Sonication javítja a Fenton reakciókat

A Fenton-reakciók szabad gyökök, például hidroxil •OH gyök és hidrogén-peroxid (H₂O₂). A Fenton reakció jelentősen fokozható, ha ultrahanggal kombinálják. A Fenton reakció egyszerű, de rendkívül hatékony kombinációja a teljesítmény ultrahanggal kimutatták, hogy drasztikusan javítja a kívánt radikális képződést, és ezáltal fokozza a folyamatokat.

Hogyan javítja a teljesítmény ultrahang a Fenton reakciókat?

Amikor a nagy teljesítményű / nagy teljesítményű ultrahangos kezelés folyadékokhoz, például vízhez kapcsolódik, megfigyelhető az akusztikus kavitáció jelensége. A kavitációs forró pontban apró vákuumbuborékok keletkeznek, és több nagynyomású / alacsony nyomású ciklus alatt nőnek, amelyeket a teljesítmény ultrahanghullámok okoznak. Abban a pontban, amikor a vákuumbuborék nem képes több energiát elnyelni, az üreg hevesen összeomlik egy nagynyomású (kompressziós) ciklus alatt. Ez a buborék implózió rendkívül szélsőséges körülményeket teremt, ahol akár 5000 K hőmérséklet, akár 100 MPa nyomás, valamint nagyon magas hőmérséklet- és nyomáskülönbségek lépnek fel. A feltörő kavitációs buborékok nagy sebességű folyékony mikrofúvókákat is generálnak, amelyek nagyon intenzív nyíróerőkkel (sonomechanical hatások), valamint szabad gyökök fajokkal, például OH-gyökökkel a víz hidrolízise miatt (szonokémiai hatás). A szabad gyökök képződésének szonokémiai hatása az ultrahanggal fokozott Fenton reakciók fő hozzájárulója, míg a keverés sonomechanikai hatásai javítják a tömegátadást, ami javítja a kémiai konverziós sebességet.
(A bal oldali képen akusztikus kavitáció látható, amely a ultrahangos UIP1000hd. Az alulról érkező piros fényt a jobb láthatóság érdekében használják)

Példaértékű esettanulmányok a szonkémiailag továbbfejlesztett Fenton-reakciókhoz

A teljesítmény ultrahang pozitív hatásait a Fenton reakciókra széles körben tanulmányozták kutatási, kísérleti és ipari környezetben különböző alkalmazásokhoz, például kémiai lebomláshoz, fertőtlenítéshez és bomláshoz. A Fenton és a sono-Fenton reakció a hidrogén-peroxid bomlásán alapul vaskatalizátorral, ami nagyon reaktív hidroxilgyökök képződését eredményezi.
A szabad gyököket, például a hidroxilgyököket (•OH) gyakran szándékosan keletkeztetik az oxidációs reakciók fokozására irányuló folyamatokban, például a szennyvízben lévő szennyező anyagok, például szerves vegyületek lebontására. Mivel a teljesítmény ultrahang a szabad gyökök képződésének segédforrása a Fenton típusú reakciókban, az ultrahangos kezelés a Fenton reakciókkal kombinálva fokozta a szennyező anyagok lebomlási sebességét a szennyező anyagok, veszélyes vegyületek és cellulózanyagok lebontása érdekében. Ez azt jelenti, hogy egy ultrahanggal fokozott Fenton-reakció, az úgynevezett sono-Fenton reakció, javíthatja a hidroxilgyökök termelését, így a Fenton-reakció jelentősen hatékonyabbá válik.

Sonocatalytic-Fenton reakció az OH radikális generáció fokozására

Ninomiya et al. (2013) sikeresen demonstrálja, hogy a szonotakatatikusan fokozott Fenton-reakció – ultrahangos kezelés kombinálva titán-dioxiddal (TiO2) katalizátorként – szignifikánsan fokozott hidroxil (•OH) gyök generációt mutat. A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása lehetővé tette egy fejlett oxidációs folyamat (AOP) elindítását. Míg a TiO2 részecskéket használó szonotalitikus reakciót különböző vegyi anyagok lebomlására alkalmazták, a Ninomiya kutatócsoportja a hatékonyan generált •OH gyököket használta a lignin (komplex szerves polimer a növényi sejtfalakban) lebontására lignocellulóz anyag előkezeléseként a későbbi enzimatikus hidrolízis megkönnyítésére.
Az eredmények azt mutatják, hogy a szonokatalitikus Fenton reakció, amely TiO2-t használ sonocatalystként, nemcsak a lignin lebomlását fokozza, hanem a lignocellulóz biomassza hatékony előkezelését is a későbbi enzimatikus szacharifikáció fokozása érdekében.
Eljárás: A szonotatalitikus–Fenton-reakcióhoz TiO2 részecskéket (2 g/l) és Fenton reagenst (azaz H2O2 (100 mM) és FeSO4·7H2O (1 mM)) adtunk a mintaoldathoz vagy -szuszpenzióhoz. A szonotatalitikus-Fenton reakcióhoz a minta szuszpenzióját a reakcióedényben 180 percig ultrahanggal kezeltük a szonda típusú ultrahangos processzor UP200S (200W, 24kHz) az S14 szonotróddal 35 W ultrahang teljesítményen. A reakcióedényt vízfürdőbe helyeztük, 25 °C hőmérsékletet tartva hűtőkeringető szivattyú segítségével. Az ultrahangos kezelést sötétben végeztük, hogy elkerüljük a fény által kiváltott hatásokat.
Hatás: Az OH gyök képződésének szinergikus fokozása a szonokatalitikus Fenton-reakció során a Fenton-reakció által képzett Fe3 + -nak tulajdonítható, amelyet a szonotalitikus reakcióval való kölcsönhatás által kiváltott Fe2 + -ra regenerálnak.
Eredmények: A szono-katalitikus Fenton-reakció esetében a DHBA koncentrációt szinergikusan növelték 378 μM-ra, míg a Fenton-reakció ultrahang és TiO2 nélkül csak 115 μM DHBA-koncentrációt ért el. A kenaf biomassza lignin lebomlása a Fenton-reakció során csak lignin lebomlási arányt ért el, amely lineárisan nőtt 120 percig kD = 0,26 min−1 mellett, elérve a 49,9% -ot 180 perc alatt; míg a szonotalitikus – Fenton reakció esetén a lignin lebomlási aránya lineárisan nőtt 60 percig, kD = 0,57 min−1 mellett, elérve a 60,0% -ot 180 percnél.

A kenaf biomassza (A) kezeletlen kontroll pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvételei, előkezelve (B) szonotalitikus (US / TiO2), (C) Fenton (H2O2 / Fe2+) és (D) szonokatalitikus – Fenton (US / TiO2 + H2O2 / Fe2+) reakciókkal. Az előkezelési idő 360 perc volt. A rudak 10 μm-t képviselnek.
(Kép és tanulmány: ©Ninomiya et al., 2013)

Naftalin lebomlás szonokémiai Fentonon keresztül

a naftalin lebomlásának legmagasabb százalékát mindkét tényező legmagasabb (600 mg L-1 hidrogén-peroxid koncentráció) és legalacsonyabb (200 mg kg1 naftalin koncentráció) szintjének metszéspontjában sikerült elérni az összes alkalmazott ultrahang besugárzási intenzitás esetében. A naftalin lebomlási hatékonyságának 78%, 94% és 97% -át eredményezte, amikor 100, 200 és 400 W-os ultrahangos kezelést alkalmaztunk. Összehasonlító tanulmányukban a kutatók a Hielscher ultrahangos készülékeket használták UP100H, UP200Stés UP400ST. A lebomlási hatékonyság jelentős növekedését mindkét oxidáló forrás (ultrahangos kezelés és hidrogén-peroxid) szinergizmusának tulajdonították, amely ultrahanggal és a gyökök hatékonyabb előállításával a Fe-oxidok megnövekedett felületére fordult. Az optimális értékek (600 mg L−1 hidrogén-peroxid és 200 mg kg1 naftalin koncentráció 200 és 400 W-on) a talaj naftalinkoncentrációjának legfeljebb 97%-os csökkenését jelezték 2 órás kezelés után.
(vö. Virkutyte et al., 2009)

SEM-EDS mikrogramm a) elemi térképezés és b) talaj ultrahang besugárzás előtti és c) után
(Kép és tanulmány: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonokémiai szén-diszulfid lebomlás

Adewuyi és Appaw demonstrálták a szén-diszulfid (CS2) sikeres oxidációját szonokémiai szakaszos reaktorban szonikálás alatt 20 kHz és 20 ° C frekvencián. A CS2 eltávolítása a vizes oldatból jelentősen megnőtt az ultrahang intenzitásának növekedésével. A nagyobb intenzitás az akusztikus amplitúdó növekedését eredményezte, ami intenzívebb kavitációt eredményez. A CS2 szonokémiai oxidációja szulfáttá elsősorban a •OH gyök és a rekombinációs reakcióiból előállított H2O2 oxidációján keresztül megy végbe. Ezenkívül az alacsony EA értékek (42 kJ/mol alatt) mind az alacsony, mind a magas hőmérsékleti tartományban ebben a tanulmányban arra utalnak, hogy a diffúzió által szabályozott transzport folyamatok diktálják a teljes reakciót. Az ultrahangos kavitáció során már jól tanulmányozták az üregekben jelenlévő vízgőz bomlását H• és •OH gyökök előállítására a kompressziós fázisban. Az •OH-gyök erős és hatékony kémiai oxidálószer mind gáz-, mind folyadékfázisban, és szervetlen és szerves szubsztrátokkal való reakciói gyakran közel vannak a diffúzió által szabályozott sebességhez. A víz szonolízise H2O2 és hidrogéngáz előállítására hidroxilgyökökön és hidrogénatomokon keresztül jól ismert, és bármilyen gáz, O2 vagy tiszta gáz (pl. Ar) jelenlétében fordul elő. Az eredmények arra utalnak, hogy a szabad gyökök (pl. •OH) határfelületi reakciózónába való diffúziójának elérhetősége és relatív sebessége határozza meg a sebességkorlátozó lépést és a reakció általános sorrendjét. Összességében, szonokémiai fokozott oxidatív lebomlás hatékony módszer a szén-diszulfid eltávolítására.
(Adewuyi és Appaw, 2002)

Ultrahangos Fenton-szerű festéklebomlás

A termelésük során színezékeket használó iparágakból származó szennyvizek környezeti problémát jelentenek, amely hatékony folyamatot igényel a szennyvíz helyreállításához. Az oxidatív Fenton reakciókat széles körben használják festékkibocsátások kezelésére, míg a továbbfejlesztett Sono-Fenton folyamatok egyre nagyobb figyelmet kapnak fokozott hatékonysága és környezetbarát jellege miatt.

Sono-Fenton reakció a reaktív vörös 120 festék lebomlására

A Reactive Red 120 festék (RR-120) szintetikus vizekben történő lebomlását tanulmányoztuk. Két eljárást vettünk figyelembe: homogén Sono-Fenton vas(II)-szulfáttal és heterogén Sono-Fenton szilícium-dioxidra és kalcithomokra lerakódott szintetikus goetittel és goetittel (módosított katalizátorok GS (szilícium-dioxid-homokra lerakódott goetit) és GC (kalcithomokra lerakódott goetit). A homogén Sono-Fenton eljárás 60 perc alatt 98,10%-os lebomlást tett lehetővé, szemben a heterogén Sono-Fenton folyamat 96,07%-os lebomlásával, ahol a goetit pH-ja 3,0 volt. Az RR-120 eltávolítása megnőtt, amikor a módosított katalizátorokat csupasz goetit helyett használták. A kémiai oxigénigény (KOI) és a teljes szerves széntartalom (TOC) mérése azt mutatta, hogy a legmagasabb TOC- és KOI-eltávolítást homogén Sono-Fenton eljárással sikerült elérni. A biokémiai oxigénigény (BOI) mérések lehetővé tették annak megállapítását, hogy a BOI/KOI/BOI-érték legmagasabb értékét heterogén Sono-Fenton eljárással érték el (0,88±0,04 a módosított GC katalizátorral), ami azt mutatja, hogy a maradék szerves vegyületek biológiai lebonthatósága jelentősen javult.
(vö. Garófalo-Villalta et al. 2020)
A bal oldali képen a ultrahangos UP100H a vörös festék sono-Fenton reakción keresztüli lebomlására irányuló kísérletekben használják. (Tanulmány és kép: ©Garófalo-Villalta et al., 2020.)

RO107 azofesték heterogén Sono-Fenton lebomlása

Jaafarzadeh et al. (2018) demonstrálta a Reactive Orange 107 (RO107) azofesték sikeres eltávolítását sono-Fenton-szerű lebomlási folyamaton keresztül, magnetit (Fe3O4) nanorészecskék (MNP) katalizátorként. Tanulmányukban a Hielscher UP400S ultrasonicator 7 mm-es sonotrode-dal felszerelve 50% -os munkaciklussal (1 s be / 1 s ki), hogy akusztikus kavitációt generáljon a kívánt radikális képződés elérése érdekében. A magnetit nanorészecskék peroxidázszerű katalizátorként működnek, ezért a katalizátor dózisának növelése aktívabb vashelyeket biztosít, ami viszont felgyorsítja a H2O2 bomlását, ami reaktív OH• termeléséhez vezet.
Eredmények: Az azofesték teljes eltávolítását 0,8 g / l MPN, pH = 5, 10 mM H2O2 koncentráció, 300 W / L ultrahangos teljesítmény és 25 perc reakcióidő mellett kaptuk. Ezt az ultrahangos Sono-Fenton-szerű reakciórendszert valódi textil szennyvízre is értékelték. Az eredmények azt mutatták, hogy a kémiai oxigénigény (KOI) 2360 mg/l-ről 489,5 mg/l-re csökkent egy 180 perces reakcióidő alatt. Ezenkívül költségelemzést végeztek az USA/Fe3O4/H2O2 esetében is. Végül az ultrahangos / Fe3O4 / H2O2 nagy hatékonyságot mutatott a színes szennyvíz színtelenítésében és kezelésében.
Az ultrahangos teljesítmény növekedése a magnetit nanorészecskék reakcióképességének és felületének javulásához vezetett, ami megkönnyítette a Fe3 + és a "Fe2 + transzformációs sebességét". Az így generált 'Fe2+ katalizálta a H2O2 reakciót, hogy hidroxilgyököket állítson elő. Ennek eredményeként kimutatták, hogy az ultrahangos teljesítmény növekedése növeli az amerikai / MNP-k / H2O2 folyamat teljesítményét azáltal, hogy rövid időn belül felgyorsítja a színtelenítési sebességet.
A tanulmány szerzői megjegyzik, hogy az ultrahangos teljesítmény az egyik legfontosabb tényező, amely befolyásolja a RO107 festék lebomlási sebességét a heterogén Fenton-szerű rendszerben.
Tudjon meg többet a rendkívül hatékony magnetit szintézisről szonikálással!
(vö. Jaafarzadeh et al., 2018)

RO107 lebomlás különböző kombinációkban pH 5, MNP dózis 0,8 g / l, H2O2 koncentráció 10 mM, RO107 koncentráció 50 mg / l, ultrahangos teljesítmény 300 W és reakcióidő 30 perc.
Tanulmány és kép: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

NAGY TEHERBÍRÁSÚ ULTRAHANGOS KÉSZÜLÉKEK

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos processzorokat és reaktorokat tervez, gyárt és forgalmaz nagy teherbírású alkalmazásokhoz, például fejlett oxidatív folyamatokhoz (AOP), Fenton reakció, valamint más szonokémiai, sono-fotokémiai, és sono-elektrokémiai reakciók. Ultrahangos készülékek, ultrahangos szondák (sonotrodes), áramlási cellák és reaktorok állnak rendelkezésre bármilyen méretben – A kompakt laboratóriumi tesztberendezésektől a nagyméretű szonokémiai reaktorokig. A Hielscher ultrasonicators számos teljesítményosztályban áll rendelkezésre a laboratóriumi és asztali eszközöktől az ipari rendszerekig, amelyek képesek több tonna / óra feldolgozására.

Pontos amplitúdószabályozás

Az amplitúdó az egyik legfontosabb folyamatparaméter, amely befolyásolja bármely ultrahangos folyamat eredményeit. Az ultrahangos amplitúdó pontos beállítása lehetővé teszi a Hielscher ultrahangos készülékek működését alacsony és nagyon magas amplitúdókkal, és az amplitúdó finomhangolását pontosan a szükséges ultrahangos folyamatfeltételekhez olyan alkalmazások, mint a diszperzió, extrakció és sonochemistry.
A megfelelő sonotrode méret kiválasztása és opcionálisan a booster kürt használata és az amplitúdó további növelése vagy csökkentése lehetővé teszi az ideális ultrahangos rendszer beállítását egy adott alkalmazáshoz. A nagyobb elülső felületű szonda / sonotrode használata nagy területen és alacsonyabb amplitúdóval oszlatja el az ultrahangos energiát, míg a kisebb elülső felületű sonotrode nagyobb amplitúdókat hozhat létre, ami koncentráltabb kavitációs forró pontot hoz létre.

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos rendszereket gyárt nagyon nagy robusztussággal, és képes intenzív ultrahanghullámokat szállítani nagy teherbírású alkalmazásokban igényes körülmények között. Minden ultrahangos processzor úgy van kialakítva, hogy teljes teljesítményt nyújtson 24/7 működésben. A speciális sonotrodes lehetővé teszi az ultrahangos folyamatokat magas hőmérsékletű környezetben.

Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását: