Sonication javítja a Fenton reakciókat

A Sono-Fenton-reakciók a Fenton-kémiai folyamatokat nagy teljesítményű ultrahanggal kombinálják a hidroxilgyökök képződésének fokozása, az anyagátvitel javítása, valamint az oxidatív lebontási folyamatok felgyorsítása érdekében. Laboratóriumok, kísérleti üzemek és ipari felhasználók számára a Hielscher ultrahangos készülékei szabályozható és méretezhető megoldást nyújtanak a fejlett oxidációs folyamatok (AOP-k) javítására, mint például a szennyvíztisztítás, a festékek lebontása, a talajrehabilitáció, a lignin előkezelése és a kémiai bomlás.

Mi az a Sono–Fenton-reakció?

A klasszikus Fenton-reakcióban hidrogén-peroxidot (H₂O₂) és vas-katalizátorokat használnak a rendkívül reaktív hidroxil-gyökök (•OH) előállításához. Ezek a gyökök oxidálják a szerves szennyező anyagokat, színezékeket, oldószereket, szénhidrogéneket, lignint és egyéb nehezen lebomló vegyületeket. Ha ehhez nagy teljesítményű ultrahangot adunk, a folyamatot sono-Fenton-reakciónak vagy ultrahangos Fenton-reakciónak nevezzük.

Az ultrahangkezelés két egymást kiegészítő módon javítja a Fenton-reakciót:

• Szono-kémiai hatás: Az akusztikus kavitáció elősegíti a víz ultrahangos bomlását és további szabadgyökök képződését.
• Szonomechanikus hatás: A kavitációs mikrosugarak és a nyíróerő javítják az elegyedést, a katalizátor eloszlását, a felületi területet és a tömegátadást.

A kutatók és a folyamatmérnökök számára a gyakorlati előny egy intenzívebb oxidációs folyamat, amely lerövidítheti a reakcióidőt, javíthatja a szennyezőanyagok lebontását, növelheti a katalizátor kihasználtságát, és megkönnyítheti a Fenton-típusú kezelések méretarányos kiterjesztését.

Hogyan javítja a nagy teljesítményű ultrahang a Fenton-reakciókat

Amikor nagy teljesítményű ultrahangot vezetnek egy folyadékba, akusztikus kavitáció lép fel. A váltakozó nyomásciklusok során mikroszkopikus gőzüregek keletkeznek, amelyek a nyomás alatt hevesen összeomlanak. Ez az összeomlás helyi hőpontokat hoz létre, ahol átmeneti hőmérséklet és nyomás rendkívül magas. Vizes rendszerekben a kavitáció elősegítheti olyan reaktív vegyületek kialakulását, mint a hidroxilgyökök és a hidrogén-peroxid.

A Fenton- vagy Fenton-szerű folyamatokban ez a kavitáció által vezérelt kémiai folyamat a vas által katalizált H₂O₂ bomlással együtt hat. Ugyanakkor az ultrahangos nyíróerő javítja az érintkezést az oxidálószerek, a katalizátorok, a szuszpendált szilárd anyagok és az oldott szennyező anyagok között. Ezért az ultrahang különösen értékes a következő területeken:

• olyan szennyvízfolyások, amelyek biológiailag nehezen lebontható szerves szennyező anyagokat tartalmaznak;
• heterogén katalizátorok, például magnetit, goethit, TiO₂ vagy vas-oxidok;
• iszapok, talajszuszpenziók, biomassza-szuszpenziók és katalizátorral dúsított folyadékok;
• tömeges és folyamatos fejlett oxidációs eljárások, amelyek megbízható méretnövelést igényelnek.

Az ultrahangos Sono-Fenton reaktorok előnyei

• Magasabb oxidációs intenzitás: Az ultrahang fokozza a szabad gyökök képződését és javítja az oxidatív lebomlás kinetikáját.
• A katalizátor hatékonyabb kihasználása: A kavitáció eloszlatja a katalizátorokat és javítja a folyadék–szilárd anyag közötti érintkezést.
• Rövidebb reakcióidő: A fokozott szabadgyök-képződés és -keveredés csökkentheti a kezelési időt.
• Skálázható reaktortervezés: A Hielscher állandó amplitúdószabályozással rendelkező laboratóriumi, kísérleti és ipari ultrahangos reaktorokat kínál.
• Tömeges vagy soron belüli feldolgozás: A folyamatokat kémcsövekben vagy szakaszos tartályokban lehet kidolgozni, majd át lehet helyezni folyamatos áramlású reaktorokba.
• Folyamatfelügyelet: A Hielscher digitális ultrahangos készülékei lehetővé teszik az amplitúdó, a felvett teljesítmény, a hőmérséklet, a nyomás és a feldolgozási idő szabályozását.
• 24 órás ipari üzemeltetés: A nagy teljesítményű ultrahangos feldolgozókat folyamatos, teljes terhelésű működésre tervezték.

Mikor érdemes fontolóra venni a Sono-Fenton-kezelést?

A Sono-Fenton-kezelés akkor a legalkalmasabb, ha a hagyományos Fenton-eljárás túl lassú, a katalizátorral való érintkezés korlátozott, a szennyező anyagok nehezen oxidálhatók, vagy a szuszpendált szilárd anyagok csökkentik a folyamat hatékonyságát. Hasznos továbbá akkor is, ha egy eljárást a laboratóriumi megvalósíthatósági szakaszból ipari méretű termelésre kell fejleszteni anélkül, hogy az alapvető oxidációs kémiai folyamatot megváltoztatnánk.

A Sono-Fenton-eljárás optimalizálásának fontos folyamatparaméterei

A sono-Fenton-reakció hatékonysága mind a kémiai, mind az ultrahangos paraméterektől függ. A megvalósíthatósági vizsgálatok során a Hielscher segít az ügyfeleknek az adott szennyvíz, iszap vagy reakcióelegy esetében a megfelelő működési tartomány meghatározásában.

• Ultrahangos amplitúdó: a kavitáció intenzitását a szonotróda területén meghatározó fő paraméter.
• Teljesítménysűrűség és energiafelvétel: meghatározza a kezelt térfogat egységére jutó szonokémiai intenzitást.
• H₂O₂-koncentráció: befolyásolja a szabad gyökök képződését és a maradék oxidálószer-igényt.
• A vas-katalizátor típusa és adagolása: Fe-t tartalmaz²⁺, Ő³⁺, magnetit, goethit, TiO₂-alapú rendszerek vagy rögzített katalizátorok.
• pH-érték és hőmérséklet: befolyásolják a Fenton-reakció kinetikáját, a katalizátor oldhatóságát és a gyökös reakcióútvonalakat.
• Tartózkodási idő: meghatározza az átalakulást a kötegelt tartályokban vagy a folyamatos áramlású reaktorokban.
• Nyomás: A nyomás alá helyezhető ultrahangos reaktorok folyamatos üzemmódban fokozhatják a kavitációs folyamatokat.

Esettanulmányok: ultrahanggal fokozott Fenton-reakciók

A nagy teljesítményű ultrahang Fenton- és Fenton-szerű reakciókra gyakorolt kedvező hatásait kémiai lebontás, szennyeződésmentesítés, biomassza előkezelés és ipari szennyvíztisztítás céljából vizsgálták. Az alábbi példák bemutatják, hogy az ultrahang hogyan javíthatja a gyökök képződését, a lebomlási sebességet és a folyamat hatékonyságát különböző rendszerekben.

Szono-katalitikus–Fenton-reakció a hidroxilgyökök fokozott képződéséhez

Ninomiya és munkatársai (2013) kimutatták, hogy az ultrahangkezelés, a TiO₂, a H₂O₂ és a vas-katalizátor kombinálása jelentősen fokozta a hidroxilgyökök képződését. A folyamatot a lignin lebontására alkalmazták a lignocellulóz-tartalmú biomassza előkezelési lépéseként, elősegítve az azt követő enzimatikus hidrolízist.

Kísérleti beállítás: TiO₂-részecskék (2 g/l), H₂O₂ (100 mM) és FeSO₄·7H₂O (1 mM) oldatot adtunk a mintaszuszpenzióhoz. A szuszpenziót 180 percig ultrahanggal kezeltük a Hielscher UP200S / UP200St típusú ultrahangos feldolgozó 35 W-os ultrahangteljesítményű szondás szonotród használatával. Az edény hőmérsékletét 25 °C-on tartották.

Eredmény: A szonokatalitikus–Fenton-reakció során a DHBA-koncentráció 378 μM-re emelkedett, szemben az ultrahang és TiO₂ nélkül végzett Fenton-reakció 115 μM-es értékével. A lignin lebomlása a szonokatalitikus–Fenton-kezelés mellett gyorsabban nőtt, ami az ultrahang, a katalizátor és a Fenton-kémia közötti erős szinergiára utal.

A kenaf-biomassza pásztázó elektronmikroszkópos felvételei (SEM): (A) kezeletlen kontroll, (B) szonokatalitikus kezelés, (C) Fenton-kezelés és (D) szonokatalitikus–Fenton-kezelés. Előkezelési idő: 360 perc. A skála 10 μm-t jelöl.
(Kép és tanulmány: ©Ninomiya et al., 2013)

A naftalin lebontása Sono-Fenton-szerű talajkezeléssel

Virkutyte és munkatársai (2009) ultrahang és hidrogén-peroxid kombinált alkalmazásával vizsgálták a naftalin talajban történő lebomlását. A legnagyobb lebomlási hatékonyságot magas hidrogén-peroxid-koncentráció és alacsony kiindulási naftalin-koncentráció mellett érték el. 100, 200 és 400 W-os ultrahangos besugárzás mellett 78%, 94% és 97% lebomlási hatékonyságról számoltak be.

A vizsgálat során Hielscher ultrahangos készülékeket használtak UP100H, UP200Stés UP400ST. A fokozott lebomlást az ultrahang és a hidrogén-peroxid szinergikus hatásának tulajdonították, amely magában foglalja a szabad gyökök képződését és a talajmátrixban található vas-oxidokkal való fokozott kölcsönhatást.

SEM–EDS mikroszkópos felvétel a talajról ultrahangos besugárzás előtt és után.
(Kép és tanulmány: ©Virkutyte et al., 2009)

A szén-diszulfid szonokémiai oxidációja

Adewuyi és Appaw bemutatták a szén-diszulfid (CS₂) szonokémiai oxidációját vizes oldatban 20 kHz-es frekvencián és 20 °C-on. A CS₂ eltávolítás mértéke az ultrahang intenzitásának növekedésével nőtt, ami az erősebb kavitációval és a fokozottabb szabadgyök-képződéssel állt összefüggésben. A tanulmány arra utal, hogy a szonokémiai oxidáció hatékony módszer lehet a szén-diszulfid eltávolítására vizes folyadékokból.

Sono-Fenton-kezelés festék- és textilipari szennyvízhez

A textiliparban és a kapcsolódó iparágakban keletkező, festéket tartalmazó szennyvíz kezelése nehézségekbe ütközhet, mivel számos festék és festék-melléktermék nehezen lebomló, színes és biológiailag nehezen lebontható. A festékek lebontására széles körben alkalmazzák a Fenton- és a Fenton-szerű fejlett oxidációs eljárásokat. Az ultrahang javíthatja ezeket a folyamatokat a gyökök képződésének, a katalizátor diszperziójának és a tömegátvitelnek a fokozásával.

A Reactive Red 120 festék lebomlása

Garófalo-Villalta és munkatársai (2020) a Reactive Red 120 (RR-120) festék lebomlását vizsgálták szintetikus vízben. Összehasonlították a vas(II)-szulfáttal végzett homogén sono-Fenton-kezelést és a goethit-alapú katalizátorokkal végzett heterogén sono-Fenton-kezelést. 60 perc alatt a homogén eljárás 98,10%-os festéklebontást ért el, míg a goethit-alapú heterogén eljárás pH 3,0-nál 96,07%-os lebontást ért el.

A tanulmány azt is megállapította, hogy a módosított katalizátorok javították a lebomlási teljesítményt a sima goethithez képest. A COD-, TOC- és BOD/COD-mérések azt mutatták, hogy a sono-Fenton-kezelés nemcsak elszíneződött az oldat, hanem javította a maradék szerves vegyületek biológiai lebonthatóságát is. A képen látható a Hielscher UP100h a kísérletekben használt.

RO107 azofesték heterogén Sono-Fenton lebomlása

Jaafarzadeh és munkatársai (2018) bemutatták a Reactive Orange 107 (RO107) azofesték eltávolítását egy magnetitot (Fe₃O₄) alkalmazó, sono-Fenton-szerű eljárás segítségével₄) nanorészecskék katalizátorként. A Hielscher UP400S / UP400St típusú ultrahangos készülék az akusztikus kavitáció előidézéséhez egy 7 mm-es szonotródot használtak.

Eredmény: Az azo-festékek teljes eltávolítását 0,8 g/l magnetit-nanorészecskék, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/l ultrahangteljesítmény és 25 perces reakcióidő mellett sikerült elérni. Valódi textilipari szennyvízben a COD 180 perc alatt 2360 mg/l-ről 489,5 mg/l-re csökkent. A szerzők az ultrahangteljesítményt azonosították az egyik legfontosabb tényezőként, amely befolyásolja az RO107 lebomlási sebességét a heterogén Fenton-szerű rendszerben.

Tudjon meg többet a rendkívül hatékony magnetit szintézisről szonikálással!

RO107 lebontása pH 5-ös érték mellett, 0,8 g/l MNP-koncentráció mellett, 10 mM H₂O₂-val, 50 mg/l RO107-tel, 300 W-os ultrahangteljesítménnyel és 30 perces reakcióidővel.
Tanulmány és kép: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Hielscher ultrahangos készülékek Sono-Fenton- és fejlett oxidációs eljárásokhoz

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos feldolgozókat és reaktorokat tervez és gyárt nagy terhelésű szonokémiai alkalmazásokhoz, ideértve a Fenton-reakciókat, a szono-Fenton-reakciókat, a szono-fotokémiai reakciókat és egyéb fejlett oxidációs folyamatokat. A rendszerek a kompakt laboratóriumi berendezésektől az ipari ultrahangos reaktorokig terjednek, amelyek folyamatos gyártási és feldolgozási folyamatokhoz alkalmasak.

Ultrahangos berendezések kiválasztása Sono-Fenton-eljárásokhoz

Az alábbi táblázat áttekintést nyújt a tipikus tételmennyiségekhez és áramlási sebességekhez alkalmas Hielscher ultrahangos készülékekről. A végleges berendezésválasztás a folyamat kémiai jellemzőitől, a kívánt átalakulási aránytól, a tartózkodási időtől, a szilárdanyag-tartalomtól, a hőmérséklettől, a nyomástól és a szükséges energiafelvételtől függ.

Hogyan kezdjük el a Sono-Fenton-módszer megvalósíthatósági vizsgálatát

A megbízható berendezésajánlás érdekében a Hielscher általában figyelembe veszi a kémiai összetételt, a célszennyező anyagokat, a kezelendő mennyiséget, az áramlási sebességet, az oxidálószer adagolását, a katalizátor típusát, a pH-tartományt, a hőmérsékleti határértékeket és a szükséges átalakulási arányt. Laboratóriumi kísérletekhez általában laboratóriumi vagy asztali szondás ultrahangos készüléket, például az UP200Ht, UP400St vagy UIP1000hdT modelleket használnak a szükséges energiafelvétel és a folyamatablak meghatározásához.

Folyamatos üzemeltetéshez a Hielscher olyan ultrahangos áramlási cellákat és beépített reaktorokat tud konfigurálni, amelyeknél a tartózkodási idő, a nyomás, a hőmérséklet és a felvett teljesítmény szabályozható. Ez lehetővé teszi a kezelési teljesítmény közvetlen összehasonlítását különböző amplitúdók és áramlási sebességek mellett.

Gyakran feltett kérdések a Sono–Fenton-reakciókról

Mi a különbség a Fenton- és a sono-Fenton-eljárás között?

A Fenton-eljárás hidrogén-peroxidot és vas-katalizátorokat használ hidroxilgyökök előállításához. A Sono-Fenton-eljárás ezt kiegészíti nagy teljesítményű ultrahanggal. Az ultrahangos kavitáció fokozza a gyökök képződését, valamint javítja az elegyedést, a katalizátorral való érintkezést és a tömegátadást.

Alkalmazható-e a sono-Fenton-kezelés ipari szennyvíz esetében?

Igen. A Sono-Fenton-kezelést ipari szennyvíz, festékipari szennyvíz, petrolkémiai szennyvíz, szennyezett iszapok, valamint egyéb, nehezen lebomló szerves vegyületeket tartalmazó folyadékáramok feldolgozási folyamatainak kidolgozásához alkalmazzák. Az ipari megvalósíthatóság a szennyezőanyag-terheléstől, az oxidálószer-igénytől, a katalizátorrendszertől, a kezelési célkitűzéstől és az energiamérlegtől függ.

Csökkentheti-e az ultrahang a vegyszerfelhasználást?

Az ultrahang fokozhatja a gyökök képződését és a tömegátvitelt, ezáltal javítva az oxidálószerek és a katalizátorok kihasználtságát. Az, hogy ezzel csökkenthető-e a vegyszerfelhasználás, csak a tényleges szennyvízzel vagy reakcióeleggyel végzett kísérletek során igazolható.

A folyamat skálázható?

Igen. A Hielscher ultrahangos készülékei a méretezhető folyamatfejlesztésre lettek tervezve. A laboratóriumi vizsgálatok eredményei átvihetők kísérleti és ipari rendszerekre az amplitúdó, az energiafelvétel, a tartózkodási idő, a hőmérséklet, a nyomás és a reaktor geometriájának szabályozásával.

Melyik ultrahangos feldolgozó alkalmas az én eljárásomhoz?

A megfelelő berendezés kiválasztása a mintamennyiségtől, az áramlási sebességtől, a kívánt átalakulási aránytól, a szilárdanyag-tartalomtól, a viszkozitástól, az üzemi hőmérséklettől és a nyomástól függ. A Hielscher laboratóriumi ultrahangos berendezéseket, kísérleti rendszereket és ipari ultrahangos reaktorokat kínál folyamatos feldolgozáshoz.

Mi az a szono-ozonizálás?

A szono-ozonizálás egy fejlett oxidációs eljárás, amely az ózonkezelést nagy teljesítményű ultrahanggal ötvözi, hogy így több reaktív szabad gyököt hozzon létre és javítsa a folyadékokban a tömegátadást. Ez a szinergia felgyorsítja a szerves szennyező anyagok, színezékek, mikroorganizmusok és nehezen lebomló vegyületek lebomlását a vízben vagy a szennyvízben, szemben a puszta ózonkezeléssel.

Fedezze fel a szono-ozonizálás előnyeit!

Irodalom / Hivatkozások