Sonikatsioon parandab Fentoni reaktsioone

Fentoni reaktsioonid põhinevad vabade radikaalide, näiteks hüdroksüül-OH-radikaali ja vesinikperoksiidi (H₂O₂). Fentoni reaktsiooni saab ultraheliga kombineerimisel oluliselt intensiivistada. On näidatud, et Fentoni reaktsiooni lihtne, kuid väga efektiivne kombinatsioon võimsuse ultraheliga parandab drastiliselt soovitud radikaalset moodustumist ja seeläbi intensiivistab mõju.

Kuidas Power Ultrasound parandab Fentoni reaktsioone?

Kui suure võimsusega / suure jõudlusega ultraheli on ühendatud vedelikega, näiteks veega, võib täheldada akustilise kavitatsiooni nähtust. Kavitatsioonilises kuumas kohas tekivad minutilised vaakummullid ja kasvavad mitme kõrgsurve / madala rõhu tsükli jooksul, mis on põhjustatud võimsuse ultraheli lainetest. Sel hetkel, kui vaakummull ei suuda rohkem energiat absorbeerida, variseb tühimik kõrgsurve (kokkusurumise) tsükli ajal ägedalt kokku. See mullide implosioon tekitab erakordselt äärmuslikke tingimusi, kus temperatuur on kuni 5000 K, rõhk kuni 100 MPa ning väga kõrged temperatuuri ja rõhu erinevused. Lõhkevad kavitatsioonimullid tekitavad ka kiireid vedelaid mikroreaktiive, millel on väga intensiivsed nihkejõud (sonomehaanilised efektid), samuti vee hüdrolüüsi tõttu vabu radikaale, näiteks OH-radikaale (sonokeemiline efekt). Vabade radikaalide moodustumise sonokeemiline toime on ultraheli intensiivistunud Fentoni reaktsioonide peamine põhjustaja, samas kui agitatsiooni sonomehaanilised mõjud parandavad massiülekannet, mis parandab keemilist konversioonimäära.
(Vasakul pildil on akustiline kavitatsioon, mis tekib sonotrode ultrasonikaator UIP1000hd. Parema nähtavuse tagamiseks kasutatakse alt tulevat punast tuld)

Sonkeemiliselt täiustatud Fentoni reaktsioonide eeskujulikud juhtumiuuringud

Võimsuse ultraheli positiivset mõju Fentoni reaktsioonidele on laialdaselt uuritud teadusuuringutes, piloot- ja tööstuskeskkonnas mitmesuguste rakenduste jaoks, nagu keemiline lagunemine, saastest puhastamine ja lagunemine. Fentoni ja sono-Fentoni reaktsioon põhineb vesinikperoksiidi lagunemisel raudkatalüsaatori abil, mille tulemuseks on väga reaktiivsete hüdroksüülradikaalide moodustumine.
Vabu radikaale, nagu hüdroksüülradikaalid (•OH), tekitatakse sageli sihipäraselt oksüdatsioonireaktsioonide intensiivistamise protsessides, nt reovees sisalduvate saasteainete, näiteks orgaaniliste ühendite lagundamiseks. Kuna võimsuse ultraheli on Fentoni tüüpi reaktsioonides vabade radikaalide moodustumise abiallikas, suurendas ultrahelitöötlus koos Fentoni reaktsioonidega saasteainete lagunemiskiirust, et lagundada saasteaineid, ohtlikke ühendeid ja tselluloosmaterjale. See tähendab, et ultraheliga intensiivistunud Fentoni reaktsioon, nn sono-Fentoni reaktsioon, võib parandada hüdroksüülradikaalide tootmist, muutes Fentoni reaktsiooni oluliselt tõhusamaks.

Sonokatalüütiline-Fentoni reaktsioon OH radikaalide genereerimiseks

Ninomiya jt (2013) näitavad edukalt, et sonokatalüütiliselt täiustatud Fentoni reaktsioon – ultraheli kasutamine koos titaandioksiidiga (TiO2) katalüsaatorina – sellel on märkimisväärselt suurenenud hüdroksüül (•OH) radikaalide põlvkond. Suure jõudlusega ultraheli kasutamine võimaldas algatada täiustatud oksüdatsiooniprotsessi (AOP). Kuigi sonokatalüütilist reaktsiooni TiO2 osakestega on rakendatud erinevate kemikaalide lagunemiseks, kasutas Ninomiya uurimisrühm tõhusalt genereeritud OH-radikaale ligniini (kompleksne orgaaniline polümeer taime rakuseintes) lagundamiseks lignotselluloosse materjali eeltöötlusena järgneva ensümaatilise hüdrolüüsi hõlbustamiseks.
Tulemused näitavad, et sonokatalüütiline Fentoni reaktsioon, milles kasutatakse sonokatalüsaatorina TiO2, suurendab mitte ainult ligniini lagunemist, vaid on ka lignotselluloosi biomassi tõhus eeltöötlus, et suurendada järgnevat ensümaatilist sahharifitseerimist.
Menetlus: Sonokatalüütilise -Fentoni reaktsiooni jaoks lisati proovilahusele või suspensioonile nii TiO2 osakesi (2 g/l) kui ka Fentoni reaktiivi (st H2O2 (100 mM) ja FeSO4·7H2O (1 mM)). Sonokatalüütilise – Fentoni reaktsiooni jaoks töödeldi reaktsioonianumas olevat proovisuspensiooni 180 minutit ultraheliga sondi tüüpi ultraheli protsessor UP200S (200W, 24kHz) sonotrode S14-ga ultraheli võimsusel 35 W. Reaktsioonianum asetati veevanni, hoides jahutusringluse abil temperatuuri 25 °C. Ultraheli viidi läbi pimedas, et vältida valguse põhjustatud mõjusid.
Mõju: See OH radikaalide genereerimise sünergiline suurenemine sonokatalüütilise Fentoni reaktsiooni ajal on tingitud Fe3+ moodustumisest, mis on moodustunud Fentoni reaktsioonist, mis regenereeritakse Fe2+ -ks, mis on indutseeritud reaktsiooni sidumisel sonokatalüütilise reaktsiooniga.
Tulemused: Sonokatalüütilise Fentoni reaktsiooni puhul suurendati DHBA kontsentratsiooni sünergiliselt 378 μM-ni, samas kui Fentoni reaktsioon ilma ultraheli ja TiO2-ta saavutas ainult DHBA kontsentratsiooni 115 μM. Kenafi biomassi ligniini lagunemine Fentoni reaktsiooni käigus saavutas ainult ligniini lagunemissuhte, mis suurenes lineaarselt kuni 120 min, kD = 0,26 min−1, jõudes 49,9% -ni 180 minuti jooksul; sonokatalüütilise ja Fentoni reaktsiooni korral suurenes ligniini lagunemise suhe lineaarselt kuni 60 minutini, kD = 0,57 min−1, jõudes 180 minutil 60,0% -ni.

Kenafi biomassi (A) töötlemata kontrolli elektronmikrograafide (SEM) skaneerimine, mida on eeltöödeldud (B) sonokatalüütiliste (US/TiO2), (C) Fentoni (H2O2/Fe2+) ja (D) sonokatalüütiliste–Fentoni (US/TiO2 + H2O2/Fe2+) reaktsioonidega. Eeltöötluse aeg oli 360 min. Baarid tähistavad 10 μm.
(Pilt ja uuring: ©Ninomiya et al., 2013)

Naftaleeni lagunemine sonokeemilise Fentoni kaudu

suurim naftaleeni lagunemise protsent saavutati mõlema teguri kõrgeima (600 mg L-1 vesinikperoksiidi kontsentratsioon) ja madalaima (200 mg kg1 naftaleeni kontsentratsioon) ristumiskohas kõigi rakendatud ultraheli kiiritusintensiivsuste puhul. Selle tulemuseks oli 78%, 94% ja 97% naftaleeni lagunemise efektiivsusest, kui rakendati ultrahelitöötlust vastavalt 100, 200 ja 400 W juures. Oma võrdlevas uuringus kasutasid teadlased Hielscheri ultrasonikaatoreid UP100H, UP200Stja UP400St. Lagunemise efektiivsuse märkimisväärne suurenemine oli tingitud mõlema oksüdeeriva allika (ultraheli ja vesinikperoksiidi) sünergismist, mis tähendas Fe-oksiidide suurenenud pindala ultraheli abil ja radikaalide tõhusamat tootmist. Optimaalsed väärtused (600 mg L−1 vesinikperoksiidi ja 200 mg kg1 naftaleeni kontsentratsioonid 200 ja 400 W juures) näitasid naftaleeni kontsentratsiooni vähenemist mullas kuni 97% pärast 2-tunnist töötlemist.
(vrd Virkutyte et al., 2009)

SEM–EDS mikrogramm a) elementide kaardistamine ja b) muld enne ja c) pärast ultraheli kiiritusravi
(Pilt ja uurimus: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonokeemiline süsinikdisulfiidi lagunemine

