La sonication améliore les réactions de Fenton

Les réactions sono-Fenton combinent la chimie de Fenton et les ultrasons de haute puissance afin d’intensifier la formation de radicaux hydroxyles, d’améliorer le transfert de masse et d’accélérer les processus de dégradation oxydative. Pour les laboratoires, les installations pilotes et les utilisateurs industriels, les ultrasonicateurs Hielscher offrent un moyen contrôlable et évolutif d’améliorer les procédés d’oxydation avancée (POA) tels que le traitement des eaux usées, la dégradation des colorants, la remédiation des sols, le prétraitement de la lignine et la décomposition chimique.

Qu’est-ce qu’une réaction sono-Fenton ?

La réaction de Fenton classique utilise du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) et des catalyseurs à base de fer pour générer des radicaux hydroxyles (•OH) hautement réactifs. Ces radicaux oxydent les polluants organiques, les colorants, les solvants, les hydrocarbures, la lignine et d’autres composés récalcitrants. Lorsque des ultrasons de puissance sont ajoutés, le procédé est appelé réaction sono-Fenton ou réaction de Fenton ultrasonique.

L’ultrasonication améliore la chimie de Fenton de deux manières complémentaires :

• Effet sonochimique : la cavitation acoustique favorise la sonolyse de l’eau et une formation supplémentaire de radicaux.
• Effet sonomécanique : les microjets de cavitation et le cisaillement améliorent le mélange, la dispersion du catalyseur, la surface interfaciale et le transfert de masse.

Pour les chercheurs et les ingénieurs procédés, l’avantage pratique est un procédé d’oxydation plus intensif, capable de réduire le temps de réaction, d’améliorer la dégradation des polluants, d’optimiser l’utilisation du catalyseur et de faciliter la mise à l’échelle des traitements de type Fenton.

Comment les ultrasons de puissance améliorent les réactions de Fenton

Lorsque des ultrasons de haute puissance sont couplés dans un liquide, une cavitation acoustique se produit. Des cavités de vapeur microscopiques croissent au cours des cycles de pression alternés et implosent violemment lors de la compression. Cette implosion crée des points chauds localisés présentant des températures et des pressions transitoires très élevées. Dans les systèmes aqueux, la cavitation peut favoriser la formation d’espèces réactives telles que les radicaux hydroxyles et le peroxyde d’hydrogène.

Dans un procédé de Fenton ou de type Fenton, cette chimie induite par la cavitation agit de concert avec la décomposition du H₂O₂ catalysée par le fer. Dans le même temps, le cisaillement ultrasonique améliore le contact entre les oxydants, les catalyseurs, les solides en suspension et les contaminants dissous. Les ultrasons sont donc particulièrement utiles pour :

• les flux d’eaux usées contenant des contaminants organiques peu biodégradables ;
• les catalyseurs hétérogènes tels que la magnétite, la goethite, le TiO₂ ou les oxydes de fer ;
• les boues, les suspensions de sol, les suspensions de biomasse et les liquides chargés en catalyseur ;
• les procédés d’oxydation avancée par lots et en ligne nécessitant une mise à l’échelle fiable.

Avantages des réacteurs sono-Fenton à ultrasons

• Intensité d’oxydation accrue : les ultrasons augmentent la formation de radicaux et améliorent la cinétique de dégradation oxydative.
• Meilleure utilisation du catalyseur : la cavitation disperse les catalyseurs et améliore le contact liquide-solide.
• Temps de réaction plus courts : l’intensification de la génération de radicaux et du mélange peut réduire la durée du traitement.
• Conception de réacteur évolutive : Hielscher propose des réacteurs à ultrasons de laboratoire, pilotes et industriels avec un contrôle constant de l’amplitude.
• Fonctionnement par lots ou en ligne : les procédés peuvent être développés dans des béchers ou des cuves de traitement par lots, puis transférés vers des réacteurs à flux continu.
• Surveillance du procédé : les ultrasonicateurs numériques Hielscher permettent de contrôler l’amplitude, la puissance appliquée, la température, la pression et la durée de traitement.
• Fonctionnement industriel 24/7 : les processeurs à ultrasons robustes sont conçus pour un fonctionnement continu à pleine charge.

Quand envisager un traitement sono-Fenton ?

Le traitement sono-Fenton est particulièrement pertinent lorsqu’un procédé de Fenton conventionnel est trop lent, que le contact avec le catalyseur est limité, que les contaminants sont difficiles à oxyder ou que les solides en suspension réduisent l’efficacité du procédé. Il est également utile lorsqu’un procédé doit être développé depuis la faisabilité en laboratoire jusqu’à une capacité de traitement industrielle sans modifier la chimie d’oxydation de base.

Paramètres de procédé importants pour l’optimisation sono-Fenton

L’efficacité d’une réaction sono-Fenton dépend à la fois de paramètres chimiques et de paramètres ultrasoniques. Lors des essais de faisabilité, Hielscher aide ses clients à évaluer la fenêtre de fonctionnement pertinente pour les eaux usées, la boue ou le mélange réactionnel spécifique.

• Amplitude ultrasonique : le principal paramètre contrôlant l’intensité de la cavitation au niveau de la sonotrode.
• Densité de puissance et apport d’énergie : déterminent l’intensité sonochimique par volume traité.
• Concentration en H₂O₂ : influe sur la génération de radicaux et sur la demande résiduelle en oxydant.
• Type et dosage du catalyseur à base de fer : comprend Fe²⁺, Fe³⁺, la magnétite, la goethite, les systèmes assistés par TiO₂ ou les catalyseurs immobilisés.
• pH et température : influencent la cinétique de la réaction de Fenton, la solubilité du catalyseur et les voies radicalaires.
• Temps de séjour : détermine la conversion dans les cuves de traitement par lots ou dans les réacteurs à circulation en ligne.
• Pression : les réacteurs à ultrasons pressurisables peuvent intensifier les conditions de cavitation en fonctionnement continu.

Études de cas : réactions de Fenton améliorées par ultrasons

Les effets positifs des ultrasons de puissance sur les réactions de Fenton et de type Fenton ont été étudiés pour la dégradation chimique, la décontamination, le prétraitement de la biomasse et le traitement des eaux usées industrielles. Les exemples ci-dessous montrent comment les ultrasons peuvent améliorer la formation de radicaux, la vitesse de dégradation et l’efficacité du procédé dans différents systèmes.

Réaction sonocatalytique–Fenton pour une génération accrue de radicaux hydroxyles

Ninomiya et al. (2013) ont démontré que la combinaison de l’ultrasonication, du TiO₂, du H₂O₂ et d’un catalyseur à base de fer augmentait significativement la génération de radicaux hydroxyles. Le procédé a été appliqué à la dégradation de la lignine comme étape de prétraitement de la biomasse lignocellulosique, favorisant l’hydrolyse enzymatique ultérieure.

Dispositif expérimental : Des particules de TiO₂ (2 g/L), du H₂O₂ (100 mM) et du FeSO₄·7H₂O (1 mM) ont été ajoutés à la suspension d’échantillon. La suspension a été soniquée pendant 180 min avec le processeur à ultrasons Hielscher de classe UP200S / UP200St à l’aide d’une sonotrode de type sonde à une puissance ultrasonore de 35 W. La température du récipient était régulée à 25 °C.

Résultat : La réaction sonocatalytique–Fenton a atteint une concentration en DHBA de 378 μM, contre 115 μM pour la réaction de Fenton sans ultrasons ni TiO₂. La dégradation de la lignine a progressé plus rapidement sous traitement sonocatalytique–Fenton, ce qui indique une forte synergie entre les ultrasons, le catalyseur et la chimie de Fenton.

Micrographies électroniques à balayage (MEB) de biomasse de kénaf : (A) témoin non traité, (B) traitement sonocatalytique, (C) traitement de Fenton et (D) traitement sonocatalytique–Fenton. Durée du prétraitement : 360 min. Les barres représentent 10 μm.
(Image et étude : ©Ninomiya et al., 2013)

Dégradation du naphtalène par traitement des sols de type sono-Fenton

Virkutyte et al. (2009) ont étudié la dégradation du naphtalène dans le sol en combinant ultrasons et peroxyde d’hydrogène. La plus grande efficacité de dégradation a été obtenue avec une concentration élevée en peroxyde d’hydrogène et une faible concentration initiale en naphtalène. Avec une irradiation ultrasonique de 100, 200 et 400 W, des efficacités de dégradation de 78%, 94% et 97% ont été rapportées, respectivement.

L’étude a utilisé les ultrasonicateurs Hielscher UP100H, UP200St, ainsi que UP400St. L’amélioration de la dégradation a été attribuée à l’effet synergique des ultrasons et du peroxyde d’hydrogène, notamment la formation de radicaux et une meilleure interaction avec les oxydes de fer présents dans la matrice du sol.

Micrographie MEB–EDS du sol avant et après traitement par irradiation ultrasonique.
(Image et étude : ©Virkutyte et al., 2009)

Oxydation sonochimique du disulfure de carbone

Adewuyi et Appaw ont démontré l’oxydation sonochimique du disulfure de carbone (CS₂) en solution aqueuse à 20 kHz et 20°C. L’élimination du CS₂ augmentait avec l’intensité ultrasonique, ce qui a été associé à une cavitation plus forte et à une formation accrue de radicaux. L’étude indique que l’oxydation sonochimique peut être une méthode efficace pour éliminer le disulfure de carbone des flux aqueux.

Traitement sono-Fenton des eaux usées de teinture et de l’industrie textile

Les effluents contenant des colorants issus de l’industrie textile et des industries apparentées peuvent être difficiles à traiter, car de nombreux colorants et sous-produits de colorants sont récalcitrants, colorés et peu biodégradables. Les procédés d’oxydation avancée de Fenton et de type Fenton sont largement utilisés pour la dégradation des colorants. Les ultrasons peuvent améliorer ces procédés en renforçant la génération de radicaux, la dispersion du catalyseur et le transfert de masse.

Dégradation du colorant Reactive Red 120

Garófalo-Villalta et al. (2020) ont étudié la dégradation du colorant Reactive Red 120 (RR-120) dans de l’eau synthétique. Un traitement sono-Fenton homogène au sulfate de fer(II) et un traitement sono-Fenton hétérogène avec des catalyseurs à base de goethite ont été comparés. En 60 min, le procédé homogène a atteint une dégradation du colorant de 98,10%, tandis que le procédé hétérogène à la goethite a atteint une dégradation de 96,07% à pH 3,0.

L’étude a également montré que les catalyseurs modifiés amélioraient les performances de dégradation par rapport à la goethite seule. Les mesures de DCO, de COT et du rapport DBO/DCO ont montré que le traitement sono-Fenton ne se contentait pas de décolorer la solution, mais améliorait aussi la biodégradabilité des composés organiques résiduels. L’image montre le Hielscher UP100H utilisé lors des expériences.

Dégradation sono-Fenton hétérogène du colorant azoïque RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) ont démontré l’élimination du colorant azoïque Reactive Orange 107 (RO107) au moyen d’un procédé de type sono-Fenton utilisant des nanoparticules de magnétite (Fe₃O₄) comme catalyseur. L’ ultrasonicateur Hielscher de classe UP400S / UP400St équipé d’une sonotrode de 7 mm a été utilisé pour générer la cavitation acoustique.

Résultat : L’élimination complète du colorant azoïque a été obtenue avec 0,8 g/L de nanoparticules de magnétite, à pH 5, avec 10 mM de H₂O₂, une puissance ultrasonore de 300 W/L et un temps de réaction de 25 min. Dans des eaux usées textiles réelles, la DCO a été réduite de 2360 mg/L à 489,5 mg/L en 180 min. Les auteurs ont identifié la puissance ultrasonore comme l’un des facteurs essentiels influençant la vitesse de dégradation du RO107 dans le système hétérogène de type Fenton.

En savoir plus sur la synthèse hautement efficace de magnétite par sonication !

Dégradation du RO107 à pH 5, avec 0,8 g/L de MNPs, 10 mM de H₂O₂, 50 mg/L de RO107, une puissance ultrasonore de 300 W et un temps de réaction de 30 min.
Étude et image : ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Ultrasonicateurs Hielscher pour les procédés sono-Fenton et d’oxydation avancée

Hielscher Ultrasonics conçoit et fabrique des processeurs et des réacteurs à ultrasons haute performance pour des applications sonochimiques exigeantes, notamment les réactions de Fenton, les réactions sono-Fenton, les réactions sono-photochimiques et d’autres procédés d’oxydation avancée. Les systèmes disponibles vont de l’équipement de laboratoire compact aux réacteurs à ultrasons industriels pour la production continue et les flux de traitement.

Choix de l’équipement à ultrasons pour les procédés sono-Fenton

Le tableau ci-dessous donne une indication des ultrasonicateurs Hielscher adaptés aux volumes de lots et aux débits typiques. Le choix final de l’équipement dépend de la chimie du procédé, de la conversion visée, du temps de séjour, de la teneur en solides, de la température, de la pression et de l’apport d’énergie requis.

Comment lancer un essai de faisabilité sono-Fenton

Pour une recommandation d’équipement fiable, Hielscher examine généralement la chimie, les contaminants ciblés, le volume à traiter, le débit, le dosage de l’oxydant, le type de catalyseur, la plage de pH, les limites de température et la conversion requise. Pour les essais en laboratoire, un ultrasonicateur à sonde de laboratoire ou de paillasse tel que l’UP200Ht, l’UP400St ou l’UIP1000hdT est couramment utilisé pour déterminer l’apport d’énergie requis et la fenêtre de procédé.

Pour un fonctionnement continu, Hielscher peut configurer des cellules à circulation ultrasoniques et des réacteurs en ligne avec un temps de séjour, une pression, une température et une puissance appliquée contrôlés. Cela permet de comparer directement les performances de traitement à différentes amplitudes et à différents débits.

Questions fréquentes sur les réactions sono-Fenton

Quelle est la différence entre le traitement de Fenton et le traitement sono-Fenton ?

Le traitement de Fenton utilise du peroxyde d’hydrogène et des catalyseurs à base de fer pour générer des radicaux hydroxyles. Le traitement sono-Fenton y ajoute des ultrasons de puissance. La cavitation ultrasonique augmente la formation de radicaux et améliore le mélange, le contact avec le catalyseur et le transfert de masse.

Le traitement sono-Fenton peut-il être utilisé pour les eaux usées industrielles ?

Oui. Le traitement sono-Fenton est utilisé dans le développement de procédés pour les eaux usées industrielles, les effluents de teinture, les eaux usées pétrochimiques, les boues contaminées et d’autres flux contenant des composés organiques récalcitrants. La faisabilité industrielle dépend de la charge en contaminants, de la demande en oxydant, du système catalytique, de l’objectif de traitement et du bilan énergétique.

Les ultrasons peuvent-ils réduire la consommation de produits chimiques ?

Les ultrasons peuvent améliorer l’utilisation des oxydants et des catalyseurs en intensifiant la formation de radicaux et le transfert de masse. La possibilité de réduire la consommation de produits chimiques doit être confirmée par des essais avec les eaux usées ou le mélange réactionnel réels.

Le procédé est-il évolutif ?

Oui. Les ultrasonicateurs Hielscher sont conçus pour un développement de procédés évolutif. Les résultats des essais en laboratoire peuvent être transférés à des systèmes pilotes et industriels en contrôlant l’amplitude, l’apport d’énergie, le temps de séjour, la température, la pression et la géométrie du réacteur.

Quel processeur à ultrasons convient à mon procédé ?

Le processeur adapté dépend du volume d’échantillon, du débit, de la conversion visée, de la teneur en solides, de la viscosité, de la température de fonctionnement et de la pression. Hielscher propose des ultrasonicateurs de laboratoire, des systèmes pilotes et des réacteurs à ultrasons industriels pour le traitement continu.

Qu’est-ce que le procédé de sono-ozonation ?

La sono-ozonation est un procédé d’oxydation avancée qui combine le traitement à l’ozone et les ultrasons de haute puissance afin de générer des radicaux plus réactifs et d’améliorer le transfert de masse dans les liquides. Cette synergie accélère la dégradation des polluants organiques, des colorants, des microbes et des composés récalcitrants dans l’eau ou les eaux usées par rapport à l’ozonation seule.

Découvrez les avantages de la sono-ozonation !

Bibliographie / Références

• 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.