فراصوت را بهبود می بخشد واکنش های فنتون

واکنش های فنتون بر اساس تولید رادیکال های آزاد مانند رادیکال هیدروکسیل • OH و پراکسید هیدروژن (H_H2SO_H2S). واکنش فنتون را می توان به طور قابل توجهی تشدید زمانی که با سونوگرافی ترکیب می شود. نشان داده شده است که ترکیب ساده اما بسیار کارآمد واکنش فنتون با سونوگرافی قدرت به شدت تشکیل رادیکال مورد نظر را بهبود می بخشد و در نتیجه اثرات تشدید کننده را پردازش می کند.

سونوگرافی قدرت چگونه واکنش های فنتون را بهبود می بخشد؟

هنگامی که فراصوت با قدرت بالا / با کارایی بالا به مایعاتی مانند آب متصل می شود، پدیده حفره صوتی را می توان مشاهده کرد. در نقطه داغ حفره ای ، حباب های خلاء دقیقه ای بوجود می آیند و در چندین چرخه فشار بالا / کم فشار ناشی از امواج اولتراسوند قدرت رشد می کنند. در نقطه، زمانی که حباب خلاء نمی تواند انرژی بیشتری را جذب کند، فضای خالی در طول یک چرخه فشار بالا (فشرده سازی) به شدت فرو می ریزد. این انفجار حباب شرایط فوق العاده شدیدی را ایجاد می کند که در آن دمای بالا تا 5000 کلوین ، فشارهایی تا 100 مگاپاسکال و اختلاف دما و فشار بسیار بالا رخ می دهد. حباب های حفره ای ترکیدن همچنین میکروجت های مایع با سرعت بالا با نیروهای برشی بسیار شدید (اثرات سونومکانیکی) و همچنین گونه های رادیکال های آزاد مانند رادیکال های OH را به دلیل هیدرولیز آب (اثر سونوشیمیایی) تولید می کنند. اثر سونوشیمیایی تشکیل رادیکال های آزاد عامل عمده ای برای واکنش های فنتون تشدید التراسونیک هستند، در حالی که اثرات سونومکانیکی تحریک بهبود انتقال جرم، که نرخ تبدیل شیمیایی را بهبود می بخشد.
(تصویر سمت چپ کاویتاسیون آکوستیک تولید شده در سونوترود را نشان می دهد ultrasonicator UIP1000hd. نور قرمز از پایین برای بهبود دید استفاده می شود)

مطالعات موردی مثال زدنی برای واکنش های Fenton از نظر سونشیمیایی افزایش یافته است

اثرات مثبت امواج فراصوت قدرت بر واکنش های فنتون به طور گسترده ای در محیط های تحقیقاتی، پایلوت و صنعتی برای کاربردهای مختلف مانند تخریب شیمیایی، آلودگی زدایی و تجزیه مورد مطالعه قرار گرفته است. واکنش فنتون و سونو-فنتون بر اساس تجزیه پراکسید هیدروژن با استفاده از کاتالیزور آهن است که منجر به تشکیل رادیکال های هیدروکسیل بسیار واکنش پذیر می شود.
رادیکال های آزاد مانند رادیکال های هیدروکسیل (•OH) اغلب عمدا در فرآیندهایی برای تشدید واکنش های اکسیداسیون تولید می شوند، به عنوان مثال، برای تخریب آلاینده هایی مانند ترکیبات آلی در فاضلاب. از آنجا که سونوگرافی قدرت یک منبع کمکی از تشکیل رادیکال های آزاد در واکنش های نوع فنتون است, فراصوت در ترکیب با واکنش های فنتون افزایش نرخ تخریب آلاینده به منظور تخریب آلاینده ها, ترکیبات خطرناک و همچنین مواد سلولزی. این به این معنی است که یک واکنش فنتون تشدید شده از طریق التراسون، به اصطلاح واکنش سونو فنتون، می تواند تولید رادیکال هیدروکسیل را بهبود بخشد و واکنش فنتون را به طور قابل توجهی کارآمد تر کند.

واکنش سونوکاتالیتیک-فنتون برای افزایش تولید رادیکال OH

Ninomiya و همکاران (2013) با موفقیت نشان می دهند که واکنش سونوکاتالیزوری Fenton را افزایش می دهد – با استفاده از امواج فراصوت در ترکیب با دی اکسید تیتانیوم (TiO2) به عنوان کاتالیزور – تولید رادیکال هیدروکسیل (• OH) را به طور قابل توجهی افزایش می دهد. استفاده از سونوگرافی با کارایی بالا اجازه می دهد تا یک فرآیند اکسیداسیون پیشرفته (AOP) را آغاز کند. در حالی که واکنش سونوکاتالیزوری با استفاده از ذرات TiO2 برای تخریب مواد شیمیایی مختلف اعمال شده است، تیم تحقیقاتی Ninomiya از رادیکال های •OH تولید شده کارآمد برای تجزیه لیگنین (یک پلیمر آلی پیچیده در دیواره های سلولی گیاه) به عنوان پیش تصفیه مواد لیگنوسلولزی برای تسهیل هیدرولیز آنزیمی بعدی استفاده کردند.
نتایج نشان می دهد که یک واکنش سونوکاتالیزوری فنتون با استفاده از TiO2 به عنوان سونوکاتالیست، نه تنها تجزیه لیگنین را افزایش می دهد، بلکه یک پیش تصفیه کارآمد از زیست توده لیگنوسلولزی به منظور افزایش ساکاریفیکاسیون آنزیمی بعدی است.
روش: برای واکنش سونوکاتالیستی-فنتون، هر دو ذره TiO2 (2 گرم در لیتر) و معرف فنتون (یعنی H2O2 (100 میلی مولار) و FeSO4·7H2O (1 میلی مولار)) به محلول نمونه یا سوسپانسیون اضافه شدند. برای واکنش سونوکاتالیتیک-فنتون، سوسپانسیون نمونه در رگ واکنش به مدت 180 دقیقه با پردازنده اولتراسونیک از نوع پروب UP200S (200 وات، 24 کیلوهرتز) با سونوترود S14 با قدرت اولتراسوند 35 وات. مخزن واکنش در یک حمام آب با حفظ دمای 25 درجه سانتی گراد با استفاده از سیرکولاتور خنک کننده قرار داده شد. سونوگرافی در تاریکی به منظور جلوگیری از هر گونه اثرات ناشی از نور انجام شد.
اثر: این افزایش هم افزایی تولید رادیکال OH در طول واکنش سونوکاتالیزوری فنتون به Fe3+ تشکیل شده توسط واکنش فنتون نسبت داده می شود که توسط واکنش فنتون به Fe2+ ناشی از جفت شدن واکنش با واکنش سونوکاتالیزوری ایجاد می شود.
یافته ها: برای واکنش سونوکاتالیزوری فنتون، غلظت DHBA به صورت سینرژیستی تا 378 میکرومولار افزایش یافت، در حالی که واکنش فنتون بدون فراصوت و TiO2 تنها به غلظت DHBA 115 میکرومولار دست یافت. تجزیه لیگنین زیست توده کنف تحت واکنش فنتون تنها به نسبت تجزیه لیگنین دست یافت که به صورت خطی تا 120 دقیقه با kD = 0.26 min−1 افزایش یافت و در 180 دقیقه به 49.9 درصد رسید. در حالی که با واکنش سونوکاتالیستی-فنتون، نسبت تخریب لیگنین به صورت خطی تا 60 دقیقه با kD = 0.57 min−1 افزایش یافت و در 180 دقیقه به 60.0 درصد رسید.

میکروگراف های الکترونی روبشی (SEM) زیست توده کنف (A) کنترل تیمار نشده، پیش تیمار شده با واکنش های (B) سونوکاتالیزوری (US/TiO2)، (C) فنتون (H2O2/Fe2+) و (D) سونوکاتالیتیک-فنتون (US/TiO2 + H2O2/Fe2+). زمان پیش درمانی 360 دقیقه بود. میله ها 10 میکرومتر را نشان می دهند.
(تصویر و مطالعه: ©Ninomiya و همکاران، 2013)

تخریب نفتالین از طریق Sonochemical Fenton

بیشترین درصد تجزیه نفتالین در محل تلاقی بیشترین (غلظت پراکسید هیدروژن 600 میلی گرم در لیتر) و کمترین (غلظت 200 میلی گرم در کیلوگرم نفتالین) هر دو فاکتور برای تمام شدت های پرتودهی فراصوت اعمال شده به دست آمد. این منجر به 78 ، 94 و 97 درصد راندمان تخریب نفتالین هنگام فراصوت در 100 ، 200 و 400 وات به ترتیب اعمال شد. در مطالعه مقایسه ای خود ، محققان از اولتراسونیک Hielscher استفاده کردند UP100H، 200 خیابانو UP400St. افزایش قابل توجه در راندمان تخریب به هم افزایی هر دو منبع اکسید کننده (امواج فراصوت و پراکسید هیدروژن) نسبت داده شد که به افزایش سطح اکسیدهای آهن توسط سونوگرافی اعمال شده و تولید کارآمدتر رادیکال ها ترجمه شد. مقادیر بهینه (600 میلی گرم در لیتر پراکسید هیدروژن و 200 میلی گرم بر کیلوگرم نفتالین در غلظت های 200 و 400 وات) نشان دهنده حداکثر 97 درصد کاهش غلظت نفتالین در خاک پس از 2 ساعت تیمار بود.
(رجوع کنید به Virkutyte و همکاران، 2009)

میکروگرم SEM-EDS الف) نقشه برداری عنصری و ب) خاک قبل و ج) پس از تیمار پرتودهی اولتراسوند
(تصویر و مطالعه: ©Virkutyte و همکاران، 2009)

تخریب سونوشیمیایی کربن دی سولفید

Adewuyi و Appaw اکسیداسیون موفقیت آمیز دی سولفید کربن (CS2) در یک راکتور دسته ای سونوشیمیایی تحت فراصوت در فرکانس 20 کیلوهرتز و 20 درجه سانتیگراد نشان داد. حذف CS2 از محلول آبی با افزایش شدت امواج فراصوت به طور معنی داری افزایش یافت. شدت بیشتر منجر به افزایش دامنه آکوستیک می شود که منجر به کاویتاسیون شدیدتر می شود. اکسیداسیون سونوشیمیایی CS2 به سولفات عمدتا از طریق اکسیداسیون توسط رادیکال •OH و H2O2 تولید شده از واکنش های نوترکیبی آن انجام می شود. علاوه بر این، مقادیر EA پایین (کمتر از 42 کیلوژول بر مول) در هر دو محدوده دمای پایین و بالا در این مطالعه نشان می دهد که فرآیندهای انتقال کنترل شده با انتشار واکنش کلی را دیکته می کنند. در طول حفره اولتراسونیک، تجزیه بخار آب موجود در حفره ها برای تولید رادیکال های H• و • OH در مرحله فشرده سازی قبلا به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. رادیکال •OH یک اکسید کننده شیمیایی قدرتمند و کارآمد در هر دو فاز گاز و مایع است و واکنش های آن با بسترهای معدنی و آلی اغلب نزدیک به سرعت کنترل شده انتشار است. سونولیز آب برای تولید H2O2 و گاز هیدروژن از طریق رادیکال های هیدروکسیل و اتم های هیدروژن به خوبی شناخته شده است و در حضور هر گاز، O2 یا گازهای خالص (به عنوان مثال، Ar) رخ می دهد. نتایج نشان می دهد که در دسترس بودن و نرخ نسبی انتشار رادیکال های آزاد (به عنوان مثال، •OH) در ناحیه واکنش بین سطحی، مرحله محدود کننده سرعت و ترتیب کلی واکنش را تعیین می کند. به طور کلی، تخریب اکسیداتیو تقویت شده سونوشیمیایی یک روش موثر برای حذف دی سولفید کربن است.
(Adewuyi و Appaw، 2002)

التراسونیک فنتون مانند تخریب رنگ

پساب های صنایعی که از رنگ در تولید خود استفاده می کنند، یک مشکل زیست محیطی است که برای اصلاح فاضلاب نیاز به فرآیندی کارآمد دارد. واکنش های اکسیداتیو فنتون به طور گسترده ای برای تصفیه پساب های رنگی استفاده می شود، در حالی که فرآیندهای بهبود یافته Sono-Fenton به دلیل افزایش کارایی و سازگاری با محیط زیست به طور فزاینده ای مورد توجه قرار می گیرند.

واکنش سونو فنتون برای تخریب رنگ راکتیو قرمز 120

تجزیه رنگ راکتیو قرمز 120 (RR-120) در آب های سنتتیک مورد مطالعه قرار گرفت. دو فرایند سونوفنتون همگن با سولفات آهن (II) و سونوفنتون ناهمگن با گوتیت سنتزی و گوتیت ته نشین شده بر روی ماسه سیلیس و کلسیت (به ترتیب کاتالیزورهای اصلاح شده GS (گوتیت ته نشین شده بر روی ماسه سیلیس) و GC (گوتیت ته نشین شده بر ماسه کلسیت) در نظر گرفته شد. در 60 دقیقه واکنش، فرآیند همگن سونوفنتون امکان تخریب 10/98 درصدی را فراهم کرد، در حالی که برای فرآیند ناهمگن سونوفنتون با گوتیت در pH 0/3 07/96 درصد بود. حذف RR-120 با استفاده از کاتالیزورهای اصلاح شده به جای گوتیت لخت افزایش یافت. اندازه گیری های اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD) و کربن آلی کل (TOC) نشان داد که بیشترین حذف TOC و COD با فرآیند همگن Sono-Fenton به دست آمد. اندازه گیری های بیوشیمیایی اکسیژن مورد نیاز (BOD) به این نتیجه رسید که بیشترین مقدار BOD/COD با فرآیند ناهمگن Sono-Fenton (0.04±088/0 با کاتالیزور اصلاح شده GC) به دست آمده است، که نشان می دهد تجزیه پذیری بیولوژیکی ترکیبات آلی باقیمانده به طور قابل توجهی بهبود یافته است.
(رجوع کنید به Garófalo-Villalta و همکاران 2020)
تصویر سمت چپ نشان می دهد ultrasonicator UP100H در آزمایش های تخریب رنگ قرمز از طریق واکنش سونو فنتون استفاده می شود. (مطالعه و تصویر: ©Garófalo-Villalta و همکاران، 2020.)

تخریب ناهمگن سونو فنتون رنگ آزو RO107

جعفرزاده و همکاران (1397) حذف موفقیت آمیز رنگ راکتیو نارنجی 107 (RO107) را از طریق فرآیند تجزیه شبه سونوفنتون با استفاده از نانوذرات مگنتیت (Fe3O4) (MNP) به عنوان کاتالیزور نشان دادند. در مطالعه خود، آنها از Hielscher UP400S ultrasonicator مجهز به سونوترود 7 میلی متر در 50٪ چرخه کار (1 ثانیه روشن / 1 ثانیه خاموش) برای تولید حفره صوتی به منظور به دست آوردن تشکیل رادیکال مورد نظر. نانوذرات مگنتیت به عنوان کاتالیزور شبه پراکسیداز عمل می کنند، بنابراین افزایش دوز کاتالیزور مکان های آهن فعال تری را فراهم می کند که به نوبه خود تجزیه H2O2 را تسریع می کند و منجر به تولید OH•واکنش می شود.
نتیجه: حذف کامل رنگ آزو در غلظت 8/0 گرم در لیتر MPNs، 5=pH، غلظت 10 میلی مولار H2O2، توان اولتراسونیک 300 وات بر لیتر و زمان واکنش 25 دقیقه به دست آمد. این سیستم واکنش مافوق صوت Sono-Fenton مانند نیز برای فاضلاب نساجی واقعی مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد که اکسیژن مورد نیاز شیمیایی (COD) از 2360 میلی گرم در لیتر به 5/489 میلی گرم در لیتر در طول زمان واکنش 180 دقیقه کاهش یافت. علاوه بر این، تجزیه و تحلیل هزینه نیز بر روی US/Fe3O4/H2O2 انجام شد. در نهایت، اولتراسونیک/Fe3O4/H2O2 کارایی بالایی در رنگ زدایی و تصفیه فاضلاب رنگی نشان داد.
افزایش توان اولتراسونیک منجر به افزایش واکنش پذیری و مساحت سطح نانوذرات مگنتیت شد که سرعت تبدیل 'Fe3+ به 'Fe2+' را تسهیل کرد. Fe2+ تولید شده یک واکنش H2O2 را به منظور تولید رادیکال های هیدروکسیل کاتالیز کرد. در نتیجه، افزایش قدرت اولتراسونیک نشان داده شد که عملکرد فرآیند US/MNPs/H2O2 را با تسریع سرعت رنگ زدایی در مدت کوتاهی از زمان تماس افزایش می دهد.
نویسندگان این مطالعه خاطرنشان می کنند که قدرت اولتراسونیک یکی از اساسی ترین عوامل موثر بر میزان تخریب رنگ RO107 در سیستم ناهمگن مانند فنتون است.
کسب اطلاعات بیشتر در مورد سنتز مگنتیت بسیار کارآمد با استفاده از فراصوت!
(رجوع کنید به جعفرزاده و همکاران، 1397)

تجزیه RO107 در ترکیبات مختلف در pH 5، دوز MNPs 0.8 گرم در لیتر، غلظت H2O2 10 میلی مولار، RO107 غلظت 50 میلی گرم در لیتر، قدرت اولتراسونیک 300 وات و زمان واکنش 30 دقیقه.
مطالعه و تصویر: ©جعفرزاده و همکاران، 1397.

سونوگرافی سنگین

Hielscher مافوق صوت طراحی، تولید و توزیع پردازنده های اولتراسونیک با کارایی بالا و راکتورها برای کاربردهای سنگین مانند فرآیندهای اکسیداتیو پیشرفته (AOP)، واکنش فنتون، و همچنین سایر واکنش های سونوشیمیایی، سونو عکس شیمیایی، و سونو الکترو شیمیایی. مافوق صوت، پروب مافوق صوت (sonotrodes)، سلول های جریان و راکتورها در هر اندازه در دسترس هستند – از تجهیزات test آزمایشگاهی جمع و جور گرفته تا راکتورهای سونوشیمیایی در مقیاس بزرگ. مافوق صوت Hielscher در دسترس کلاس های قدرت متعدد از آزمایشگاه و دستگاه های نیمکت بالا به سیستم های صنعتی قادر به پردازش چند تن در ساعت.

کنترل دامنه دقیق

دامنه یکی از مهم ترین پارامترهای فرآیند است که بر نتایج هر فرآیند اولتراسونیک تأثیر می گذارد. تنظیم دقیق دامنه اولتراسونیک اجازه می دهد تا برای کار اولتراسونیک Hielscher در دامنه های کم تا بسیار بالا و به تنظیم دقیق دامنه دقیقا به شرایط فرآیند مافوق صوت مورد نیاز از برنامه های کاربردی مانند پراکندگی، استخراج و سونوشیمی.
انتخاب اندازه سونوترود مناسب و با استفاده از اختیاری یک شاخ تقویت کننده برای و افزایش یا کاهش اضافی دامنه اجازه می دهد تا برای راه اندازی یک سیستم اولتراسونیک ایده آل برای یک برنامه خاص. با استفاده از یک پروب / sonotrode با یک سطح جلویی بزرگتر انرژی مافوق صوت بیش از یک منطقه بزرگ و دامنه پایین تر پراکنده, در حالی که یک sonotrode با سطح جلو کوچکتر می تواند دامنه بالاتر ایجاد ایجاد یک نقطه داغ حفره متمرکز.

Hielscher مافوق صوت تولید سیستم های اولتراسونیک با کارایی بالا از استحکام بسیار بالا و قادر به ارائه امواج اولتراسوند شدید در برنامه های کاربردی سنگین تحت شرایط خواستار. تمام پردازنده های اولتراسونیک برای ارائه قدرت کامل در عملکرد 24/7 ساخته شده اند. sonotrodes ویژه اجازه می دهد برای فرآیندهای فراصوت در محیط های با درجه حرارت بالا.

جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد: