, желаната степен на преобразуване, съдържанието на твърди вещества, вискозитета, работната температура и налягането. Hielscher предлага лабораторни ултразвукови апарати, пилотни системи и промишлени ултразвукови реактори за непрекъсната обработка.

Какво представлява процесът на соно-озониране?

Соноозонирането е усъвършенстван окислителен процес, който съчетава обработката с озон с мощни ултразвукови вълни, за да генерира по-реактивни радикали и да подобри масообмена в течностите. Тази синергия ускорява разграждането на органични замърсители, багрила, микроби и устойчиви съединения във водата или отпадъчните води в сравнение със самото озониране.

Открийте предимствата на соно-озонирането!

Литература / Препратки