Sonikatsioon parandab Fentoni reaktsioone

Sono-Fentoni reaktsioonid ühendavad Fentoni keemia ja suure võimsusega ultraheli, et intensiivistada hüdroksüülradikaalide teket, parandada massiülekannet ja kiirendada oksüdatiivseid lagundamisprotsesse. Laboritele, katsejaamadele ja tööstuslikele kasutajatele pakuvad Hielscheri ultraheliseadmed kontrollitavat ja skaleeritavat viisi täiustatud oksüdatsiooniprotsesside (AOP) parandamiseks, nagu reoveepuhastus, värvainete lagunemine, pinnase puhastamine, ligniini eeltöötlus ja keemiline lagunemine.

Mis on Sono-Fentoni reaktsioon?

Klassikalises Fentoni reaktsioonis kasutatakse vesinikperoksiidi (H₂O₂) ja raua katalüsaatoreid, et tekitada väga reaktiivseid hüdroksüülradikaale (•OH). Need radikaalid oksüdeerivad orgaanilisi saasteaineid, värvaineid, lahusteid, süsivesinikke, ligniini ja muid raskesti lagundatavaid ühendeid. Kui lisatakse võimsat ultraheli, nimetatakse protsessi sono-Fentoni reaktsiooniks või ultraheli-Fentoni reaktsiooniks.

Ultraheliravi parandab Fentoni reaktsiooni kahel teineteist täiendaval viisil:

• Sonokeemiline toime: akustiline kavitatsioon soodustab vee sonolüüsi ja täiendavaid radikaalide teket.
• Sonomehaaniline toime: kaviteerivad mikrovoolud ja lõikumine parandavad segunemist, katalüsaatori jaotumist, pindadevahelist pinda ja massiülekannet.

Teadlaste ja protsessitehnikute jaoks seisneb praktiline kasu intensiivsemas oksüdatsiooniprotsessis, mis võimaldab lühendada reaktsiooniaega, parandada saasteainete lagundamist, tõhustada katalüsaatori kasutamist ning muuta Fentoni-tüüpi puhastusmeetodite mastaapsustamist lihtsamaks.

Kuidas võimsusultraheli parandab Fentoni reaktsioone

Kui suure võimsusega ultraheli suunatakse vedelikku, tekib akustiline kavitatsioon. Mikroskoopilised aurukambrid kasvavad vahelduvate rõhutsüklite ajal ja varisevad kokku jõuliselt survestamisel. See kokkuvarisemine tekitab lokaalseid kuumkohti, kus valitsevad väga kõrged hetkelised temperatuurid ja rõhud. Vesilahustes võib kavitatsioon soodustada reaktiivsete ühendite, nagu hüdroksüülradikaalide ja vesinikperoksiidi, teket.

Fentoni või Fentoni-tüüpi protsessis toimib see kavitatsioonil põhinev keemiline reaktsioon koos raua poolt katalüüsitud H₂O₂ lagunemisega. Samal ajal parandab ultraheli tekitatav lõikumisjõud kontakti oksüdeerijate, katalüsaatorite, suspendeeritud tahkete osakeste ja lahustunud saasteainete vahel. Seetõttu on ultraheli eriti kasulik järgmiste valdkondade puhul:

• reoveevood, milles on biolagunevusega orgaanilisi saasteaineid;
• heterogeensed katalüsaatorid, nagu magnetiit, götiit, TiO₂ või raudoksiidid;
• põhjasetted, pinnasesuspensioonid, biomassisuspensioonid ja katalüsaatoriga rikastatud vedelikud;
• partiipõhised ja voogupõhised täiustatud oksüdatsiooniprotsessid, mis nõuavad usaldusväärset mastaapsustamist.

Ultraheli-Sono-Fentoni reaktorite eelised

• Suurem oksüdatsiooni intensiivsus: Ultraheli suurendab radikaalide teket ja parandab oksüdatiivse lagunemise kineetikat.
• Katalüsaatori parem ärakasutamine: kaviteerimine hajutab katalüsaatoreid ja parandab vedeliku ja tahke aine vahelist kontakti.
• Lühemad reaktsiooniajad: radikaalide tekke kiirendamine ja segamine võivad lühendada töötlemisaega.
• Skaalautuv reaktori konstruktsioon: Hielscher pakub laboratoorseid, piloot- ja tööstuslikke ultrahelireaktoreid, millel on täpne amplituudi reguleerimine.
• Partiipõhine või järjestikune töötlemine: Protsesse saab arendada keeduklaasides või partiitankides ning seejärel üle viia pidevvooreaktoritesse.
• Protsessi jälgimine: Hielscheri digitaalsed ultraheliseadmed võimaldavad reguleerida amplituudi, võimsust, temperatuuri, rõhku ja töötlemisaega.
• Tööstuslik tegevus ööpäevaringselt: Suure võimsusega ultraheli-töötlejad on mõeldud pidevaks töötamiseks täiskoormusel.

Millal tuleks kaaluda Sono-Fentoni meetodi kasutamist?

Sono-Fentoni meetod on kõige asjakohasem juhul, kui tavapärane Fentoni protsess on liiga aeglane, katalüsaatoriga kokkupuude on piiratud, saasteained on raskesti oksüdeeritavad või suspendeeritud ained vähendavad protsessi efektiivsust. See on kasulik ka siis, kui protsessi tuleb arendada laboratoorsest teostatavusest tööstusliku tootlikkuseni, muutmata seejuures oksüdatsiooni põhilist keemilist protsessi.

Sono-Fentoni protsessi optimeerimise olulised parameetrid

Sono-Fentoni reaktsiooni efektiivsus sõltub nii keemilistest kui ka ultraheliparameetritest. Teostatavusuuringute käigus aitab Hielscher klientidel hinnata konkreetse reovee, läga või reaktsioonisegu jaoks sobivat töötingimuste vahemikku.

• Ultraheli amplituud: peamine parameeter, mis määrab kavitatsiooni intensiivsuse sonotroodi juures.
• Võimsustihedus ja energiatarbimine: määrata sonokeemiline intensiivsus töödeldud mahuühiku kohta.
• H₂O₂ kontsentratsioon: mõjutab radikaalide teket ja jääkoksüdantide tarbimist.
• Raudkatalüsaatori tüüp ja kogus: sisaldab Fe²⁺, mina³⁺, magnetiit, götiit, TiO₂-põhised süsteemid või immobiliseeritud katalüsaatorid.
• pH ja temperatuur: mõjutavad Fentoni reaktsiooni kineetikat, katalüsaatori lahustuvust ja radikaalide liikumisteid.
• Viibeaeg: määrab reaktsiooni kulgu partiitankides või voolureaktorites.
• Rõhk: Survestatavad ultrahelireaktorid võivad pidevas töös kavitatsiooni tingimusi tugevdada.

Juhtumiuuringud: ultraheliga võimendatud Fentoni reaktsioonid

Võimsusultraheli positiivset mõju Fentoni ja Fentoni-tüüpi reaktsioonidele on uuritud seoses keemilise lagundamise, dekontamineerimise, biomassi eeltöötlemise ja tööstuslike reovee puhastamisega. Allpool toodud näited näitavad, kuidas ultraheli võib parandada radikaalide teket, lagunemiskiirust ja protsessi efektiivsust erinevates süsteemides.

Sonokatalüütiline Fentoni reaktsioon hüdroksüülradikaalide tekke tõhustamiseks

Ninomiya jt (2013) näitasid, et ultraheli, TiO₂, H₂O₂ ja raua katalüsaatori kombineerimine suurendas oluliselt hüdroksüülradikaalide teket. Seda protsessi rakendati ligniini lagundamisel lignotselluloosse biomassi eeltöötlusetapina, mis soodustas järgnevat ensümaatilist hüdrolüüsi.

Eksperimentaalne seadistamine: TiO₂ osakesed (2 g/l), H₂O₂ (100 mM) ja FeSO₄·7H₂O (1 mM) lisati proovi suspensioonile. Suspensiooni töötleti ultraheliga 180 minutit Hielscher UP200S / UP200St seeria ultrahelikäsitlusseade kasutades sondsonotroodi 35 W ultrahelivõimsusega. Nõu temperatuuri hoiti 25 °C juures.

Tulemus: Sonokatalüütilise Fentoni reaktsiooni käigus saavutati DHBA kontsentratsioon 378 μM, võrreldes 115 μM-ga Fentoni reaktsiooni puhul, kus ultraheli ja TiO₂ puudusid. Ligniini lagunemine kiirenes sonokatalüütilise Fentoni töötlemise korral, mis viitab tugevale sünergiale ultraheli, katalüsaatori ja Fentoni keemia vahel.

Kenafi biomassi skaneeriva elektronmikroskoobi pildid (SEM): (A) töötlemata kontrollproov, (B) sonokatalüütiline töötlemine, (C) Fentoni meetod ja (D) sonokatalüütiline-Fentoni meetod. Eeltöötlemise aeg: 360 min. Jooned tähistavad 10 μm.
(Pilt ja uuring: ©Ninomiya et al., 2013)

Naftaleeni lagundamine Sono-Fentoni-tüüpi pinnasetöötluse abil

Virkutyte jt (2009) uurisid naftaleeni lagunemist mullas, kombineerides ultraheli ja vesinikperoksiidi. Suurim lagunemisefektiivsus saavutati kõrge vesinikperoksiidi kontsentratsiooni ja madala algse naftaleeni kontsentratsiooni juures. Ultraheli kiirguse võimsusega 100, 200 ja 400 W saavutati lagunemisefektiivsus vastavalt 78%, 94% ja 97%.

Uuringus kasutati Hielscheri ultraheliseadmeid UP100H, UP200Stja UP400St. Lagunemise paranemist seostati ultraheli ja vesinikperoksiidi sünergilise mõjuga, sealhulgas radikaalide tekkega ja paranenud vastasmõjuga pinnase maatriksis olevate raudoksiididega.

SEM–EDS-mikrofoto pinnasest enne ja pärast ultraheliravi.
(Pilt ja uurimus: ©Virkutyte et al., 2009)

Süsinikdisulfiidi sonokeemiline oksüdeerimine

Adewuyi ja Appaw näitasid süsinikdisulfiidi (CS₂) sonokeemilist oksüdeerumist vesilahuses sagedusel 20 kHz ja temperatuuril 20 °C. CS₂ eemaldumine suurenes ultraheli intensiivsuse kasvades, mis oli seotud tugevama kavitatsiooni ja suurema radikaalide tekkega. Uuring näitab, et sonokeemiline oksüdatsioon võib olla tõhus meetod süsinikdisulfiidi eemaldamiseks veehoovustest.

Sono-Fentoni meetod värvainete ja tekstiilitööstuse reovee puhastamiseks

Tekstiili- ja sellega seotud tööstusharude värvainet sisaldavaid heitvett võib olla raske puhastada, kuna paljud värvained ja nende kõrvalsaadused on raskesti lagunevad, värvilised ja biolagunevuselt kehvad. Värvainete lagundamiseks kasutatakse laialdaselt Fentoni ja Fentoni-tüüpi täiustatud oksüdatsiooniprotsesse. Ultraheli võib neid protsesse parandada, suurendades radikaalide teket, katalüsaatori dispersiooni ja massiülekannet.

Värvainete Reactive Red 120 lagunemine

Garófalo-Villalta jt (2020) uurisid värvainete Reactive Red 120 (RR-120) lagunemist sünteetilises vees. Võrreldi homogeenset sono-Fentoni töötlemist raud(II)sulfaadiga ja heterogeenset sono-Fentoni töötlemist goetiidipõhiste katalüsaatoritega. 60 minuti jooksul saavutati homogeense protsessi puhul värvainete lagunemine 98,10% ulatuses, samas kui heterogeense protsessi puhul goetiidiga saavutati pH-väärtusel 3,0 lagunemine 96,07% ulatuses.

Uuringust selgus ka, et modifitseeritud katalüsaatorid parandasid lagunemisvõimet võrreldes puhta goetiidiga. COD-, TOC- ja BOD/COD-mõõtmised näitasid, et sono-Fentoni meetodiga töötlemine mitte ainult ei eemaldanud lahuse värvi, vaid parandas ka jääkainete biolagunevust. Pildil on näha Hielscher üles100h mida katsetes kasutati.

Asovärvi RO107 heterogeenne Sono-Fentoni lagunemine

Jaafarzadeh jt (2018) näitasid, et asovärvainet Reactive Orange 107 (RO107) on võimalik eemaldada magnetiidiga (Fe₃O₄) sono-Fentoni-tüüpi protsessi abil₄) nanokübemeid katalüsaatorina. Hielscher UP400S / UP400St seeria ultraheliseade akustilise kavitatsiooni tekitamiseks kasutati 7 mm sonotroodi.

Tulemus: Azo-värvainete täielik eemaldamine saavutati kontsentratsioonil 0,8 g/l magnetiidi nanokübemeid, pH-väärtusel 5, 10 mM H₂O₂, ultrahelivõimsusel 300 W/l ja reaktsiooniajal 25 minutit. Tegelikus tekstiilijäätmevees vähenes COD 180 minuti jooksul 2360 mg/l-lt 489,5 mg/l-le. Autorid tuvastasid, et ultrahelivõimsus on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad RO107 lagunemiskiirust heterogeenses Fentoni-tüüpi süsteemis.

Lisateave väga tõhusa magnetiidi sünteesi kohta ultrahelitöötluse abil!

RO107 lagunemine pH-väärtusel 5, 0,8 g/l magnetosete osakeste (MNPs) kontsentratsioonil, 10 mM H₂O₂, 50 mg/l RO107 kontsentratsioonil, 300 W ultrahelivõimsusel ja 30-minutilise reaktsiooniajaga.
Uuring ja pilt: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Hielscheri ultraheliseadmed Sono-Fentoni ja täiustatud oksüdatsiooniprotsesside jaoks

Hielscher Ultrasonics projekteerib ja toodab suure jõudlusega ultraheliprotsessoreid ja reaktoreid rasketele sonokeemilistele rakendustele, sealhulgas Fentoni reaktsioonidele, sono-Fentoni reaktsioonidele, sono-fotokeemilistele reaktsioonidele ja muudele täiustatud oksüdatsiooniprotsessidele. Valikus on nii kompaktseid laboriseadmeid kui ka tööstuslikke ultrahelireaktoreid pidevaks tootmiseks ja töötlemiseks.

Ultraheli seadmete valik Sono-Fentoni protsessideks

Allpool esitatud tabel annab ülevaate sobivatest Hielscheri ultraheliseadmetest tüüpiliste partiimahtude ja voolukiiruste jaoks. Seadme lõplik valik sõltub protsessi keemilisest koostisest, soovitud muundamisastmest, viibeajast, tahkete ainete sisaldusest, temperatuurist, rõhust ja vajalikust energiakulu.

Kuidas alustada Sono-Fentoni teostatavusuuringut

Usaldusväärse seadmesoovituse andmiseks võtab Hielscher tavaliselt arvesse keemilist koostist, sihtsaasteaineid, töödeldavat mahtu, voolukiirust, oksüdeerija doosi, katalüsaatori tüüpi, pH-vahemikku, temperatuuripiire ja vajalikku muundamisastet. Laborikatsete puhul kasutatakse tavaliselt laboratoorset või laua-ultraheli seadet, nagu UP200Ht, UP400St või UIP1000hdT, et määrata kindlaks vajalik energiakulu ja protsessi parameetrid.

Pidevaks tööks suudab Hielscher seadistada ultraheli-voo-rakke ja in-line reaktoreid, mille viibeaega, rõhku, temperatuuri ja võimsust on võimalik reguleerida. See võimaldab töötlemistulemuste otsest võrdlemist erinevate amplituudide ja voolukiiruste juures.

Korduma kippuvad küsimused Sono-Fentoni reaktsioonide kohta

Mis vahe on Fentoni ja sono-Fentoni meetodil?

Fentoni meetod kasutab vesinikperoksiidi ja raua katalüsaatoreid hüdroksüülradikaalide tekitamiseks. Sono-Fentoni meetod lisab sellele võimsat ultraheli. Ultraheli kavitatsioon suurendab radikaalide teket ning parandab segunemist, katalüsaatoriga kokkupuudet ja massiülekannet.

Kas sono-Fentoni meetodit saab kasutada tööstusreovee puhastamiseks?

Jah. Sono-Fentoni meetodit kasutatakse tööstusreovee, värvainete heitvee, naftakeemiatööstuse reovee, saastunud suspensioonide ja muude raskesti lagunevate orgaaniliste ühenditega reoveevoolude töötlemise protsesside väljatöötamisel. Meetodi rakendatavus tööstuses sõltub saasteainete koormusest, oksüdeerija vajadusest, katalüsaatorisüsteemist, töötlemise eesmärgist ja energiabilansist.

Kas ultraheli aitab vähendada kemikaalide tarbimist?

Ultraheli võib parandada oksüdeerijate ja katalüsaatorite kasutamist, kiirendades radikaalide teket ja ainevahetust. Kas kemikaalide tarbimist on võimalik vähendada, tuleb kindlaks teha katsetes, milles kasutatakse tegelikku reovett või reaktsioonisegu.

Kas protsess on skaleeritav?

Jah. Hielscheri ultraheliseadmed on mõeldud protsesside arendamiseks erinevatel tasanditel. Laborikatsete tulemusi saab üle kanda piloot- ja tööstussüsteemidesse, reguleerides amplituudi, sisendenergiat, viibeaega, temperatuuri, rõhku ja reaktori geomeetriat.

Milline ultraheliprotsessor sobib minu tootmisprotsessile?

Sobiva protsessori valik sõltub proovi mahust, voolukiirusest, soovitud muundamisastmest, tahkete ainete sisaldusest, viskoossusest, töötemperatuurist ja rõhust. Hielscher pakub laboratoorseid ultraheli-seadmeid, pilootseadmeid ja tööstuslikke ultraheli-reaktoreid pidevaks töötlemiseks.

Mis on sono-ozoneerimine?

Sono-ozoniseerimine on täiustatud oksüdatsiooniprotsess, mis ühendab osoonitöötluse suure võimsusega ultraheliga, et tekitada reaktiivsemaid radikaale ja parandada ainevahetust vedelikes. See sünergia kiirendab orgaaniliste saasteainete, värvainete, mikroobide ja raskesti lagunevate ühendite lagunemist vees või reovees võrreldes pelgalt osoonitöötlusega.

Avasta sono-ozoneerimise eelised!

Kirjandus / Viited