فراصوت‌دهی واکنش‌های فنتون را بهبود می‌بخشد

واکنش‌های سونو–فنتون، شیمی فنتون را با فراصوت پرتوان ترکیب می‌کنند تا تشکیل رادیکال‌های هیدروکسیل را تشدید کنند، انتقال جرم را بهبود دهند و فرایندهای تخریب اکسایشی را شتاب بخشند. سونیکاتورهای Hielscher برای آزمایشگاه‌ها، واحدهای پایلوت و کاربران صنعتی، راهکاری کنترل‌پذیر و مقیاس‌پذیر برای بهبود فرایندهای اکسایش پیشرفته (AOPs) مانند تصفیهٔ فاضلاب، تخریب رنگ‌ها، پاک‌سازی خاک، پیش‌تیمار لیگنین و تجزیهٔ شیمیایی فراهم می‌کنند.

واکنش سونو–فنتون چیست؟

واکنش کلاسیک فنتون از پراکسید هیدروژن (H₂O₂) و کاتالیست‌های آهن برای تولید رادیکال‌های هیدروکسیل بسیار واکنش‌پذیر (•OH) استفاده می‌کند. این رادیکال‌ها آلاینده‌های آلی، رنگ‌ها، حلال‌ها، هیدروکربن‌ها، لیگنین و سایر ترکیبات مقاوم به تجزیه را اکسید می‌کنند. با افزودن فراصوت پرتوان، این فرایند واکنش سونو–فنتون یا واکنش فنتون فراصوتی نامیده می‌شود.

فراصوت‌دهی از دو طریق مکمل، شیمی فنتون را بهبود می‌بخشد:

• اثر سونوشیمیایی: کاویتاسیون آکوستیکی، سونولیز آب و تشکیل رادیکال‌های بیشتر را تقویت می‌کند.
• اثر سونومکانیکی: ریزجت‌ها و برش ناشی از کاویتاسیون، اختلاط، پراکنش کاتالیست، مساحت سطح مشترک و انتقال جرم را بهبود می‌بخشند.

مزیت عملی برای پژوهشگران و مهندسان فرایند، دستیابی به فرایند اکسایش شدیدتری است که می‌تواند زمان واکنش را کاهش دهد، تخریب آلاینده‌ها و بهره‌گیری از کاتالیست را بهبود بخشد و افزایش مقیاس تیمارهای نوع فنتون را آسان‌تر کند.

فراصوت پرتوان چگونه واکنش‌های فنتون را بهبود می‌بخشد

هنگامی که انرژی فراصوت پرتوان به مایع منتقل می‌شود، کاویتاسیون آکوستیکی رخ می‌دهد. حفره‌های میکروسکوپی بخار در چرخه‌های متناوب فشار رشد می‌کنند و هنگام تراکم به‌شدت فرومی‌پاشند. این فروپاشی، نقاط داغ موضعی با دماها و فشارهای گذرای بسیار بالا ایجاد می‌کند. در سامانه‌های آبی، کاویتاسیون می‌تواند تشکیل گونه‌های واکنش‌پذیر مانند رادیکال‌های هیدروکسیل و پراکسید هیدروژن را تقویت کند.

در فرایند فنتون یا شبه‌فنتون، این شیمی ناشی از کاویتاسیون در کنار تجزیهٔ H₂O₂ با کاتالیز آهن عمل می‌کند. هم‌زمان، برش فراصوتی تماس میان اکسیدکننده‌ها، کاتالیست‌ها، جامدات معلق و آلاینده‌های محلول را بهبود می‌بخشد. این ویژگی، فراصوت را به‌ویژه برای موارد زیر ارزشمند می‌کند:

• جریان‌های فاضلاب حاوی آلاینده‌های آلی با زیست‌تخریب‌پذیری ضعیف؛
• کاتالیست‌های ناهمگن مانند مگنتیت، گوتیت، TiO₂ یا اکسیدهای آهن؛
• دوغاب‌ها، سوسپانسیون‌های خاک، سوسپانسیون‌های زیست‌توده و مایعات حاوی کاتالیست؛
• فرایندهای اکسایش پیشرفتهٔ ناپیوسته و درون‌خطی که به افزایش مقیاس قابل‌اعتماد نیاز دارند.

مزایای راکتورهای فراصوتی سونو–فنتون

• شدت اکسایش بیشتر: فراصوت تشکیل رادیکال‌ها را افزایش می‌دهد و سینتیک تخریب اکسایشی را بهبود می‌بخشد.
• بهره‌گیری بهتر از کاتالیست: کاویتاسیون کاتالیست‌ها را پراکنده می‌کند و تماس مایع–جامد را بهبود می‌بخشد.
• زمان‌های واکنش کوتاه‌تر: تشدید تولید رادیکال‌ها و اختلاط می‌تواند زمان تیمار را کاهش دهد.
• طراحی مقیاس‌پذیر راکتور: Hielscher راکتورهای فراصوتی آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی را با کنترل پایدار دامنه عرضه می‌کند.
• کارکرد ناپیوسته یا درون‌خطی: فرایندها را می‌توان در بشرها یا مخازن ناپیوسته توسعه داد و به راکتورهای جریان پیوسته منتقل کرد.
• پایش فرایند: سونیکاتورهای دیجیتال Hielscher امکان کنترل دامنه، توان ورودی، دما، فشار و زمان پردازش را فراهم می‌کنند.
• کارکرد صنعتی 24/7: پردازشگرهای فراصوتی ویژهٔ کار سنگین برای کارکرد پیوسته با بار کامل طراحی شده‌اند.

چه زمانی باید تیمار سونو–فنتون را در نظر بگیرید؟

تیمار سونو–فنتون بیشترین کاربرد را زمانی دارد که فرایند متداول فنتون بیش‌ازحد کند باشد، تماس کاتالیست محدود باشد، اکسایش آلاینده‌ها دشوار باشد یا جامدات معلق بازده فرایند را کاهش دهند. همچنین زمانی مفید است که فرایند باید از مرحلهٔ امکان‌سنجی آزمایشگاهی به ظرفیت پردازش صنعتی توسعه یابد، بدون آنکه شیمی پایهٔ اکسایش تغییر کند.

پارامترهای مهم فرایندی برای بهینه‌سازی سونو–فنتون

بازده واکنش سونو–فنتون به پارامترهای شیمیایی و فراصوتی وابسته است. Hielscher در آزمون‌های امکان‌سنجی به مشتریان کمک می‌کند تا محدودهٔ عملیاتی مناسب را برای فاضلاب، دوغاب یا مخلوط واکنش مشخص خود ارزیابی کنند.

• دامنهٔ فراصوت: پارامتر اصلی کنترل‌کنندهٔ شدت کاویتاسیون در سونوتْرود است.
• چگالی توان و انرژی ورودی: شدت سونوشیمیایی را به‌ازای حجم تحت تیمار تعیین می‌کنند.
• غلظت H₂O₂: بر تولید رادیکال‌ها و نیاز باقیمانده به اکسیدکننده اثر می‌گذارد.
• نوع و مقدار مصرف کاتالیست آهن: شامل Fe²⁺، Fe³⁺، مگنتیت، گوتیت، سامانه‌های کمکی مبتنی بر TiO₂ یا کاتالیست‌های تثبیت‌شده است.
• pH و دما: بر سینتیک واکنش فنتون، حلالیت کاتالیست و مسیرهای رادیکالی اثر می‌گذارند.
• زمان ماند: میزان تبدیل را در مخازن ناپیوسته یا راکتورهای جریان درون‌خطی تعیین می‌کند.
• فشار: راکتورهای فراصوتی قابل‌فشارگذاری می‌توانند شرایط کاویتاسیون را در کارکرد پیوسته تشدید کنند.

مطالعات موردی: واکنش‌های فنتون تقویت‌شده با فراصوت

اثرات مثبت فراصوت پرتوان بر واکنش‌های فنتون و شبه‌فنتون در زمینهٔ تخریب شیمیایی، آلودگی‌زدایی، پیش‌تیمار زیست‌توده و تصفیهٔ فاضلاب صنعتی بررسی شده‌اند. نمونه‌های زیر نشان می‌دهند که فراصوت چگونه می‌تواند تشکیل رادیکال‌ها، نرخ تخریب و بازده فرایند را در سامانه‌های مختلف بهبود بخشد.

واکنش سونوکاتالیستی–فنتون برای افزایش تولید رادیکال‌های هیدروکسیل

Ninomiya et al. (2013) نشان دادند که ترکیب فراصوت‌دهی، TiO₂، H₂O₂ و کاتالیست آهن، تولید رادیکال‌های هیدروکسیل را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. این فرایند برای تخریب لیگنین، به‌عنوان مرحلهٔ پیش‌تیمار زیست‌تودهٔ لیگنوسلولزی، به کار رفت و به هیدرولیز آنزیمی بعدی کمک کرد.

چیدمان آزمایش: ذرات TiO₂ (2 g/L)، H₂O₂ (100 mM) و FeSO₄·7H₂O (1 mM) به سوسپانسیون نمونه افزوده شدند. سوسپانسیون به‌مدت 180 min با پردازشگر فراصوتی Hielscher از ردهٔ UP200S / UP200St با استفاده از سونوتْرود پروبی و توان فراصوتی 35 W تحت فراصوت‌دهی قرار گرفت. دمای ظرف در 25 °C کنترل شد.

نتیجه: غلظت DHBA در واکنش سونوکاتالیستی–فنتون به 378 μM رسید، درحالی‌که در واکنش فنتون بدون فراصوت و TiO₂ برابر با 115 μM بود. تخریب لیگنین در تیمار سونوکاتالیستی–فنتون سریع‌تر افزایش یافت که نشان‌دهندهٔ هم‌افزایی قوی میان فراصوت، کاتالیست و شیمی فنتون است.

ریزنگاره‌های میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) از زیست‌تودهٔ کنف: (A) شاهد بدون تیمار، (B) تیمار سونوکاتالیستی، (C) تیمار فنتون و (D) تیمار سونوکاتالیستی–فنتون. زمان پیش‌تیمار: 360 min. خط‌های مقیاس نشان‌دهندهٔ 10 μm هستند.
(تصویر و مطالعه: ©Ninomiya et al., 2013)

تخریب نفتالین با تیمار شبه‌سونو–فنتون خاک

Virkutyte et al. (2009) تخریب نفتالین در خاک را با ترکیب فراصوت و پراکسید هیدروژن بررسی کردند. بیشترین بازده تخریب در غلظت بالای پراکسید هیدروژن و غلظت اولیهٔ پایین نفتالین به دست آمد. با تابش فراصوت در توان‌های 100، 200 و 400 W، بازده‌های تخریب به‌ترتیب 78%، 94% و 97% گزارش شدند.

در این مطالعه از سونیکاتورهای Hielscher UP100H, UP200St، و UP400St استفاده شد. بهبود تخریب به اثر هم‌افزای فراصوت و پراکسید هیدروژن، از جمله تشکیل رادیکال‌ها و بهبود برهم‌کنش با اکسیدهای آهن در ماتریس خاک، نسبت داده شد.

ریزنگارهٔ SEM–EDS خاک پیش و پس از تیمار با تابش فراصوت.
(تصویر و مطالعه: ©Virkutyte et al., 2009)

اکسایش سونوشیمیایی دی‌سولفید کربن

Adewuyi and Appaw اکسایش سونوشیمیایی دی‌سولفید کربن (CS₂) را در محلول آبی در 20 kHz و 20°C نشان دادند. حذف CS₂ با افزایش شدت فراصوت بیشتر شد که به کاویتاسیون قوی‌تر و افزایش تشکیل رادیکال‌ها مرتبط بود. این مطالعه نشان می‌دهد که اکسایش سونوشیمیایی می‌تواند روشی مؤثر برای حذف دی‌سولفید کربن از جریان‌های آبی باشد.

تیمار سونو–فنتون برای فاضلاب رنگی و نساجی

تصفیهٔ پساب‌های حاوی رنگ از صنایع نساجی و صنایع مرتبط می‌تواند دشوار باشد، زیرا بسیاری از رنگ‌ها و محصولات جانبی آن‌ها در برابر تجزیه مقاوم‌اند، رنگ دارند و زیست‌تخریب‌پذیری ضعیفی دارند. فرایندهای اکسایش پیشرفتهٔ فنتون و شبه‌فنتون به‌طور گسترده برای تخریب رنگ‌ها به کار می‌روند. فراصوت می‌تواند با تقویت تولید رادیکال‌ها، پراکنش کاتالیست و انتقال جرم، این فرایندها را بهبود بخشد.

تخریب رنگ Reactive Red 120

Garófalo-Villalta et al. (2020) تخریب رنگ Reactive Red 120 (RR-120) را در آب سنتزی بررسی کردند. تیمار همگن سونو–فنتون با سولفات آهن(II) و تیمار ناهمگن سونو–فنتون با کاتالیست‌های مبتنی بر گوتیت مقایسه شدند. طی 60 min، فرایند همگن به تخریب 98٫10% رنگ دست یافت، درحالی‌که فرایند ناهمگن با گوتیت در pH 3٫0 به تخریب 96٫07% رسید.

این مطالعه همچنین نشان داد که کاتالیست‌های اصلاح‌شده در مقایسه با گوتیت اصلاح‌نشده، عملکرد تخریب را بهبود دادند. اندازه‌گیری‌های COD، TOC و BOD/COD نشان دادند که تیمار سونو–فنتون نه‌تنها محلول را رنگ‌زدایی کرد، بلکه زیست‌تخریب‌پذیری ترکیبات آلی باقیمانده را نیز بهبود بخشید. تصویر، دستگاه Hielscher UP100H مورداستفاده در آزمایش‌ها را نشان می‌دهد.

تخریب ناهمگن سونو–فنتون رنگ آزوی RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) حذف رنگ آزوی Reactive Orange 107 (RO107) را با فرایند شبه‌سونو–فنتون و با استفاده از نانوذرات مگنتیت (Fe₃O₄) به‌عنوان کاتالیست نشان دادند. دستگاه سونیکاتور Hielscher از ردهٔ UP400S / UP400St مجهز به سونوتْرود 7 mm برای ایجاد کاویتاسیون آکوستیکی به کار رفت.

نتیجه: حذف کامل رنگ آزو با 0٫8 g/L نانوذرات مگنتیت، pH 5، غلظت H₂O₂ برابر با 10 mM، توان فراصوتی 300 W/L و زمان واکنش 25 min حاصل شد. در فاضلاب واقعی نساجی، COD طی 180 min از 2360 mg/L به 489٫5 mg/L کاهش یافت. نویسندگان، توان فراصوتی را یکی از عوامل اساسی مؤثر بر نرخ تخریب RO107 در سامانهٔ ناهمگن شبه‌فنتون معرفی کردند.

دربارهٔ سنتز بسیار کارآمد مگنتیت با فراصوت‌دهی بیشتر بدانید!

تخریب RO107 در pH 5، با 0٫8 g/L از MNPs، غلظت H₂O₂ برابر با 10 mM، غلظت RO107 برابر با 50 mg/L، توان فراصوتی 300 W و زمان واکنش 30 min.
مطالعه و تصویر: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

سونیکاتورهای Hielscher برای سونو–فنتون و فرایندهای اکسایش پیشرفته

Hielscher Ultrasonics پردازشگرها و راکتورهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای سنگین سونوشیمیایی، از جمله واکنش‌های فنتون، واکنش‌های سونو–فنتون، واکنش‌های سونوفتوشیمیایی و سایر فرایندهای اکسایش پیشرفته طراحی و تولید می‌کند. این سامانه‌ها از تجهیزات آزمایشگاهی جمع‌وجور تا راکتورهای فراصوتی صنعتی برای تولید پیوسته و جریان‌های تحت تیمار عرضه می‌شوند.

انتخاب تجهیزات فراصوتی برای فرایندهای سونو–فنتون

جدول زیر راهنمایی کلی دربارهٔ سونیکاتورهای مناسب Hielscher برای حجم‌های متداول پردازش ناپیوسته و دبی‌های متداول ارائه می‌دهد. انتخاب نهایی تجهیزات به شیمی فرایند، تبدیل هدف، زمان ماند، میزان جامدات، دما، فشار و انرژی ورودی موردنیاز بستگی دارد.

چگونه آزمون امکان‌سنجی سونو–فنتون را آغاز کنیم

Hielscher برای ارائهٔ پیشنهادی قابل‌اعتماد دربارهٔ تجهیزات، معمولاً شیمی فرایند، آلاینده‌های هدف، حجم تحت تیمار، دبی، مقدار مصرف اکسیدکننده، نوع کاتالیست، محدودهٔ pH، حدود دما و تبدیل موردنیاز را بررسی می‌کند. برای آزمایش‌های آزمایشگاهی، معمولاً از سونیکاتور پروبی آزمایشگاهی یا رومیزی مانند UP200Ht، UP400St یا UIP1000hdT برای تعیین انرژی ورودی موردنیاز و محدودهٔ شرایط فرایند استفاده می‌شود.

برای کارکرد پیوسته، Hielscher می‌تواند سلول‌های جریان فراصوتی و راکتورهای درون‌خطی را با زمان ماند، فشار، دما و توان ورودی کنترل‌شده پیکربندی کند. این کار امکان مقایسهٔ مستقیم عملکرد تیمار را در دامنه‌ها و دبی‌های مختلف فراهم می‌کند.

پرسش‌های متداول دربارهٔ واکنش‌های سونو–فنتون

تفاوت تیمار فنتون و سونو–فنتون چیست؟

تیمار فنتون از پراکسید هیدروژن و کاتالیست‌های آهن برای تولید رادیکال‌های هیدروکسیل استفاده می‌کند. در تیمار سونو–فنتون، فراصوت پرتوان نیز افزوده می‌شود. کاویتاسیون فراصوتی تشکیل رادیکال‌ها را افزایش می‌دهد و اختلاط، تماس کاتالیست و انتقال جرم را بهبود می‌بخشد.

آیا می‌توان از تیمار سونو–فنتون برای فاضلاب صنعتی استفاده کرد؟

بله. تیمار سونو–فنتون در توسعهٔ فرایند برای فاضلاب صنعتی، پساب‌های رنگی، فاضلاب پتروشیمی، دوغاب‌های آلوده و سایر جریان‌های حاوی ترکیبات آلی مقاوم به تجزیه به کار می‌رود. امکان‌پذیری صنعتی به بار آلاینده، نیاز به اکسیدکننده، سامانهٔ کاتالیستی، هدف تصفیه و موازنهٔ انرژی بستگی دارد.

آیا فراصوت می‌تواند مصرف مواد شیمیایی را کاهش دهد؟

فراصوت می‌تواند با تشدید تشکیل رادیکال‌ها و انتقال جرم، بهره‌گیری از اکسیدکننده‌ها و کاتالیست‌ها را بهبود بخشد. امکان کاهش مصرف مواد شیمیایی باید با آزمایش روی فاضلاب واقعی یا مخلوط واکنش واقعی تأیید شود.

آیا این فرایند مقیاس‌پذیر است؟

بله. سونیکاتورهای Hielscher برای توسعهٔ مقیاس‌پذیر فرایند طراحی شده‌اند. نتایج آزمون‌های آزمایشگاهی را می‌توان با کنترل دامنه، انرژی ورودی، زمان ماند، دما، فشار و هندسهٔ راکتور به سامانه‌های پایلوت و صنعتی منتقل کرد.

کدام پردازشگر فراصوتی برای فرایند من مناسب است؟

پردازشگر مناسب به حجم نمونه، دبی، تبدیل هدف، میزان جامدات، گرانروی، دمای عملیاتی و فشار بستگی دارد. Hielscher سونیکاتورهای آزمایشگاهی، سامانه‌های پایلوت و راکتورهای فراصوتی صنعتی را برای پردازش پیوسته عرضه می‌کند.

فرایند سونو–ازن‌زنی چیست؟

سونو–ازن‌زنی یک فرایند اکسایش پیشرفته است که تیمار با ازن را با فراصوت پرتوان ترکیب می‌کند تا رادیکال‌های واکنش‌پذیر بیشتری تولید کند و انتقال جرم را در مایعات بهبود بخشد. این هم‌افزایی در مقایسه با ازن‌زنی به‌تنهایی، تخریب آلاینده‌های آلی، رنگ‌ها، میکروب‌ها و ترکیبات مقاوم به تجزیه را در آب یا فاضلاب تسریع می‌کند.

با مزایای سونو–ازن‌زنی آشنا شوید!

منابع علمی / مراجع

• 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.