超音波処理はフェントン反応を改善します

フェントン反応はヒドロキシル・OHラジカルや過酸化水素(H)などのフリーラジカルの生成に基づいています。2ザ・2).フェントン反応は、超音波と組み合わせると大幅に強化することができます。フェントン反応とパワー超音波の単純で、しかし非常に有効性の高い組み合わせは、所望のラジカル形成を劇的に改善し、それによってプロセスの激化効果を示した。

パワー超音波はどのようにフェントン反応を改善しますか?

Ultrasonic cavitation at Hielschers UIP1000hdT (1kW) ultrasonicator高出力/高性能超音波が水などの液体に結合されると、音響キャビテーションの現象が観察される。キャビテーションホットスポットでは、微小な真空気泡が発生し、パワー超音波によって引き起こされるいくつかの高圧/低圧サイクルにわたって成長します。その時点で、真空泡がより多くのエネルギーを吸収できない場合、空隙は高圧(圧縮)サイクル中に激しく崩壊します。この気泡の爆発は、5000 Kの高い温度、100 MPaの高い圧力、非常に高い温度と圧力の差が発生する非常に極端な条件を生成します。破裂キャビテーション気泡はまた、水の加水分解(ソノケミカル効果)によるOHラジカルなどのフリーラジカル種と同様に、非常に強い剪断力(ソノメカニカル効果)を有する高速液体マイクロジェットを生成する。フリーラジカル形成のソノケミカル効果は、超音波で強化フェントン反応のための主要な貢献者であり、攪拌のソノメカニカル効果は、化学変換速度を向上させる物質移動を改善する一方で。
(左の写真は、ソトロードで発生する音響キャビテーションを示しています。 超音波処理器 UIP1000hd.下部からの赤色光は、視認性向上のために使用されます)

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Ultrasonication improves oxidative Fenton reactions.

大規模なソノフェントン反応のための工業用超音波インライン反応器。

ソンケミカル強化フェントン反応の模範的なケーススタディ

フェントン反応に対するパワー超音波のプラスの効果は、化学分解、除染、分解などの様々な用途の研究、パイロットおよび産業環境で広く研究されています。フェントンとソノフェントン反応は、鉄触媒を用いた過酸化水素分解に基づいており、反応性の高いヒドロキシルラジカルの形成をもたらす。
ヒドロキシル(•OH)ラジカルなどのフリーラジカルは、酸化反応を強めるプロセスで意図的に生成されることが多く、例えば、廃水中の有機化合物などの汚染物質を分解する。パワー超音波はフェントン型反応におけるフリーラジカル形成の補助源であるため、フェントン反応と組み合わせた超音波処理は、汚染物質、有害化合物、ならびにセルロース材料を劣化させるために汚染物質分解率を高める。これは、超音波に強められたフェントン反応、いわゆるソノフェントン反応を、フェントン反応を大幅に効率的にするヒドロキシルラジカル産生を改善できることを意味する。

OHラジカル生成を増強するためのソノ触媒-フェントン反応

二宮ら(2013)は、フェントン反応をソノカタリ的に強化したことを実証する – 触媒として二酸化チタン(TiO2)と組み合わせた超音波を使用して – は、著しく増強されたヒドロキシル(•OH)ラジカル生成を示す。高性能超音波の適用は、高度な酸化プロセス(AOP)を開始することを可能にした。TiO2粒子を用いたソノ触媒反応が様々な化学物質の分解に応用されている一方で、二宮の研究チームは、リグニン(植物の細胞壁における複雑な有機ポリマー)を分解するために効率的に生成された/OHラジカルを使用し、その後の酵素加水分解を促進するためのリグノセルロース系材料の前処理として使用しました。
その結果、TiO2をソノ触媒として使用したソノ触媒性フェントン反応が、リグニンの分解を高めるだけでなく、その後の酵素糖化を高めるためにリグノセルロース系バイオマスの効率的な前処理であることを示す。
手順: ソノ触媒-フェントン反応では、TiO2粒子(2g/L)およびフェントン試薬(すなわち、H2O2(100mM)およびFeSO4·7H2O(1mM))の両方をサンプル溶液または懸濁液に添加した。ソノ触媒-フェントン反応の場合、反応容器内のサンプル懸濁液を180分間超音波処理した。 プローブ型超音波プロセッサUP200S(200W、24kHz) ソトロードS14を超音波パワーで35 W。反応容器を冷却サーキュレーターを用いて25°Cの温度を維持した水浴に入れた。超音波は、任意の光誘発効果を避けるために暗闇の中で行われました。
影響: このソノ触媒フェントン反応時のOHラジカル発生の相乗的増強は、フェントン反応によって形成されたFe3+が、ソノ触媒反応との反応結合によって誘導されたFe2+に再生されることに起因する。
結果:ソノ触媒フェントン反応の場合、DHBA濃度は相乗的に378μMに増強され、フェントン反応は超音波なし、TiO2は115μMのDHBA濃度しか達成しなかった。フェントン反応下のケナフバイオマスのリグニン分解はリグニン分解比のみを達成し、kD = 0.26分−1で直線的に120分まで増加し、180分で49.9%に達した。ソノ触媒-フェントン反応では、リグニン分解率はkD = 0.57分−1で直線的に60分まで増加し、180分で60.0%に達した。

Ultrasonication in combination with TiO2 as sonocatalyst improves Fenton reaction and hydroxyl radical formation.

ケナフバイオマス(A)未処理対照の走査電子顕微鏡写真(SEM)は、(B)ソノ触媒(US/TiO2)、(C)フェントン(H2O2/Fe2+)、(D)ソノ触媒-フェントン(US/TiO2+H2O2/Fe2+)反応で前処理した。前処理時間は360分であった。バーは10 μmを表します。
(絵・研究:©二宮ら、2013年)

Ultrasonicator UIP1000hdT in a batch reactor used for a sono-Fenton reaction

ソノフェントン反応は、バッチおよびインラインリアクターのセットアップで実行することができます。画像は、 超音波プロセッサUIP1000hdT(1kW、20kHz) 25リットルのバッチで。

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ソノケミカルフェントンによるナフタレン分解

ナフタレン分解の最高の割合は、適用されたすべての超音波照射強度の両方の要因の最高(600mg L-1過酸化水素濃度)と最低(200mg kg1ナフタレン濃度)レベルの交点で達成された。100、200、および400Wでの超音波処理をそれぞれ適用した場合、78%、94%、および97%のナフタレン分解効率をもたらした。彼らの比較研究では、研究者はヒールシャー超音波処理器を使用しました UP100HUP200St、および UP400St.分解効率の有意な増加は、適用超音波およびラジカルのより効率的な生産によってFe酸化物の増大表面積に翻訳された両方の酸化源(超音波および過酸化水素)の相乗作用に起因した。最適値(過酸化水素600mg L-1、200および400Wでのナフタレン濃度200mg kg1)は、2時間の治療後に土壌中のナフタレン濃度を最大97%減少させた。
(2009年ヴァークーティテら)

Ultrasonic soil remediation via Sono-Fenton reaction.

A)元素マッピングのSEM-EDSマイクログラムおよびb)前およびc)超音波照射処理後の土壌
(絵と研究:©Virkutyteら、2009年)

ソノケミカルカーボン二硫化物分解

Ultrasonic batch reactor for Sono-Fenton reactions.AdewuyiとAppawは、超音波処理下の超音波処理下での二硫化炭素(CS2)の20kHzおよび20°Cの周波数での二硫化炭素(CS2)の酸化に成功したことを実証した。 水溶液からのCS2の除去は、超音波強度の増加に伴って有意に増加した。強度が高いほど音響振幅が増加し、キャビテーションが激しくなる。CS2から硫酸へのソノケミカル酸化は、その組換え反応から生成される•OHラジカルおよびH2O2による酸化を主に経て進行する。さらに、この研究における低温度範囲と高温範囲の低いEA値(42kJ/mol未満)は、拡散制御輸送プロセスが全体的な反応を決定することを示唆している。超音波キャビテーション中に、H•および圧縮段階中の•OHラジカルを生成するために空洞内に存在する水蒸気の分解は既によく研究されている。•OHラジカルは、気相と液相の両方で強力で効率的な化学酸化剤であり、無機および有機基質との反応は、多くの場合、拡散制御速度に近い。水質分解は、ヒドロキシルラジカルおよび水素原子を介してH2O2および水素ガスを生成する、よく知られており、任意のガス、O2、または純粋なガス(例えば、Ar)の存在下で発生する。この結果は、界面反応域へのフリーラジカルの拡散の可用性および相対的な速度(例えば、•OH)が、速度制限ステップおよび反応の全体的な順序を決定することを示唆している。全体的に、酸化分解を増強したソノケミカルは、二硫化炭素除去に有効な方法である。
(アデウイとアポー、2002)

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超音波フェントン様染料分解

生産に染料を使用する産業からの排水は環境問題であり、排水を修復するために効率的なプロセスが必要です。酸化フェントン反応は、染料廃液の治療に広く使用されています, 改善されたソノフェントンプロセスは、その強化された効率とその環境に配慮しているためにますます注目を集めています.

反応性赤120染料の分解に対するソーノ-フェントン反応

Ultrasonicator UP100H in the experiments for red dye degradation via sono-Fenton reaction.合成水域における反応性赤120色素(RR-120)の劣化を検討した。鉄(II)硫酸塩とヘロジニアスなソノフェントンをシリカと解石砂(修飾触媒GS(修飾触媒GS(シリカ砂に堆積したゴエテシテ)とGC(ゴエサイト)を含む均質なソノフェントンを考慮した。60分間の反応で、均質なソノフェントンプロセスは、pH 3.0でゲテアイトを用いた異種ソノフェントンプロセスの96.07%とは対照的に、98.10%の分解を可能にした。RR-120の除去は、改変触媒を裸のゲーテテの代わりに使用した場合に増加した。化学酸素需要(COD)とトータルオーガニックカーボン(TOC)測定では、均質なソーノフェントンプロセスで最も高いTOCおよびCOD除去が達成されたことを示しました。生化学的酸素需要(BOD)測定により、BOD/CODの最高値が異種のソノフェントンプロセス(変性触媒GCを用いた0.88±0.04)で達成されたことを発見し、残留有機化合物の生分解性が著しく向上したことを実証しました。
(2020年ガロファロ=ビジャルタら)
左の写真は、 超音波処理器 UP100H ソノフェントン反応による赤色染料分解の実験に使用されます。(研究と写真:©ガロファロ・ビジャルタら、2020年)

異種ソーノフェントン分解物のアゾ染料RO107

Ultrasonication promotes Fenton reactions resulting in higher radical formation. Thereby, higher oxidation and improved conversion rates are obtained. Jaafarzadehら(2018)は、マグネタイト(Fe3O4)ナノ粒子(MNP)を触媒として用いたソノフェントン様分解過程を介したアゾ染料反応性オレンジ107(RO107)の除去に成功したことを実証した。彼らの研究では、彼らは ヒールシャーUP400S超音波処理器 所望のラジカル形成を得るために音響キャビテーションを発生させる50%の義務周期(1 s on/1 s off)で7mmソトロードを装備した。マグネタイトナノ粒子はペルオキシダーゼ様触媒として機能し、従って触媒投与量の増加はより活性な鉄部位を提供し、反応性OHの産生につながるH2O2の分解を加速させる。
結果: アゾ色素の完全除去は、0.8 g/L MPN、pH= 5、10 mM H2O2濃度、300 W/L超音波パワー、25分反応時間で得られた。この超音波ソノフェントン様反応系も、実際の繊維廃水について評価した。その結果、化学酸素需要(COD)は180分反応時間中に2360mg/Lから489.5mg/Lに減少した。また、米国/Fe3O4/H2O2についてもコスト分析を行いました。最後に、超音波/Fe3O4/ H2O2は、色付き廃水の脱色および処理において高効率を示した。
超音波パワーの増加は、反応性とマグネタイトナノ粒子の表面積の向上につながり、Fe3+からFe2+への変換速度を促進しました。この生成として'Fe2+は、ヒドロキシルラジカルを生成するためにH2O2反応を触媒した。その結果、超音波パワーの増加は、接触時間の短い期間内に脱色速度を加速することにより、US/MNPs/H2O2プロセスの性能を高めることが示された。
研究の著者は、超音波パワーは、異種フェントン様系におけるRO107色素の分解速度に影響を与える最も重要な因子の一つであると指摘している。
超音波処理を使用して、非常に効率的なマグネタイト合成についての詳細を学びます!
(cf. Jaafarzadeh et al., 2018)

Ultrasonic power is one of the most essential factors influencing on the degradation rate of RO107 dye in the heterogeneous Fenton-like system.

RO107分解は、pH5の異なる組み合わせで、MNPs投与量は0.8g/L、H2O2濃度は10mM、RO107濃度は50mg/L、超音波出力は300W、反応時間は30分である。
研究と写真: ©ジャファルザデら, 2018.

ヘビーデューティーultrasonicators

ヒールシャー超音波設計、製造し、高度な酸化プロセス(AOP)、フェントン反応、ならびに他のソノ化学、ソノフォト化学、およびソノ電気化学反応などの頑丈なアプリケーションのための高性能超音波プロセッサと反応器を製造し、配布しています。超音波処理器、超音波プローブ(ソトロード)、フローセル、リアクトルは、任意のサイズでご利用いただけます – コンパクトな実験室試験装置から大規模なソノケミカル原子炉まで。ヒールシャー超音波装置は、実験室やベンチトップデバイスから1時間あたり数トンを処理することができる産業システムに多数のパワークラスを利用できます。

精密振幅制御

Ultrasonic reactor with 4000 watts ultrasonicator for processing spent nuclear fuels and radioactive waste振幅は、超音波プロセスの結果に影響を与える最も重要なプロセスパラメータの1つです。超音波振幅の精密な調整は、非常に高い振幅に低いヒールシャー超音波器を操作し、分散、抽出やソノケミストリーなどのアプリケーションの必要な超音波プロセス条件に正確に振幅を微調整することができます。
右ソノトロードサイズを選択し、必要に応じて、昇給の追加の増加または減少のためのブースターホーンを使用して、特定のアプリケーションのための理想的な超音波システムを設定することができます。より大きな前面領域を有するプローブ/ソトロードを使用すると、広い領域と低い振幅にわたって超音波エネルギーが消散し、より小さな前面領域を持つソトロードは、より集中キャビテーションホットスポットを作成するより高い振幅を作成することができます。

ヒールシャー超音波は、非常に高い堅牢性の高性能超音波システムを製造し、厳しい条件下で頑丈なアプリケーションで強烈な超音波を提供することが可能です。すべての超音波プロセッサは、24時間365日の動作でフルパワーを提供するために構築されています。特別なソトロードは高温環境の超音波処理プロセスを可能にする。

ヒールシャー化学ソノ原子炉の利点

  • バッチおよびインラインリアクタ
  • 工業用グレード
  • 24/7/365 全負荷運転
  • 任意のボリュームおよび流量
  • 様々な原子炉容器設計
  • 温度制御
  • 加圧可能
  • 簡単に清掃する
  • インストールが簡単
  • 安全に操作可能
  • 堅牢性 + 低メンテナンス
  • オプションで自動化

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量 流量 推奨デバイス
500mLの1〜 200mL /分で10 UP100H
2000mlの10〜 20 400mLの/分 Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ 04L /分の0.2 UIP2000hdT
100Lへ10 10L /分で2 UIP4000hdT
N.A。 10 100L /分 UIP16000
N.A。 大きな のクラスタ UIP16000

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Ultrasonication significantly improves the efficiency of Fenton reactions, since power ultrasound increases the formation of fee radicals.

ソノケミカルバッチセットアップ 超音波処理器 UIP1000hdT (1000 ワット、20kHz) ソノフェントン反応のため。


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合するための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。



文献 / 参考文献


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

ヒールシャー超音波は、から高性能超音波ホモジナイザーを製造しています ラボ産業サイズ。


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