Ultrazvučna obrada poboljšava Fentonove reakcije

Sono-Fenton reakcije kombinuju Fentonovu hemiju s ultrazvukom velike snage kako bi intenzivirale stvaranje hidroksilnih radikala, poboljšale prijenos mase i ubrzale procese oksidativne razgradnje. Za laboratorije, pilot-postrojenja i industrijske korisnike, Hielscher ultrazvučni uređaji pružaju kontrolisan i skalabilan način za poboljšanje naprednih oksidacijskih procesa (AOP), kao što su obrada otpadnih voda, razgradnja boja, sanacija tla, predtretman lignina i hemijska dekompozicija.

Šta je sono-Fenton reakcija?

Klasična Fentonova reakcija koristi vodikov peroksid (H₂O₂) i katalizatore na bazi željeza za stvaranje visokoreaktivnih hidroksilnih radikala (•OH). Ovi radikali oksidiraju organske zagađivače, boje, otapala, ugljikovodike, lignin i druga teško razgradiva jedinjenja. Kada se doda ultrazvuk velike snage, proces se naziva sono-Fenton reakcija ili ultrazvučna Fentonova reakcija.

Ultrazvučna obrada poboljšava Fentonovu hemiju na dva komplementarna načina:

• Sonohemijski efekat: akustična kavitacija potiče sonolizu vode i dodatno stvaranje radikala.
• Sonomehanički efekat: mikromlazevi kavitacije i smicanje poboljšavaju miješanje, disperziju katalizatora, graničnu površinu i prijenos mase.

Za istraživače i procesne inženjere, praktična korist je intenzivniji oksidacijski proces koji može skratiti vrijeme reakcije, poboljšati razgradnju zagađivača, unaprijediti iskorištenje katalizatora i olakšati povećanje razmjera tretmana Fentonovog tipa.

Kako ultrazvuk velike snage poboljšava Fentonove reakcije

Kada se ultrazvuk velike snage unese u tečnost, dolazi do akustične kavitacije. Mikroskopske parne šupljine rastu tokom naizmjeničnih ciklusa pritiska i silovito kolabiraju tokom kompresije. Ovaj kolaps stvara lokalizirane vruće tačke s vrlo visokim prolaznim temperaturama i pritiscima. U vodenim sistemima, kavitacija može potaknuti stvaranje reaktivnih vrsta kao što su hidroksilni radikali i vodikov peroksid.

U Fentonovom ili Fentonu sličnom procesu, ova hemija pokretana kavitacijom djeluje zajedno s razgradnjom H₂O₂ katalizovanom željezom. Istovremeno, ultrazvučno smicanje poboljšava kontakt između oksidansa, katalizatora, suspendiranih čvrstih čestica i otopljenih kontaminanata. Zbog toga je ultrazvuk posebno vrijedan za:

• tokove otpadnih voda s organskim kontaminantima slabe biorazgradivosti;
• heterogene katalizatore kao što su magnetit, getit, TiO₂ ili oksidi željeza;
• suspenzije, suspenzije tla, suspenzije biomase i tečnosti opterećene katalizatorom;
• šaržne i inline napredne oksidacijske procese koji zahtijevaju pouzdano povećanje razmjera.

Prednosti ultrazvučnih sono-Fenton reaktora

• Veći intenzitet oksidacije: ultrazvuk povećava stvaranje radikala i poboljšava kinetiku oksidativne razgradnje.
• Bolje iskorištenje katalizatora: kavitacija raspršuje katalizatore i poboljšava kontakt tečnost–čvrsta faza.
• Kraća vrijemena reakcije: intenzivirano stvaranje radikala i miješanje mogu skratiti vrijeme tretmana.
• Skalabilan dizajn reaktora: Hielscher nudi laboratorijske, pilot i industrijske ultrazvučne reaktore s dosljednom kontrolom amplitude.
• Šaržni ili inline rad: procesi se mogu razviti u čašama ili šaržnim tankovima i prenijeti na reaktore s kontinuiranim protokom.
• Praćenje procesa: digitalni Hielscher ultrazvučni uređaji omogućavaju kontrolu amplitude, ulazne snage, temperature, pritiska i vremena obrade.
• Industrijski rad 24/7: ultrazvučni procesori za zahtjevan rad projektovani su za kontinuirani rad pod punim opterećenjem.

Kada razmotriti sono-Fenton tretman?

Sono-Fenton tretman je najrelevantniji kada je konvencionalni Fentonov proces prespor, kontakt katalizatora je ograničen, kontaminante je teško oksidirati ili suspendirane čvrste čestice smanjuju efikasnost procesa. Koristan je i kada se proces mora razviti od laboratorijske izvodljivosti do industrijskog protoka bez promjene osnovne oksidacijske hemije.

Važni procesni parametri za optimizaciju sono-Fenton procesa

Efikasnost sono-Fenton reakcije ovisi i o hemijskim i o ultrazvučnim parametrima. Tokom testiranja izvodljivosti, Hielscher pomaže kupcima da procijene relevantni radni prozor za konkretnu otpadnu vodu, suspenziju ili reakcijsku smjesu.

• Ultrazvučna amplituda: glavni parametar koji kontroliše intenzitet kavitacije na sonotrodi.
• Gustoća snage i unos energije: određuju sonohemijski intenzitet po volumenu koji se obrađuje.
• Koncentracija H₂O₂: utječe na stvaranje radikala i preostalu potrebu za oksidansom.
• Vrsta i doza katalizatora na bazi željeza: uključuje Fe²⁺, Fe³⁺, magnetit, getit, sisteme potpomognute TiO₂ ili imobilisane katalizatore.
• pH i temperatura: utječu na kinetiku Fentonove reakcije, rastvorljivost katalizatora i puteve radikala.
• Vrijeme zadržavanja: određuje konverziju u šaržnim tankovima ili inline protočnim reaktorima.
• Pritisak: ultrazvučni reaktori pod pritiskom mogu intenzivirati uvjete kavitacije u kontinuiranom radu.

Studije slučaja: ultrazvukom pojačane Fentonove reakcije

Pozitivni učinci ultrazvuka velike snage na Fentonove i Fentonu slične reakcije proučavani su u kontekstu hemijske razgradnje, dekontaminacije, predtretmana biomase i obrade industrijskih otpadnih voda. Primjeri u nastavku pokazuju kako ultrazvuk može poboljšati stvaranje radikala, brzinu razgradnje i efikasnost procesa u različitim sistemima.

Sonokatalitičko–Fentonova reakcija za pojačano stvaranje hidroksilnih radikala

Ninomiya et al. (2013) pokazali su da kombinovanje ultrazvučne obrade, TiO₂, H₂O₂ i katalizatora na bazi željeza značajno pojačava stvaranje hidroksilnih radikala. Proces je primijenjen na razgradnju lignina kao korak predtretmana lignocelulozne biomase, čime se podupire naknadna enzimska hidroliza.

Eksperimentalna postavka: Čestice TiO₂ (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) i FeSO₄·7H₂O (1 mM) dodani su suspenziji uzorka. Suspenzija je sonicirana 180 min pomoću ultrazvučnog procesora klase Hielscher UP200S / UP200St s sondom-sonotrodom pri ultrazvučnoj snazi od 35 W. Posuda je termostatirana na 25 °C.

Rezultat: Sonokatalitičko–Fentonova reakcija dostigla je koncentraciju DHBA od 378 μM, u poređenju sa 115 μM za Fentonovu reakciju bez ultrazvuka i TiO₂. Razgradnja lignina brže je rasla pri sonokatalitičko–Fentonovom tretmanu, što ukazuje na snažan sinergizam između ultrazvuka, katalizatora i Fentonove hemije.

Skenirajuće elektronske mikrografije (SEM) biomase kenafa: (A) netretirana kontrola, (B) sonokatalitički tretman, (C) Fentonov tretman i (D) sonokatalitičko–Fentonov tretman. Trajanje predtretmana: 360 min. Trake predstavljaju 10 μm.
(Slika i studija: ©Ninomiya et al., 2013)

Razgradnja naftalena sono-Fentonu sličnim tretmanom tla

Virkutyte et al. (2009) istražili su razgradnju naftalena u tlu kombinovanjem ultrazvuka i vodikovog peroksida. Najveća efikasnost razgradnje postignuta je pri visokoj koncentraciji vodikovog peroksida i niskoj početnoj koncentraciji naftalena. Pri ultrazvučnom zračenju od 100, 200 i 400 W zabilježene su efikasnosti razgradnje od 78%, 94% odnosno 97%.

U studiji su korišteni Hielscher ultrazvučni uređaji UP100H, UP200St i UP400St. Poboljšana razgradnja pripisana je sinergijskom učinku ultrazvuka i vodikovog peroksida, uključujući stvaranje radikala i poboljšanu interakciju s oksidima željeza u matriksu tla.

SEM–EDS mikrografija tla prije i poslije tretmana ultrazvučnim zračenjem.
(Slika i studija: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonohemijska oksidacija ugljik-disulfida

Adewuyi i Appaw pokazali su sonohemijsku oksidaciju ugljik-disulfida (CS₂) u vodenoj otopini pri 20 kHz i 20°C. Uklanjanje CS₂ raslo je s intenzitetom ultrazvuka, što je povezano s jačom kavitacijom i povećanim stvaranjem radikala. Studija ukazuje da sonohemijska oksidacija može biti efikasna metoda za uklanjanje ugljik-disulfida iz vodenih tokova.

Sono-Fenton tretman otpadnih voda od boja i tekstilne industrije

Efluente koji sadrže boje iz tekstilne i srodnih industrija može biti teško obraditi jer su mnoge boje i nusprodukti boja teško razgradivi, obojeni i slabo biorazgradivi. Fentonovi i Fentonu slični napredni oksidacijski procesi široko se koriste za razgradnju boja. Ultrazvuk može poboljšati ove procese pojačavanjem stvaranja radikala, disperzije katalizatora i prijenosa mase.

Razgradnja boje Reactive Red 120

Garófalo-Villalta et al. (2020) proučavali su razgradnju boje Reactive Red 120 (RR-120) u sintetičkoj vodi. Upoređeni su homogeni sono-Fenton tretman sa željezo(II) sulfatom i heterogeni sono-Fenton tretman s katalizatorima na bazi getita. Za 60 min homogeni proces postigao je 98,10% razgradnje boje, dok je heterogeni proces s getitom postigao 96,07% razgradnje pri pH 3,0.

Studija je također pokazala da modificirani katalizatori poboljšavaju performanse razgradnje u poređenju s čistim getitom. Mjerenja COD, TOC i BOD/COD pokazala su da sono-Fenton tretman nije samo obezbojio otopinu nego je i poboljšao biorazgradivost preostalih organskih jedinjenja. Slika prikazuje uređaj Hielscher UP100H korišten u eksperimentima.

Heterogena sono-Fenton razgradnja azo boje RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) pokazali su uklanjanje azo boje Reactive Orange 107 (RO107) sono-Fentonu sličnim procesom s nanočesticama magnetita (Fe₃O₄) kao katalizatorom. Akustična kavitacija je generisana pomoću ultrazvučnog uređaja klase Hielscher UP400S / UP400St opremljenog sonotrodom od 7 mm.

Rezultat: Potpuno uklanjanje azo boje postignuto je pri 0,8 g/L nanočestica magnetita, pH 5, 10 mM H₂O₂, ultrazvučnoj snazi od 300 W/L i vremenu reakcije od 25 min. U realnoj tekstilnoj otpadnoj vodi, COD je smanjen s 2360 mg/L na 489,5 mg/L tokom 180 min. Autori su identificirali ultrazvučnu snagu kao jedan od ključnih faktora koji utječu na brzinu razgradnje RO107 u heterogenom Fentonu sličnom sistemu.

Saznajte više o visokoefikasnoj sintezi magnetita pomoću ultrazvučne obrade!

Razgradnja RO107 pri pH 5, 0,8 g/L MNP, 10 mM H₂O₂, 50 mg/L RO107, ultrazvučnoj snazi od 300 W i vremenu reakcije od 30 min.
Studija i slika: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Hielscher ultrazvučni uređaji za sono-Fenton i napredne oksidacijske procese

Hielscher Ultrasonics projektuje i proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne procesore i reaktore za zahtjevne sonohemijske primjene, uključujući Fentonove reakcije, sono-Fenton reakcije, sono-fotohemijske reakcije i druge napredne oksidacijske procese. Sistemi su dostupni od kompaktne laboratorijske opreme do industrijskih ultrazvučnih reaktora za kontinuiranu proizvodnju i tokove obrade.

Odabir ultrazvučne opreme za sono-Fenton procese

Tabela u nastavku daje orijentaciju o prikladnim Hielscher ultrazvučnim uređajima za tipične šaržne volumene i protoke. Konačan odabir opreme ovisi o hemiji procesa, ciljnoj konverziji, vremenu zadržavanja, sadržaju čvrstih čestica, temperaturi, pritisku i potrebnom unosu energije.

Kako započeti sono-Fenton test izvodljivosti

Za pouzdanu preporuku opreme, Hielscher obično pregleda hemiju, ciljne kontaminante, volumen tretmana, protok, doziranje oksidansa, vrstu katalizatora, raspon pH, temperaturne granice i potrebnu konverziju. Za laboratorijska ispitivanja, laboratorijski ili stolni ultrazvučni uređaj sa sondom, kao što su UP200Ht, UP400St ili UIP1000hdT, obično se koristi za određivanje potrebnog unosa energije i radnog prozora procesa.

Za kontinuirani rad, Hielscher može konfigurisati ultrazvučne protočne ćelije i inline reaktore s kontrolisanim vremenom zadržavanja, pritiskom, temperaturom i ulaznom snagom. To omogućava direktno poređenje performansi tretmana pri različitim amplitudama i protocima.

Često postavljana pitanja o sono-Fenton reakcijama

Koja je razlika između Fentonovog i sono-Fenton tretmana?

Fentonov tretman koristi vodikov peroksid i katalizatore na bazi željeza za stvaranje hidroksilnih radikala. Sono-Fenton tretman dodaje ultrazvuk velike snage. Ultrazvučna kavitacija povećava stvaranje radikala i poboljšava miješanje, kontakt katalizatora i prijenos mase.

Može li se sono-Fenton tretman koristiti za industrijske otpadne vode?

Da. Sono-Fenton tretman koristi se u razvoju procesa za industrijske otpadne vode, efluente s bojama, petrohemijske otpadne vode, kontaminirane suspenzije i druge tokove koji sadrže teško razgradiva organska jedinjenja. Industrijska izvodljivost ovisi o opterećenju kontaminantima, potrebi za oksidansom, katalitičkom sistemu, cilju tretmana i energetskom bilansu.

Može li ultrazvuk smanjiti potrošnju hemikalija?

Ultrazvuk može poboljšati iskorištenje oksidansa i katalizatora intenziviranjem stvaranja radikala i prijenosa mase. Može li se potrošnja hemikalija smanjiti, mora se potvrditi ispitivanjima s stvarnom otpadnom vodom ili reakcijskom smjesom.

Je li proces skalabilan?

Da. Hielscher ultrazvučni uređaji projektovani su za skalabilan razvoj procesa. Rezultati laboratorijskih testova mogu se prenijeti na pilot i industrijske sisteme kontrolom amplitude, unosa energije, vremena zadržavanja, temperature, pritiska i geometrije reaktora.

Koji ultrazvučni procesor je pogodan za moj proces?

Odgovarajući procesor ovisi o volumenu uzorka, protoku, ciljnoj konverziji, sadržaju čvrstih čestica, viskoznosti, radnoj temperaturi i pritisku. Hielscher nudi laboratorijske ultrazvučne uređaje, pilot sisteme i industrijske ultrazvučne reaktore za kontinuiranu obradu.

Šta je proces sono-ozonacije?

Sono-ozonacija je napredni oksidacijski proces koji kombinuje tretman ozonom s ultrazvukom velike snage kako bi se stvorili reaktivniji radikali i poboljšao prijenos mase u tečnostima. Ovaj sinergizam ubrzava razgradnju organskih zagađivača, boja, mikroba i teško razgradivih jedinjenja u vodi ili otpadnoj vodi u poređenju sa samom ozonacijom.

Istražite prednosti sono-ozonacije!

Literatura / reference

• 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.