Adewuyi ja Appaw näitasid süsinikdisulfiidi (CS2) edukat oksüdeerimist sonokeemilises partiireaktoris ultrahelitöötlusega sagedusel 20 kHz ja 20 ° C. CS2 eemaldamine vesilahusest suurenes oluliselt ultraheli intensiivsuse suurenemisega. Suurem intensiivsus tõi kaasa akustilise amplituudi suurenemise, mille tulemuseks oli intensiivsem kavitatsioon. CS2 sonokkeemiline oksüdatsioon sulfaadiks toimub peamiselt oksüdatsiooni teel •OH radikaali ja H2O2 poolt, mis on saadud selle rekombinatsioonireaktsioonidest. Lisaks viitavad selle uuringu madalad EA väärtused (alla 42 kJ/mol) nii madalas kui ka kõrges temperatuurivahemikus sellele, et difusiooniga juhitavad transpordiprotsessid dikteerivad üldise reaktsiooni. Ultraheli kavitatsiooni ajal on õõnsustes oleva veeauru lagunemist H• ja •OH radikaalide tootmiseks kokkusurumisfaasis juba hästi uuritud. OH-radikaal on võimas ja tõhus keemiline oksüdeerija nii gaasi- kui ka vedelas faasis ning selle reaktsioonid anorgaaniliste ja orgaaniliste substraatidega on sageli difusioonikontrollitud kiiruse lähedal. Vee sonolüüs H2O2 ja vesinikgaasi tootmiseks hüdroksüülradikaalide ja vesinikuaatomite kaudu on hästi teada ja toimub mis tahes gaasi, O2 või puhaste gaaside (nt Ar) juuresolekul. Tulemused viitavad sellele, et vabade radikaalide (nt •OH) difusiooni kättesaadavus ja suhtelised kiirused liidesevahelise reaktsiooni tsoonis määravad kiirust piirava sammu ja reaktsiooni üldise järjekorra. Üldiselt on sonokeemiline tõhustatud oksüdatiivne lagunemine tõhus meetod süsinikdisulfiidi eemaldamiseks.
(Adewuyi ja Appaw, 2002)

Ultraheli fentonilaadne värvi lagunemine

Värvaineid tootvate tööstusharude heitveed on keskkonnaprobleem, mis nõuab reovee puhastamiseks tõhusat protsessi. Oksüdatiivseid Fentoni reaktsioone kasutatakse laialdaselt värvainete heitvete töötlemisel, samas kui täiustatud Sono-Fentoni protsessid saavad üha enam tähelepanu tänu oma suuremale efektiivsusele ja keskkonnasõbralikkusele.

Sono-Fentoni reaktsioon reaktiivse punase 120 värvaine lagunemisel

Uuriti reaktiivse punase 120 värvi (RR-120) lagunemist sünteetilistes vetes. Vaadeldi kahte protsessi: homogeenne Sono-Fenton raud(II)sulfaadiga ja heterogeenne Sono-Fenton sünteetilise goetiidi ja goetiidiga, mis sadestatakse ränidioksiidile ja kaltsiidiliivale (modifitseeritud katalüsaatorid GS (ränidioksiidiliivale ladestunud goetiit) ja GC (kaltsiidiliivale ladestunud goetiit). 60-minutilise reaktsiooni jooksul võimaldas homogeenne Sono-Fentoni protsess laguneda 98,10%, erinevalt 96,07%st heterogeense Sono-Fentoni protsessi puhul, kus goetiit oli pH 3,0. RR-120 eemaldamine suurenes, kui palja goetiidi asemel kasutati modifitseeritud katalüsaatoreid. Keemilise hapnikutarbe (COD) ja kogu orgaanilise süsiniku (TOC) mõõtmised näitasid, et kõrgeim TOC ja COD sidumine saavutati homogeense Sono-Fentoni protsessiga. Biokeemilise hapnikutarbe (BHT) mõõtmised võimaldasid leida, et BHT/COD suurim väärtus saavutati heterogeense Sono-Fentoni protsessiga (0,88±0,04 modifitseeritud katalüsaatoriga GC), mis näitab, et orgaaniliste ühendite jääkide biolagundatavus paranes märkimisväärselt.
(vrd Garófalo-Villalta et al. 2020)
Vasakul pildil on ultrasonikaator UP100H kasutatakse punase värvaine lagunemise katsetes sono-Fentoni reaktsiooni kaudu. (Uuring ja pilt: ©Garófalo-Villalta et al., 2020.)

Asovärvi RO107 heterogeenne Sono-Fentoni lagunemine

Jaafarzadeh jt (2018) näitasid asovärvi Reactive Orange 107 (RO107) edukat eemaldamist sono-Fentoni sarnase lagunemisprotsessi kaudu, kasutades katalüsaatorina magnetiidi (Fe3O4) nanoosakesi (MNP). Oma uuringus kasutasid nad Hielscher UP400S ultrasonikaator Varustatud 7 mm sonotrode'iga 50% töötsükliga (1 s sisse / 1 s väljas), et tekitada akustiline kavitatsioon, et saavutada soovitud radikaalne moodustumine. Magnetiidi nanoosakesed toimivad peroksidaasitaolise katalüsaatorina, mistõttu katalüsaatori annuse suurendamine tagab aktiivsemad rauakohad, mis omakorda kiirendab H2O2 lagunemist, mis viib reaktiivse OH• tekkeni.
Tulemused: Asovärvi täielik eemaldamine saadi 0,8 g / l MPNs, pH = 5, 10 mM H2O2 kontsentratsioonil, 300 W / L ultraheli võimsusel ja 25 min reaktsiooniajal. Seda ultraheli Sono-Fentoni sarnast reaktsioonisüsteemi hinnati ka tõelise tekstiilireovee suhtes. Tulemused näitasid, et keemiline hapnikutarve (KHT) vähenes 180-minutilise reaktsiooniaja jooksul 2360 mg/l-lt 489,5 mg/l-le. Lisaks viidi läbi ka USA/Fe3O4/H2O2 kulude analüüs. Lõpuks näitas ultraheli / Fe3O4 / H2O2 värvitu reovee värvitustamisel ja töötlemisel suurt efektiivsust.
Ultraheli võimsuse suurenemine tõi kaasa magnetiidi nanoosakeste reaktiivsuse ja pindala suurenemise, mis hõlbustas 'Fe3+ -i transformatsioonikiirust 'Fe2+. As-genereeritud 'Fe2+ katalüüsis H2O2 reaktsiooni, et toota hüdroksüülradikaale. Selle tulemusena näidati, et ultraheli võimsuse suurenemine suurendab USA / MNP / H2O2 protsessi jõudlust, kiirendades värvitustamise määra lühikese aja jooksul pärast kontaktiaega.
Uuringu autorid märgivad, et ultraheli võimsus on üks olulisemaid tegureid, mis mõjutavad RO107 värvi lagunemiskiirust heterogeenses Fentoni-sarnases süsteemis.
Lisateave väga tõhusa magnetiidi sünteesi kohta ultrahelitöötluse abil!
(vrd Jaafarzadeh et al., 2018)

RO107 lagunemine erinevates kombinatsioonides pH väärtusel 5, MNP annus 0,8 g/l, H2O2 kontsentratsioon 10 mM, RO107 kontsentratsioon 50 mg / l, ultraheli võimsus 300 W ja reaktsiooniaeg 30 min.
Uuring ja pilt: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

RASKEVEOKITE ULTRASONIKAATORID

Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja levitab suure jõudlusega ultraheli protsessoreid ja reaktoreid raskeveokite rakenduste jaoks, nagu täiustatud oksüdatiivsed protsessid (AOP), Fentoni reaktsioon, samuti muud sonokeemilised, sono-foto-keemilised ja sono-elektro-keemilised reaktsioonid. Ultrasonikaatorid, ultraheli sondid (sonotroodid), voolurakud ja reaktorid on saadaval igas suuruses – alates kompaktsetest laboratoorsetest katseseadmetest kuni suuremahuliste sonokeemiliste reaktoriteni. Hielscheri ultrasonikaatorid on saadaval arvukalt võimsusklasse alates laboratoorsetest ja pink-top seadmetest kuni tööstussüsteemideni, mis on võimelised töötlema mitu tonni tunnis.

Täpne amplituudi juhtimine

Amplituud on üks tähtsamaid protsessiparameetreid, mis mõjutavad mis tahes ultraheli protsessi tulemusi. Ultraheli amplituudi täpne reguleerimine võimaldab kasutada Hielscheri ultrasonikaatoreid madalatel kuni väga kõrgetel amplituudidel ja täpsustada amplituudi täpselt vajalike ultraheli protsessi tingimustega rakendustes, nagu dispersioon, ekstraheerimine ja sonokeemia.
Õige sonotrode suuruse valimine ja valikuliselt võimendussarve kasutamine amplituudi täiendavaks suurendamiseks või vähendamiseks võimaldab seadistada ideaalse ultraheli süsteemi konkreetse rakenduse jaoks. Suurema esipinnaga sondi / sonotrode kasutamine hajutab ultraheli energia suurel alal ja väiksema amplituudiga, samas kui väiksema esipinnaga sonotrode võib luua suuremaid amplituudi, luues fokusseerituma kavitatsioonilise kuuma koha.

Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli süsteeme, millel on väga kõrge töökindlus ja mis on võimelised pakkuma intensiivseid ultraheli laineid raskeveokite rakendustes nõudlikes tingimustes. Kõik ultraheli protsessorid on ehitatud nii, et need annaksid täisvõimsuse 24/7 töös. Spetsiaalsed sonotroodid võimaldavad ultrahelitöötlusprotsesse kõrge temperatuuriga keskkonnas.

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: