סוניקציה משפרת את תגובות פנטון

תגובות סונו-פנטון משלבות את הכימיה של פנטון עם אולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי להגביר את היווצרות רדיקלי ההידרוקסיל, לשפר את העברת המסה ולהאיץ תהליכי פירוק חמצוני. למעבדות, מפעלי פיילוט ומשתמשים תעשייתיים, מכשירי האולטרסאונד של Hielscher מספקים דרך ניתנת לשליטה וניתנת להרחבה לשיפור תהליכי חמצון מתקדמים (AOPs) כגון טיפול בשפכים, פירוק צבענים, שיקום קרקע, טיפול מקדים בליגנין ופירוק כימי.

מהי תגובת סונו-פנטון?

בתגובת פנטון הקלאסית נעשה שימוש במי חמצן (H₂O₂) ובזרזי ברזל ליצירת רדיקלים הידרוקסיליים (•OH) בעלי תגובתיות גבוהה. רדיקלים אלה מחמצנים מזהמים אורגניים, צבענים, ממסים, פחמימנים, ליגנין ותרכובות עקשניות אחרות. כאשר מוסיפים אולטרסאונד עוצמתי, התהליך נקרא תגובת סונו-פנטון או תגובת פנטון אולטראסונית.

השימוש באולטרסאונד משפר את התגובה הכימית של פנטון בשתי דרכים המשלימות זו את זו:

• השפעה סונוכימית: קביטציה אקוסטית מעודדת פירוק מים באמצעות קול ויצירת רדיקלים נוספים.
• השפעה סונומכנית: מיקרו-סילונים הנוצרים על ידי קוויטציה וכוחות גזירה משפרים את הערבוב, פיזור הזרז, שטח הממשק והעברת המסה.

עבור חוקרים ומהנדסי תהליכים, היתרון המעשי הוא תהליך חמצון אינטנסיבי יותר, המסוגל לקצר את משך התגובה, לשפר את פירוק המזהמים, להגביר את ניצול הזרז, ולהקל על הגדלת היקף הטיפולים מסוג פנטון.

כיצד אולטרסאונד בעוצמה גבוהה משפר את תגובות פנטון

כאשר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מועבר לתוך נוזל, מתרחשת תופעת קוויטציה אקוסטית. חללים מיקרוסקופיים של אדים מתרחבים במהלך מחזורי לחץ לסירוגין וקורסים באלימות במהלך הדחיסה. קריסה זו יוצרת נקודות חמות מקומיות עם טמפרטורות ולחצים חולפים גבוהים מאוד. במערכות מימיות, קוויטציה עשויה לתרום להיווצרות של תרכובות תגובתיות כגון רדיקלים הידרוקסיליים ומי חמצן.

בתהליך מסוג פנטון (Fenton) או תהליך דמוי פנטון, התגובה הכימית המונעת על ידי קוויטציה פועלת בשילוב עם פירוק H₂O₂ המושרה על ידי ברזל. במקביל, הגזירה האולטראסונית משפרת את המגע בין חומרים מחמצנים, זרזים, חלקיקים מוצקים מרחפים ומזהמים מומסים. עובדה זו הופכת את האולטראסאונד לכלי בעל ערך רב במיוחד עבור:

• זרמי שפכים המכילים מזהמים אורגניים בעלי יכולת פירוק ביולוגי נמוכה;
• זרזים הטרוגניים כגון מגנטיט, גתיט, TiO₂ או תחמוצות ברזל;
• תערובות נוזליות, תמיסות קרקע, תמיסות ביומסה, ונוזלים המכילים זרזים;
• תהליכי חמצון מתקדמים אצווים ובתהליך רציף, הדורשים הגדלה אמינה של היקף הייצור.

היתרונות של כורים אולטראסוניים מסוג סונו-פנטון

• עוצמת חמצון גבוהה יותר: אולטרסאונד מגביר את היווצרות הרדיקלים ומשפר את קינטיקת הפירוק החמצוני.
• ניצול טוב יותר של הזרז: הקוויטציה מפזרת את הזרזים ומשפרת את המגע בין הנוזל למוצק.
• זמני תגובה קצרים יותר: הגברת ייצור הרדיקלים והערבוב יכולה לקצר את משך הטיפול.
• תכנון כור הניתן להרחבה: חברת Hielscher מציעה כורים אולטראסוניים במעבדה, בקנה מידה ניסיוני ובתעשייה, הכוללים בקרת משרעת עקבית.
• פעולה אצווה או פעולה משולבת: ניתן לפתח תהליכים בכוסות מעבדה או במיכלים אצוותיים ולהעבירם לכורים בעלי זרימה רציפה.
• ניטור תהליכים: מכשירים אולטראסוניים דיגיטליים של Hielscher מאפשרים שליטה על משרעת, צריכת החשמל, הטמפרטורה, הלחץ ומשך העיבוד.
• פעילות תעשייתית 24 שעות ביממה, 7 ימים בשבוע: מעבדי אולטרה-סאונד לתעשייה כבדה מיועדים לפעולה רציפה בעומס מלא.

מתי כדאי לשקול טיפול בשיטת סונו-פנטון?

הטיפול בשיטת סונו-פנטון מתאים במיוחד כאשר תהליך פנטון קונבנציונלי הוא איטי מדי, מגע הזרז מוגבל, המזהמים קשים לחמצון, או כאשר חומרים מוצקים מרחפים פוגעים ביעילות התהליך. הוא מועיל גם כאשר יש לפתח תהליך משלב היתכנות מעבדתית ועד לתפוקה תעשייתית, מבלי לשנות את הכימיה הבסיסית של החמצון.

פרמטרים חשובים בתהליך לייעול שיטת סונו-פנטון

יעילותה של תגובת סונו-פנטון תלויה בפרמטרים כימיים ובפרמטרים אולטראסוניים כאחד. במהלך בדיקות היתכנות, Hielscher מסייעת ללקוחות להעריך את טווח התפעול המתאים לשפכים, לתערובת הבלילה או לתערובת התגובה הספציפית.

• משרעת קולית: הפרמטר העיקרי הקובע את עוצמת הקוויטציה בסונוטרוד.
• צפיפות הספק וצריכת אנרגיה: לקבוע את עוצמת האולטרה-סאונד לנפח המטופל.
• ריכוז H₂O₂: משפיע על יצירת רדיקלים ועל הביקוש לחמצון שיורי.
• סוג ומינון של זרז הברזל: כולל Fe²⁺, אני³⁺, מגנטיט, גתיט, מערכות המשתמשות ב-TiO₂, או זרזים קבועים.
• pH וטמפרטורה: משפיעים על קינטיקת התגובה של פנטון, על מסיסות הזרז ועל מסלולי הרדיקלים.
• זמן מגורים: קובע את תהליך ההמרה במיכלי אצווה או בכורים זרימה מקוונים.
• לחץ: כורים אולטראסוניים הניתנים להפעלה בלחץ יכולים להגביר את תנאי הקוויטציה במהלך פעולה רציפה.

מחקרי מקרה: תגובות פנטון המוגברות באמצעות אולטרסאונד

ההשפעות החיוביות של אולטרסאונד עוצמתי על תגובות פנטון ותגובות דומות להן נחקרו בהקשר של פירוק כימי, טיהור, טיפול מקדים בביומסה וטיפול בשפכים תעשייתיים. הדוגמאות שלהלן ממחישות כיצד אולטרסאונד יכול לשפר את היווצרות הרדיקלים, קצב הפירוק ויעילות התהליך במערכות שונות.

תגובה סונו-קטליטית-פנטון לייצור מוגבר של רדיקלים הידרוקסיליים

Ninomiya et al. (2013) הוכיחו כי שילוב של טיפול באולטרסאונד, TiO₂, H₂O₂ וזרז ברזל שיפר באופן משמעותי את ייצור הרדיקלים ההידרוקסיליים. התהליך יושם לפירוק ליגנין כשלב של טיפול מקדים בביומסה ליגנו-תאית, כדי להקל על ההידרוליזה האנזימטית שבאה לאחר מכן.

מערך ניסיוני: חלקיקי TiO₂ (2 גרם/ליטר), H₂O₂ (100 מילימולר) ו-FeSO₄·7H₂O (1 מ"מ) הוספו לתמיסת הדגימה. התמיסה עברה טיפול באולטרסאונד במשך 180 דקות באמצעות ה- מעבד קולי מסדרת Hielscher UP200S / UP200St תוך שימוש בסונוטרוד מסוג "פרובה" בהספק קולי של 35 וואט. טמפרטורת הכלי הוחזקה על 25 מעלות צלזיוס.

תוצאה: בתגובה הסונו-קטליטית-פנטון הושגה ריכוז DHBA של 378 μM, לעומת 115 μM בתגובת פנטון ללא אולטרסאונד ו-TiO₂. פירוק הליגנין התגבר במהירות רבה יותר תחת טיפול סונו-קטליטי-פנטון, מה שמעיד על סינרגיה חזקה בין אולטרסאונד, זרז וכימיה של פנטון.

מיקרוגרפיות אלקטרוניות סורקות (SEM) של ביומסה מקנף: (א) ביקורת ללא טיפול, (ב) טיפול סונו-קטליטי, (ג) טיפול פנטון, ו-(ד) טיפול סונו-קטליטי-פנטון. משך הטיפול המקדים: 360 דקות. הסרגלים מייצגים 10 מיקרומטר.
(תמונה ומחקר: ©Ninomiya et al., 2013)

פירוק נפתלין באמצעות טיפול בקרקע בשיטה דמוית סונו-פנטון

Virkutyte et al. (2009) חקרו את פירוק הנפתלין בקרקע באמצעות שילוב של גלי קול ומי חמצן. יעילות הפירוק הגבוהה ביותר הושגה בריכוז גבוה של מי חמצן ובריכוז התחלתי נמוך של נפתלין. בהקרנת אולטרה-סאונד בעוצמות של 100, 200 ו-400 וואט, דווחו יעילות פירוק של 78%, 94% ו-97%, בהתאמה.

במחקר נעשה שימוש במכשירי אולטרה-סאונד של חברת Hielscher UP100H, UP200STו UP400ST. השיפור בפירוק יוחס לאפקט הסינרגטי של גלי קול ומי חמצן, לרבות היווצרות רדיקלים ואינטראקציה משופרת עם תחמוצות ברזל במטריצת הקרקע.

מיקרוגרף SEM–EDS של אדמה לפני ואחרי טיפול בהקרנת אולטרסאונד.
(תמונה ומחקר: ©Virkutyte et al., 2009)

חמצון סונוכימי של דיסולפיד פחמן

אדוווי ואפאו הדגימו חמצון סונוכימי של דיסולפיד פחמן (CS₂) בתמיסה מימית בתדר של 20 קילוהרץ ובטמפרטורה של 20 מעלות צלזיוס. הסרת ה-CS₂ גברה עם עליית עוצמת האולטרסאונד, תופעה שנקשרה לקוויטציה חזקה יותר ולהיווצרות מוגברת של רדיקלים. המחקר מצביע על כך שחמצון סונוכימי יכול להיות שיטה יעילה להסרת דיסולפיד פחמן מזרמי מים.

טיפול Sono-Fenton בשפכים מתעשיית הצבע והטקסטיל

קשה לטפל בשפכים המכילים צבענים מתעשיית הטקסטיל ותעשיות נלוות, שכן צבענים רבים ותוצרי לוואי של צבענים הם עמידים, צבעוניים ובעלי יכולת פירוק ביולוגי נמוכה. תהליכי חמצון מתקדמים מסוג פנטון (Fenton) ודומיהם נמצאים בשימוש נרחב לפירוק צבענים. אולטרסאונד יכול לשפר תהליכים אלה על ידי הגברת יצירת הרדיקלים, פיזור הזרז והעברת המסה.

פירוק צבען "ריאקטיב רד 120"

Garófalo-Villalta et al. (2020) חקרו את פירוק צבען Reactive Red 120 (RR-120) במים סינתטיים. השוו בין טיפול סונו-פנטון הומוגני עם סולפט ברזל (II) לבין טיפול סונו-פנטון הטרוגני עם זרזים מבוססי גתיט. תוך 60 דקות, התהליך ההומוגני השיג פירוק של 98.10% מהצבע, בעוד שהתהליך ההטרוגני עם גתיט השיג פירוק של 96.07% ב-pH 3.0.

המחקר מצא גם כי זרזים שעברו שינוי שיפרו את ביצועי הפירוק בהשוואה לגתיט רגיל. מדידות ה-COD, ה-TOC וה-BOD/COD הראו כי טיפול סונו-פנטון לא רק הסיר את הצבע מהתמיסה, אלא גם שיפר את יכולת הפירוק הביולוגי של התרכובות האורגניות שנותרו. בתמונה נראה ה- Hielscher UP100H ששימשו בניסויים.

השפלה הטרוגנית של סונו-פנטון של צבע אזו RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) הדגימו הסרה של צבע האזו Reactive Orange 107 (RO107) באמצעות תהליך דמוי סונו-פנטון עם מגנטיט (Fe₃O₄) חלקיקים ננומטריים כזרז. ה- מכשיר אולטראסוניק מסדרת Hielscher UP400S / UP400St שימש ליצירת קוויטציה אקוסטית, כשהוא מצויד בסונוטרוד בקוטר 7 מ"מ.

תוצאה: הסרה מוחלטת של צבעי אזו הושגה בריכוז של 0.8 גרם/ליטר של חלקיקי מגנטיט, pH 5, 10 מ"מ H₂O₂, הספק אולטראסוני של 300 וואט/ליטר, וזמן תגובה של 25 דקות. במי שפכים טקסטיל אמיתיים, ה-COD פחת מ-2360 מ"ג/ל' ל-489.5 מ"ג/ל' במשך 180 דקות. החוקרים זיהו את עוצמת הקול האולטראסונית כאחד הגורמים המהותיים המשפיעים על קצב הפירוק של RO107 במערכת הטרוגנית מסוג פנטון.

למידע נוסף על סינתזת מגנטיט יעילה במיוחד באמצעות סוניקציה!

פירוק RO107 ב-pH 5, 0.8 גרם/ליטר של חלקיקים מגנטיים ננומטריים (MNPs), 10 מ"מ H₂O₂, 50 מ"ג/ליטר RO107, הספק אולטראסוני של 300 וואט, וזמן תגובה של 30 דקות.
מחקר ותמונה: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

מכשירים אולטראסוניים של Hielscher לתהליכי סונו-פנטון ותהליכי חמצון מתקדמים

חברת Hielscher Ultrasonics מתכננת ומייצרת מעבדים וכורים אולטראסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומים סונוכימיים בתנאים קשים, לרבות תגובות פנטון, תגובות סונו-פנטון, תגובות סונו-פוטוכימיות ותהליכי חמצון מתקדמים אחרים. המערכות זמינות במגוון רחב, החל מציוד מעבדה קומפקטי וכלה בכורים אולטראסוניים תעשייתיים לייצור רציף ולזרמי טיפול.

בחירת ציוד אולטראסוני לתהליכי סונו-פנטון

הטבלה שלהלן מספקת אינדיקציה לגבי מכשירי האולטרסאונד של Hielscher המתאימים לנפחי אצווה ולקצבי זרימה אופייניים. הבחירה הסופית בציוד תלויה בהרכב הכימי של התהליך, ביעד ההמרה, בזמן השהייה, בתכולת המוצקים, בטמפרטורה, בלחץ ובצריכת האנרגיה הנדרשת.

כיצד לבצע בדיקת היתכנות בשיטת סונו-פנטון

כדי לספק המלצה אמינה על הציוד, חברת Hielscher בוחנת בדרך כלל את הרכב הכימי, המזהמים המיועדים לטיפול, נפח הטיפול, קצב הזרימה, מינון חומר החמצון, סוג הזרז, טווח ה-pH, מגבלות הטמפרטורה וההמרה הנדרשת. לניסויים במעבדה, נעשה בדרך כלל שימוש במכשיר אולטראסוניק מעבדה או שולחני עם בדיקה, כגון UP200Ht, UP400St או UIP1000hdT, כדי לקבוע את צריכת האנרגיה הנדרשת ואת טווח התהליך.

לצורך פעולה רציפה, חברת Hielscher יכולה להגדיר תאי זרימה קולייים וכורים מובנים עם זמן שהייה, לחץ, טמפרטורה והספק חשמלי מבוקרים. הדבר מאפשר השוואה ישירה של ביצועי הטיפול במגוון אמפליטודות וקצבי זרימה.

שאלות נפוצות על תגובות סונו-פנטון

מה ההבדל בין טיפול פנטון לטיפול סונו-פנטון?

בשיטת פנטון נעשה שימוש במי חמצן ובזרזי ברזל ליצירת רדיקלים הידרוקסיליים. בשיטת סונו-פנטון מתווסף אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. הקוויטציה האולטרסונית מגבירה את היווצרות הרדיקלים ומשפרת את הערבוב, את המגע עם הזרז ואת העברת המסה.

האם ניתן להשתמש בשיטת סונו-פנטון לטיפול בשפכים תעשייתיים?

כן. טיפול Sono-Fenton משמש בפיתוח תהליכים לטיפול בשפכים תעשייתיים, שפכים מתעשיית הצבע, שפכים פטרוכימיים, תרחיפים מזוהמים וזרמים אחרים המכילים תרכובות אורגניות עמידות. היתכנותו התעשייתית תלויה בעומס המזהמים, בדרישת החומר המחמצן, במערכת הזרזים, ביעד הטיפול ובמאזן האנרגיה.

האם אולטרסאונד יכול להפחית את צריכת הכימיקלים?

השימוש באולטרסאונד יכול לשפר את ניצול החומרים המחמצנים והזרזים על ידי הגברת היווצרות הרדיקלים והעברת המסה. יש לאמת את האפשרות להפחתת צריכת החומרים הכימיים בניסויים המבוצעים על מי שפכים או תערובת התגובה בפועל.

האם התהליך ניתן להרחבה?

כן. מכשירי האולטראסאונד של Hielscher מתוכננים לפיתוח תהליכים הניתנים להרחבה. ניתן ליישם את תוצאות הניסויים במעבדה במערכות פיילוט ותעשייתיות באמצעות בקרה על משרעת, צריכת האנרגיה, זמן השהייה, הטמפרטורה, הלחץ וגיאומטריית הכור.

איזה מעבד קולי מתאים לתהליך שלי?

הבחירה במעבד המתאים תלויה בנפח הדגימה, בקצב הזרימה, ביעד ההמרה, בתכולת המוצקים, בצמיגות, בטמפרטורת ההפעלה ובלחץ. חברת Hielscher מציעה מכשירי אולטראסוניקה למעבדות, מערכות פיילוט וכורים אולטראסוניים תעשייתיים לעיבוד רציף.

מהו תהליך הסונו-אוזונציה?

אוזונציה באמצעות אולטרסאונד היא תהליך חמצון מתקדם המשלב טיפול באוזון עם אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, כדי לייצר רדיקלים תגובתיים יותר ולשפר את העברת המסה בנוזלים. שילוב כוחות זה מאיץ את פירוקם של מזהמים אורגניים, צבענים, מיקרואורגניזמים ותרכובות עקשניות במים או בשפכים, בהשוואה לאוזונציה בלבד.

גלו את היתרונות של טיפול באוזון-קול!

ספרות / מקורות