Az ultrahangos kezelés javítja a Fenton-reakciókat

A szono-Fenton-reakciók a Fenton-kémiát nagy teljesítményű ultrahanggal kombinálják a hidroxilgyök-képződés fokozása, az anyagátadás javítása és az oxidatív lebontási folyamatok felgyorsítása érdekében. A Hielscher ultrahangos készülékei a laboratóriumok, kísérleti üzemek és ipari felhasználók számára szabályozható és méretnövelhető megoldást kínálnak az olyan fejlett oxidációs eljárások (AOP-k) javítására, mint a szennyvízkezelés, a színezékek lebontása, a talajremediáció, a lignin előkezelése és a kémiai lebontás.

Mi az a szono-Fenton-reakció?

A klasszikus Fenton-reakció hidrogén-peroxidot (H₂O₂) és vaskatalizátorokat használ rendkívül reakcióképes hidroxilgyökök (•OH) előállítására. Ezek a gyökök oxidálják a szerves szennyező anyagokat, színezékeket, oldószereket, szénhidrogéneket, lignint és más, nehezen lebontható vegyületeket. Ha nagy teljesítményű ultrahangot is alkalmaznak, az eljárást szono-Fenton-reakciónak vagy ultrahangos Fenton-reakciónak nevezik.

Az ultrahangos kezelés két, egymást kiegészítő módon javítja a Fenton-kémiát:

• Szonokémiai hatás: az akusztikus kavitáció elősegíti a víz szonolízisét és további gyökök képződését.
• Szonomechanikai hatás: a kavitációs mikrosugarak és a nyírás javítják a keveredést, a katalizátor diszpergálását, a fázisok közötti érintkezési felületet és az anyagátadást.

A kutatók és folyamatmérnökök számára a gyakorlati előny egy intenzívebb oxidációs folyamat, amely csökkentheti a reakcióidőt, javíthatja a szennyező anyagok lebontását, fokozhatja a katalizátor hasznosulását, és megkönnyítheti a Fenton-típusú kezelések méretnövelését.

Hogyan javítja a nagy teljesítményű ultrahang a Fenton-reakciókat?

Amikor nagy teljesítményű ultrahangot csatolnak egy folyadékba, akusztikus kavitáció lép fel. A mikroszkopikus gőzüregek a váltakozó nyomásciklusok során növekednek, majd az összenyomás során hevesen összeomlanak. Ez az összeomlás helyi forró pontokat hoz létre, amelyekben átmenetileg nagyon magas hőmérséklet és nyomás alakul ki. Vizes rendszerekben a kavitáció elősegítheti olyan reakcióképes részecskék képződését, mint a hidroxilgyökök és a hidrogén-peroxid.

A Fenton- vagy Fenton-szerű eljárásokban ez a kavitáció által előidézett kémiai folyamat a H₂O₂ vas által katalizált bomlásával együtt hat. Ezzel egyidejűleg az ultrahangos nyírás javítja az oxidálószerek, katalizátorok, lebegő szilárd anyagok és oldott szennyezők közötti érintkezést. Ez különösen értékessé teszi az ultrahangot a következők esetében:

• biológiailag nehezen lebontható szerves szennyezőket tartalmazó szennyvízáramok;
• heterogén katalizátorok, például magnetit, goethit, TiO₂ vagy vas-oxidok;
• zagyok, talajszuszpenziók, biomassza-szuszpenziók és katalizátort tartalmazó folyadékok;
• megbízható méretnövelést igénylő szakaszos és sorba épített fejlett oxidációs eljárások.

Az ultrahangos szono-Fenton-reaktorok előnyei

• Nagyobb oxidációs intenzitás: az ultrahang fokozza a gyökképződést és javítja az oxidatív lebontás kinetikáját.
• Jobb katalizátorhasznosulás: a kavitáció diszpergálja a katalizátorokat és javítja a folyadék és a szilárd anyag közötti érintkezést.
• Rövidebb reakcióidők: a fokozott gyökképződés és keveredés csökkentheti a kezelési időt.
• Méretnövelhető reaktorkialakítás: a Hielscher laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari ultrahangos reaktorokat kínál egyenletes amplitúdószabályozással.
• Szakaszos vagy sorba épített üzem: az eljárások főzőpoharakban vagy szakaszos üzemű tartályokban fejleszthetők, majd folyamatos átfolyású reaktorokra vihetők át.
• Folyamatfelügyelet: a digitális Hielscher ultrahangos készülékek lehetővé teszik az amplitúdó, a bevitt teljesítmény, a hőmérséklet, a nyomás és a kezelési idő szabályozását.
• 24/7 ipari üzem: a nagy igénybevételre tervezett ultrahangos készülékek folyamatos, teljes terhelésű üzemre készülnek.

Mikor érdemes megfontolni a szono-Fenton-kezelést?

A szono-Fenton-kezelés akkor a leginkább indokolt, ha a hagyományos Fenton-eljárás túl lassú, a katalizátorral való érintkezés korlátozott, a szennyezők nehezen oxidálhatók, vagy a lebegő szilárd anyagok csökkentik a folyamat hatékonyságát. Akkor is hasznos, ha egy eljárást a laboratóriumi megvalósíthatóságtól az ipari feldolgozási kapacitásig kell fejleszteni az alapvető oxidációs kémia megváltoztatása nélkül.

A szono-Fenton-eljárás optimalizálásának fontos folyamatparaméterei

A szono-Fenton-reakció hatékonysága kémiai és ultrahangos paraméterektől egyaránt függ. A megvalósíthatósági vizsgálatok során a Hielscher segít az ügyfeleknek felmérni az adott szennyvíz, zagy vagy reakcióelegy megfelelő üzemi paramétertartományát.

• Ultrahangos amplitúdó: a szonotródánál fellépő kavitáció intenzitását szabályozó fő paraméter.
• Teljesítménysűrűség és energiabevitel: meghatározzák a kezelt térfogatra jutó szonokémiai intenzitást.
• H₂O₂-koncentráció: befolyásolja a gyökképződést és a fennmaradó oxidálószer-igényt.
• A vaskatalizátor típusa és adagolása: ide tartoznak a Fe²⁺, Fe³⁺, magnetit, goethit, TiO₂-vel támogatott rendszerek vagy immobilizált katalizátorok.
• pH és hőmérséklet: befolyásolják a Fenton-reakció kinetikáját, a katalizátor oldhatóságát és a gyökreakciók útvonalait.
• Tartózkodási idő: meghatározza a konverziót szakaszos üzemű tartályokban vagy sorba épített átfolyó reaktorokban.
• Nyomás: a nyomás alá helyezhető ultrahangos reaktorok folyamatos üzemben fokozhatják a kavitációs körülményeket.

Esettanulmányok: ultrahanggal fokozott Fenton-reakciók

A nagy teljesítményű ultrahang Fenton- és Fenton-szerű reakciókra gyakorolt pozitív hatásait kémiai lebontás, szennyeződésmentesítés, biomassza-előkezelés és ipari szennyvízkezelés céljából vizsgálták. Az alábbi példák bemutatják, hogyan javíthatja az ultrahang a gyökképződést, a lebontási sebességet és a folyamat hatékonyságát különböző rendszerekben.

Szonokatalitikus–Fenton-reakció a hidroxilgyök-képződés fokozására

Ninomiya et al. (2013) kimutatták, hogy az ultrahangos kezelés, a TiO₂, a H₂O₂ és a vaskatalizátor kombinációja jelentősen fokozta a hidroxilgyök-képződést. Az eljárást ligninlebontásra alkalmazták a lignocellulóz-biomassza előkezelési lépéseként, elősegítve a későbbi enzimes hidrolízist.

Kísérleti elrendezés: a mintaszuszpenzióhoz TiO₂-részecskéket (2 g/L), H₂O₂-t (100 mM) és FeSO₄·7H₂O-t (1 mM) adtak. A szuszpenziót 180 min időtartamig kezelték ultrahanggal a Hielscher UP200S / UP200St osztályú ultrahangos készülékkel szondás szonotróda alkalmazásával, 35 W ultrahangos teljesítmény mellett. Az edény hőmérsékletét 25 °C-on szabályozták.

Eredmény: A szonokatalitikus–Fenton-reakció 378 μM DHBA-koncentrációt ért el, szemben az ultrahang és TiO₂ nélküli Fenton-reakció 115 μM értékével. A lignin lebontása gyorsabban fokozódott a szonokatalitikus–Fenton-kezelés során, ami az ultrahang, a katalizátor és a Fenton-kémia közötti erős szinergiára utal.

Pásztázó elektronmikroszkópos felvételek (SEM) kenafbiomasszáról: (A) kezeletlen kontroll, (B) szonokatalitikus kezelés, (C) Fenton-kezelés és (D) szonokatalitikus–Fenton-kezelés. Előkezelési idő: 360 min. A skálavonalak 10 μm hosszúságot jelölnek.
(Kép és tanulmány: ©Ninomiya et al., 2013)

Naftalinlebontás szono-Fenton-szerű talajkezeléssel

Virkutyte et al. (2009) a talajban lévő naftalin lebontását vizsgálták ultrahang és hidrogén-peroxid kombinálásával. A legnagyobb lebontási hatékonyságot magas hidrogén-peroxid-koncentráció és alacsony kezdeti naftalinkoncentráció mellett érték el. A 100, 200 és 400 W teljesítményű ultrahangos besugárzás esetén rendre 78%, 94% és 97% lebontási hatékonyságról számoltak be.

A vizsgálatban a következő Hielscher ultrahangos készülékeket használták: UP100H, UP200St és UP400St. A jobb lebontást az ultrahang és a hidrogén-peroxid szinergikus hatásának tulajdonították, beleértve a gyökképződést és a talajmátrixban lévő vas-oxidokkal való jobb kölcsönhatást.

SEM–EDS mikroszkópos felvétel a talajról az ultrahangos besugárzásos kezelés 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 frekvencián és 20°C hőmérsékleten. A CS₂ eltávolítása az ultrahang intenzitásával együtt nőtt, amit az erősebb kavitációval és a fokozott gyökképződéssel hoztak összefüggésbe. A tanulmány arra utal, hogy a szonokémiai oxidáció hatékony módszer lehet a szén-diszulfid vizes áramokból történő eltávolítására.

Szono-Fenton-kezelés színezéktartalmú és textilipari szennyvizekhez

A textiliparból és a kapcsolódó iparágakból származó színezéktartalmú szennyvizek nehezen kezelhetők, mivel sok színezék és színezékmelléktermék nehezen lebontható, színes és biológiailag rosszul bontható. A Fenton- és Fenton-szerű fejlett oxidációs eljárásokat széles körben alkalmazzák a színezékek lebontására. Az ultrahang a gyökképződés, a katalizátordiszperzió és az anyagátadás fokozásával javíthatja ezeket az eljárásokat.

A Reactive Red 120 színezék lebontása

Garófalo-Villalta et al. (2020) a Reactive Red 120 színezék (RR-120) lebontását vizsgálták szintetikus vízben. A vas(II)-szulfáttal végzett homogén szono-Fenton-kezelést és a goethitalapú katalizátorokkal végzett heterogén szono-Fenton-kezelést hasonlították össze. A homogén eljárás 60 min alatt 98,10% színezéklebontást ért el, míg a goethittel végzett heterogén eljárás 96,07% lebontást eredményezett pH 3,0 mellett.

A tanulmány azt is megállapította, hogy a módosított katalizátorok javították a lebontási teljesítményt a módosítatlan goethithez képest. A COD-, TOC- és BOD/COD-mérések azt mutatták, hogy a szono-Fenton-kezelés nemcsak elszíntelenítette az oldatot, hanem a visszamaradó szerves vegyületek biológiai lebonthatóságát is javította. A képen a kísérletekben használt Hielscher UP100H látható.

Az RO107 azoszínezék heterogén szono-Fenton-lebontása

Jaafarzadeh et al. (2018) bemutatták a Reactive Orange 107 (RO107) azoszínezék eltávolítását szono-Fenton-szerű eljárással, magnetit (Fe₃O₄) nanorészecskék katalizátorként történő alkalmazásával. A Hielscher UP400S / UP400St osztályú ultrahangos készüléket 7 mm-es szonotródával felszerelve használták akusztikus kavitáció létrehozására.

Eredmény: Az azoszínezék teljes eltávolítását 0,8 g/L magnetit-nanorészecske, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/L ultrahangos teljesítmény és 25 min reakcióidő mellett érték el. Valódi textilipari szennyvízben a COD 180 min alatt 2360 mg/L-ről 489,5 mg/L-re csökkent. A szerzők az ultrahangos teljesítményt az RO107 lebontási sebességét befolyásoló egyik alapvető tényezőként azonosították a heterogén Fenton-szerű rendszerben.

Tudjon meg többet az ultrahangos kezeléssel végzett, rendkívül hatékony magnetitszintézisről!

RO107-lebontás pH 5, 0,8 g/L MNP, 10 mM H₂O₂, 50 mg/L RO107, 300 W ultrahangos teljesítmény és 30 min reakcióidő mellett.
Tanulmány és kép: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Hielscher ultrahangos készülékek szono-Fenton- és fejlett oxidációs eljárásokhoz

A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos készülékeket és reaktorokat tervez és gyárt nagy igénybevételű szonokémiai alkalmazásokhoz, beleértve a Fenton-reakciókat, szono-Fenton-reakciókat, szonofotokémiai reakciókat és más fejlett oxidációs eljárásokat. A rendszerek a kompakt laboratóriumi berendezésektől a folyamatos termeléshez és kezelési áramokhoz használható ipari ultrahangos reaktorokig elérhetők.

Ultrahangos berendezés kiválasztása szono-Fenton-eljárásokhoz

Az alábbi táblázat útmutatást ad a jellemző szakaszos kezelési térfogatokhoz és térfogatáramokhoz megfelelő Hielscher ultrahangos készülékekről. A berendezés végleges kiválasztása a folyamat kémiájától, a célkonverziótól, a tartózkodási időtől, a szilárdanyag-tartalomtól, a hőmérséklettől, a nyomástól és a szükséges energiabeviteltől függ.

Hogyan kezdjünk szono-Fenton-megvalósíthatósági vizsgálatot?

A megbízható berendezésajánláshoz a Hielscher jellemzően áttekinti a kémiát, a célszennyezőket, a kezelési térfogatot, a térfogatáramot, az oxidálószer adagolását, a katalizátor típusát, a pH-tartományt, a hőmérsékleti határértékeket és a szükséges konverziót. Laboratóriumi kísérletekhez általában laboratóriumi vagy asztali szondás ultrahangos készüléket, például UP200Ht, UP400St vagy UIP1000hdT készüléket használnak a szükséges energiabevitel és üzemi paramétertartomány meghatározására.

Folyamatos üzemhez a Hielscher szabályozott tartózkodási idejű, nyomású, hőmérsékletű és teljesítménybevitelű ultrahangos átfolyó cellákat és sorba épített reaktorokat konfigurálhat. Ez lehetővé teszi a kezelési teljesítmény közvetlen összehasonlítását különböző amplitúdók és térfogatáramok mellett.

Gyakran ismételt kérdések a szono-Fenton-reakciókról

Mi a különbség a Fenton- és a szono-Fenton-kezelés között?

A Fenton-kezelés hidrogén-peroxidot és vaskatalizátorokat használ hidroxilgyökök előállítására. A szono-Fenton-kezelés ezt nagy teljesítményű ultrahanggal egészíti ki. Az ultrahangos kavitáció fokozza a gyökképződést és javítja a keveredést, a katalizátorral való érintkezést és az anyagátadást.

Alkalmazható a szono-Fenton-kezelés ipari szennyvízhez?

Igen. A szono-Fenton-kezelést ipari szennyvizek, színezéktartalmú szennyvizek, petrolkémiai szennyvizek, szennyezett zagyok és más, nehezen lebontható szerves vegyületeket tartalmazó áramok kezelésének folyamatfejlesztésében alkalmazzák. Az ipari megvalósíthatóság a szennyezőanyag-terheléstől, az oxidálószer-igénytől, a katalizátorrendszertől, a kezelési céltól és az energiamérlegtől függ.

Csökkentheti az ultrahang a vegyszerfelhasználást?

Az ultrahang a gyökképződés és az anyagátadás fokozásával javíthatja az oxidálószerek és katalizátorok hasznosulását. Azt, hogy csökkenthető-e a vegyszerfelhasználás, a tényleges szennyvízzel vagy reakcióeleggyel végzett kísérletekben kell igazolni.

Méretnövelhető az eljárás?

Igen. A Hielscher ultrahangos készülékeit méretnövelhető folyamatfejlesztésre tervezték. A laboratóriumi vizsgálatok eredményei az amplitúdó, az energiabevitel, a tartózkodási idő, a hőmérséklet, a nyomás és a reaktorgeometria szabályozásával átvihetők kísérleti üzemi és ipari rendszerekre.

Melyik ultrahangos készülék alkalmas az eljárásomhoz?

A megfelelő készülék a mintatérfogattól, a térfogatáramtól, a célkonverziótól, a szilárdanyag-tartalomtól, a viszkozitástól, az üzemi hőmérséklettől és a nyomástól függ. A Hielscher laboratóriumi ultrahangos készülékeket, kísérleti üzemi rendszereket és ipari ultrahangos reaktorokat kínál folyamatos feldolgozáshoz.

Mi az a szono-ozonálási eljárás?

A szono-ozonálás olyan fejlett oxidációs eljárás, amely az ózonkezelést nagy teljesítményű ultrahanggal kombinálja reakcióképesebb gyökök előállítása és a folyadékokban zajló anyagátadás javítása érdekében. Ez a szinergia az önmagában alkalmazott ozonáláshoz képest felgyorsítja a vízben vagy szennyvízben lévő szerves szennyezők, színezékek, mikrobák és nehezen lebontható vegyületek lebontását.

Ismerje meg a szono-ozonálás előnyeit!

Szakirodalom / Hivatkozások

• 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.