Sonikasi Meningkatkan Reaksi Fenton

Reaksi Fenton didasarkan pada pembangkitan radikal bebas seperti radikal hidroksil •OH dan hidrogen peroksida (H₂O₂). Reaksi Fenton dapat diintensifkan secara signifikan bila dikombinasikan dengan ultrasonikasi. Kombinasi reaksi Fenton yang sederhana, tetapi sangat berkhasiat dengan ultrasound daya telah terbukti secara drastis meningkatkan pembentukan radikal yang diinginkan dan dengan demikian memproses efek intensif.

Bagaimana Power Ultrasound Meningkatkan Reaksi Fenton?

Ketika ultrasonikasi berdaya tinggi / kinerja tinggi digabungkan ke dalam cairan seperti air, fenomena kavitasi akustik dapat diamati. Di titik panas kavitasi, gelembung vakum kecil muncul, dan tumbuh selama beberapa siklus tekanan tinggi / tekanan rendah yang disebabkan oleh gelombang ultrasound daya. Pada titik itu, ketika gelembung vakum tidak dapat menyerap lebih banyak energi, kekosongan runtuh dengan keras selama siklus tekanan tinggi (kompresi). Ledakan gelembung ini menghasilkan kondisi yang luar biasa ekstrem di mana suhu setinggi 5000 K, tekanan setinggi 100 MPa, dan perbedaan suhu dan tekanan yang sangat tinggi terjadi. Gelembung kavitasi yang meledak juga menghasilkan mikrojet cair berkecepatan tinggi dengan gaya geser yang sangat kuat (efek sonomekanis) serta spesies radikal bebas seperti radikal OH karena hidrolisis air (efek sonokimia). Efek sonokimia dari pembentukan radikal bebas adalah kontributor utama untuk reaksi Fenton yang diintensifkan secara ultrasonik, sementara efek sonomekanis dari agitasi meningkatkan transfer massa, yang meningkatkan tingkat konversi kimia.
(Gambar kiri menunjukkan kavitasi akustik yang dihasilkan pada sonotrode ultrasonicator UIP1000hd. Lampu merah dari bawah digunakan untuk meningkatkan visibilitas)

Studi Kasus Teladan untuk Reaksi Fenton yang Ditingkatkan Secara Sonkimia

Efek positif dari ultrasound daya pada reaksi Fenton telah banyak dipelajari dalam penelitian, percontohan dan pengaturan industri untuk berbagai aplikasi seperti degradasi kimia, dekontaminasi dan dekomposisi. Reaksi Fenton dan sono-Fenton didasarkan pada dekomposisi hidrogen peroksida menggunakan katalis besi, yang menghasilkan pembentukan radikal hidroksil yang sangat reaktif.
Radikal bebas seperti radikal hidroksil (•OH) sering kali sengaja dihasilkan dalam proses untuk mengintensifkan reaksi oksidasi, misalnya, untuk mendegradasi polutan seperti senyawa organik dalam air limbah. Karena ultrasonografi daya adalah sumber tambahan pembentukan radikal bebas dalam reaksi tipe Fenton, sonikasi dalam kombinasi dengan reaksi Fenton meningkatkan tingkat degradasi polutan untuk mendegradasi polutan, senyawa berbahaya serta bahan selulosa. Ini berarti bahwa reaksi Fenton yang diintensifkan secara ultrasonik, yang disebut reaksi sono-Fenton, dapat meningkatkan produksi radikal hidroksil yang membuat reaksi Fenton secara signifikan lebih efisien.

Reaksi Sonokatalitik-Fenton untuk Meningkatkan Pembentukan Radikal OH

Ninomiya et al. (2013) berhasil menunjukkan bahwa reaksi Fenton yang ditingkatkan secara sonokatalitik – menggunakan ultrasonikasi dalam kombinasi dengan titanium dioksida (TiO2) sebagai katalis – menunjukkan generasi radikal hidroksil (•OH) yang ditingkatkan secara signifikan. Penerapan ultrasound berkinerja tinggi memungkinkan untuk memulai proses oksidasi lanjutan (AOP). Sementara reaksi sonokatalitik menggunakan partikel TiO2 telah diterapkan pada degradasi berbagai bahan kimia, tim peneliti Ninomiya menggunakan radikal •OH yang dihasilkan secara efisien untuk mendegradasi lignin (polimer organik kompleks di dinding sel tanaman) sebagai pretreatment bahan lignoselulosa untuk hidrolisis enzimatik berikutnya yang difasilitasi.
Hasilnya menunjukkan bahwa reaksi fenton sonokatalitik menggunakan TiO2 sebagai sonokatalis, meningkatkan tidak hanya degradasi lignin tetapi juga merupakan pretreatment yang efisien dari biomassa lignoselulosa untuk meningkatkan sakarifikasi enzimatik berikutnya.
Prosedur: Untuk reaksi sonokatalitik-Fenton, partikel TiO2 (2 g/L) dan reagen Fenton (yaitu, H2O2 (100 mM) dan FeSO4·7H2O (1 mM)) ditambahkan ke larutan sampel atau suspensi. Untuk reaksi sonokatalitik-Fenton, suspensi sampel dalam bejana reaksi disonikasi selama 180 menit dengan prosesor ultrasonik tipe probe UP200S (200W, 24kHz) dengan sonotrode S14 pada daya ultrasound 35 W. Bejana reaksi ditempatkan dalam bak air yang mempertahankan suhu 25°C menggunakan sirkulator pendingin. Ultrasonikasi dilakukan dalam gelap untuk menghindari efek yang diinduksi cahaya.
Efek: Peningkatan sinergis pembangkitan radikal OH selama reaksi Fenton sonokatalitik ini dikaitkan dengan Fe3+ yang dibentuk oleh reaksi Fenton yang diregenerasi menjadi Fe2+ yang diinduksi oleh kopling reaksi dengan reaksi sonokatalitik.
Hasil: Untuk reaksi Fenton sono-katalitik, konsentrasi DHBA ditingkatkan secara sinergis menjadi 378 μM, sedangkan reaksi Fenton tanpa ultrasound dan TiO2 hanya mencapai konsentrasi DHBA 115 μM. Degradasi lignin biomassa kenaf di bawah reaksi Fenton hanya mencapai rasio degradasi lignin, yang meningkat secara linier hingga 120 menit dengan kD = 0,26 menit−1, mencapai 49,9% pada 180 menit; sedangkan dengan reaksi sonokatalitik-Fenton, rasio degradasi lignin meningkat secara linier hingga 60 menit dengan kD = 0,57 menit−1, mencapai 60,0% pada 180 menit.

Pemindaian mikrograf elektron (SEM) dari biomassa kenaf (A) kontrol yang tidak diobati, diolah sebelumnya dengan reaksi (B) sonokatalitik (US/TiO2), (C) Fenton (H2O2/Fe2+), dan (D) sonokatalitik–Fenton (US/TiO2 + H2O2/Fe2+). Waktu praperawatan adalah 360 menit. Batang mewakili 10 μm.
(Gambar dan studi: ©Ninomiya et al., 2013)

Degradasi Naphtalene melalui Fenton Sonokimia

persentase degradasi naftalena tertinggi dicapai pada persimpangan tingkat tertinggi (konsentrasi hidrogen peroksida L-1 L-1) dan terendah (konsentrasi naftalena 200 mg kg1) dari kedua faktor untuk semua intensitas iradiasi ultrasound yang diterapkan. Ini menghasilkan 78%, 94%, dan 97% efisiensi degradasi naftalena ketika sonikasi pada 100, 200, dan 400 W, masing-masing, diterapkan. Dalam studi komparatif mereka, para peneliti menggunakan ultrasonicators Hielscher UP100H, UP200St, dan UP400St. Peningkatan yang signifikan dalam efisiensi degradasi dikaitkan dengan sinergisme kedua sumber pengoksidasi (ultrasonikasi dan hidrogen peroksida) yang diterjemahkan ke dalam peningkatan luas permukaan oksida Fe dengan ultrasonografi yang diterapkan dan produksi radikal yang lebih efisien. Nilai optimal (600 mg L−1 hidrogen peroksida dan 200 mg kg1 konsentrasi naftalena pada 200 dan 400 W) menunjukkan hingga maksimum 97% penurunan konsentrasi naftalena di tanah setelah 2 jam perawatan.
(lih. Virkutyte et al., 2009)

Mikrogram SEM-EDS dari a) pemetaan unsur dan b) tanah sebelum dan c) setelah perawatan iradiasi ultrasound
(Gambar dan studi: ©Virkutyte et al., 2009)

Degradasi Karbon Disulfida Sonokimia

Adewuyi dan Appaw menunjukkan keberhasilan oksidasi karbon disulfida (CS2) dalam reaktor batch sonokimia di bawah sonikasi pada frekuensi 20 kHz dan 20 °C. Penghapusan CS2 dari larutan berair meningkat secara signifikan dengan peningkatan intensitas ultrasound. Intensitas yang lebih tinggi menghasilkan peningkatan amplitudo akustik, yang menghasilkan kavitasi yang lebih intens. Oksidasi sonokimia CS2 menjadi sulfat berlangsung terutama melalui oksidasi oleh radikal •OH dan H2O2 yang dihasilkan dari reaksi rekombinasinya. Selain itu, nilai EA yang rendah (lebih rendah dari 42 kJ/mol) dalam kisaran suhu rendah dan tinggi dalam penelitian ini menunjukkan bahwa proses transportasi yang dikendalikan difusi menentukan reaksi keseluruhan. Selama kavitasi ultrasonik, dekomposisi uap air yang ada di rongga untuk menghasilkan radikal H• dan •OH selama fase kompresi telah dipelajari dengan baik. Radikal •OH adalah oksidan kimia yang kuat dan efisien baik dalam fase gas maupun cair, dan reaksinya dengan substrat anorganik dan organik seringkali mendekati laju yang dikendalikan difusi. Sonolisis air untuk menghasilkan H2O2 dan gas hidrogen melalui radikal hidroksil dan atom hidrogen terkenal dan terjadi dengan adanya gas, O2, atau gas murni (misalnya, Ar). Hasilnya menunjukkan bahwa ketersediaan dan laju relatif difusi radikal bebas (misalnya, •OH) ke zona reaksi antarmuka menentukan langkah pembatas laju dan urutan keseluruhan reaksi. Secara keseluruhan, degradasi oksidatif yang ditingkatkan sonokimia adalah metode yang efektif untuk menghilangkan karbon disulfida.
(Adewuyi dan Appaw, 2002)

Degradasi Pewarna seperti Fenton Ultrasonik

Limbah dari industri yang menggunakan pewarna dalam produksinya merupakan masalah lingkungan, yang membutuhkan proses yang efisien untuk memulihkan air limbah. Reaksi Fenton oksidatif banyak digunakan untuk mengolah limbah pewarna, sementara proses Sono-Fenton yang ditingkatkan semakin mendapat perhatian karena efisiensinya yang ditingkatkan dan keramahan lingkungan.

Reaksi Sono-Fenton untuk Degradasi Pewarna Merah 120 Reaktif

Degradasi pewarna Reactive Red 120 (RR-120) dalam perairan sintetis dipelajari. Dua proses dipertimbangkan: Sono-Fenton homogen dengan besi (II) sulfat dan Sono-Fenton heterogen dengan goethite sintetis dan goethite yang diendapkan ke silika dan pasir kalsit (katalis yang dimodifikasi GS (goethite diendapkan ke pasir silika) dan GC (goethite yang diendapkan ke pasir kalsit), masing-masing). Dalam 60 menit reaksi, proses Sono-Fenton homogen memungkinkan degradasi 98,10%, berbeda dengan 96,07% untuk proses Sono-Fenton heterogen dengan goethite pada pH 3,0. Penghapusan RR-120 meningkat ketika katalis yang dimodifikasi digunakan sebagai pengganti goethite telanjang. Pengukuran Permintaan Oksigen Kimia (COD) dan Karbon Organik Total (TOC) menunjukkan bahwa penghilangan TOC dan COD tertinggi dicapai dengan proses Sono-Fenton yang homogen. Pengukuran Kebutuhan Oksigen Biokimia (BOD) memungkinkan untuk menemukan bahwa nilai tertinggi BOD/COD dicapai dengan proses Sono-Fenton heterogen (0,88±0,04 dengan katalis GC yang dimodifikasi), menunjukkan bahwa biodegradabilitas senyawa organik sisa meningkat pesat.
(lih. Garófalo-Villalta et al. 2020)
Gambar kiri menunjukkan ultrasonicator UP100H digunakan dalam percobaan untuk degradasi pewarna merah melalui reaksi sono-Fenton. (Studi dan gambar: ©Garófalo-Villalta et al., 2020.)

Degradasi Sono-Fenton heterogen pewarna azo RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) menunjukkan keberhasilan penghilangan pewarna azo Reactive Orange 107 (RO107) melalui proses degradasi seperti sono-Fenton menggunakan nanopartikel magnetit (Fe3O4) (MNP) sebagai katalis. Dalam penelitian mereka, mereka menggunakan Ultrasonicator Hielscher UP400S Dilengkapi dengan sonotrode 7mm pada siklus kerja 50% (1 detik hidup/1 detik mati) untuk menghasilkan kavitasi akustik untuk mendapatkan formasi radikal yang diinginkan. Nanopartikel magnetit berfungsi sebagai katalis seperti peroksidase, oleh karena itu peningkatan dosis katalis memberikan situs besi yang lebih aktif, yang pada gilirannya mempercepat dekomposisi H2O2 yang mengarah pada produksi OH reaktif•.
Hasil: Penghilangan lengkap pewarna azo diperoleh pada 0,8 g/L MPN, pH = 5, konsentrasi 10 mM H2O2, daya ultrasonik 300 W/L dan waktu reaksi 25 menit. Sistem reaksi seperti Sono-Fenton ultrasonik ini juga dievaluasi untuk air limbah tekstil asli. Hasil penelitian menunjukkan bahwa permintaan oksigen kimia (COD) berkurang dari 2360 mg/L menjadi 489,5 mg/L selama waktu reaksi 180 menit. Selain itu, analisis biaya juga dilakukan pada US/Fe3O4/H2O2. Akhirnya, ultrasonik / Fe3O4 / H2O2 menunjukkan efisiensi tinggi dalam dekolorisasi dan pengolahan air limbah berwarna.
Peningkatan daya ultrasonik menyebabkan peningkatan reaktivitas dan luas permukaan nanopartikel magnetit, yang memfasilitasi laju transformasi 'Fe3+ menjadi 'Fe2+. 'Fe2+ yang dihasilkan mengkatalisis reaksi H2O2 untuk menghasilkan radikal hidroksil. Akibatnya, peningkatan daya ultrasonik terbukti meningkatkan kinerja proses US/MNP/H2O2 dengan mempercepat laju dekolorisasi dalam waktu kontak yang singkat.
Penulis studi mencatat bahwa daya ultrasonik adalah salah satu faktor paling penting yang mempengaruhi laju degradasi pewarna RO107 dalam sistem mirip Fenton yang heterogen.
Pelajari lebih lanjut tentang sintesis magnetit yang sangat efisien menggunakan sonikasi!
(lih. Jaafarzadeh et al., 2018)

Degradasi RO107 dalam kombinasi yang berbeda pada pH 5, dosis MNP 0,8 g / L, konsentrasi H2O2 10 mM, konsentrasi RO107 50 mg / L, daya ultrasonik 300 W dan waktu reaksi 30 menit.
Studi dan gambar: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

ultrasonikator yang handal

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan prosesor dan reaktor ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi tugas berat seperti proses oksidatif lanjutan (AOP), reaksi Fenton, serta reaksi sonokimia, sono-foto-kimia, dan sono-elektro-kimia lainnya. Ultrasonikator, probe ultrasonik (sonotrodes), sel aliran dan reaktor tersedia dalam berbagai ukuran – dari peralatan uji laboratorium yang ringkas hingga reaktor sonokimia skala besar. Ultrasonicators Hielscher tersedia berbagai kelas daya dari perangkat laboratorium dan bench-top hingga sistem industri yang mampu memproses beberapa ton per jam.

Kontrol Amplitudo yang Tepat

Amplitudo adalah salah satu parameter proses terpenting yang mempengaruhi hasil dari setiap proses ultrasonik. Penyesuaian amplitudo ultrasonik yang tepat memungkinkan untuk mengoperasikan ultrasonicators Hielscher pada amplitudo rendah hingga sangat tinggi dan untuk menyempurnakan amplitudo persis dengan kondisi proses ultrasonik yang diperlukan dari aplikasi seperti dispersi, ekstraksi dan sonokimia.
Memilih ukuran sonotrode yang tepat dan menggunakan klakson booster opsional untuk dan penambahan atau penurunan amplitudo tambahan memungkinkan untuk mengatur sistem ultrasonik yang ideal untuk aplikasi tertentu. Menggunakan probe / sonotrode dengan luas permukaan depan yang lebih besar akan menghilangkan energi ultrasonik di area yang luas dan amplitudo yang lebih rendah, sedangkan sonotrode dengan luas permukaan depan yang lebih kecil dapat menciptakan amplitudo yang lebih tinggi menciptakan titik panas kavitasi yang lebih fokus.

Hielscher Ultrasonics memproduksi sistem ultrasonik berkinerja tinggi dengan ketahanan yang sangat tinggi dan mampu memberikan gelombang ultrasound yang intens dalam aplikasi tugas berat dalam kondisi yang menuntut. Semua prosesor ultrasonik dibuat untuk memberikan daya penuh dalam operasi 24/7. Sonotrode khusus memungkinkan proses sonikasi di lingkungan bersuhu tinggi.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: