초음파 처리는 Fenton 반응을 향상시킵니다.

소노-펜톤 반응은 펜톤 화학 반응에 고출력 초음파를 결합하여 하이드록실 라디칼 생성을 촉진하고, 물질 전달을 개선하며, 산화 분해 과정을 가속화합니다. 연구실, 파일럿 플랜트 및 산업 현장에서 Hielscher 초음파 장치는 폐수 처리, 염료 분해, 토양 정화, 리그닌 전처리 및 화학적 분해와 같은 고급 산화 공정(AOP)을 개선할 수 있는 제어 가능하고 확장 가능한 방법을 제공합니다.

소노-펜톤 반응이란 무엇인가?

고전적인 펜톤 반응은 과산화수소(H₂O₂)와 철 촉매를 사용하여 반응성이 매우 높은 하이드록실 라디칼(•OH)을 생성합니다. 이 라디칼들은 유기 오염물질, 염료, 용매, 탄화수소, 리그닌 및 기타 난분해성 화합물을 산화시킵니다. 여기에 고출력 초음파를 가하면, 이 과정을 소노-펜톤 반응 또는 초음파 펜톤 반응이라고 부릅니다.

초음파 처리는 다음 두 가지 상호 보완적인 방식으로 펜튼 반응을 촉진합니다:

• 초음파 화학 효과: 음향 캐비테이션은 물의 초음파 분해와 추가적인 라디칼 생성을 촉진한다.
• 음향기계적 효과: 캐비테이션 마이크로제트와 전단력은 혼합, 촉매 분산, 계면적을 개선하고 물질 전달을 촉진합니다.

연구자와 공정 엔지니어에게 있어 실질적인 이점은 반응 시간을 단축하고, 오염물질 분해 효율을 높이며, 촉매 활용도를 개선하고, 펜톤(Fenton) 방식의 처리를 보다 쉽게 확대 적용할 수 있게 해주는 더욱 효율적인 산화 공정입니다.

고강도 초음파가 펜튼 반응을 어떻게 촉진하는가

고출력 초음파가 액체에 전달되면 음향 캐비테이션이 발생합니다. 미세한 기포는 압력 변화 주기에 따라 커졌다가 압축 단계에서 격렬하게 붕괴됩니다. 이러한 붕괴로 인해 순간적으로 매우 높은 온도와 압력을 보이는 국소적인 고온 영역이 생성됩니다. 수성 시스템에서 캐비테이션은 하이드록실 라디칼이나 과산화수소와 같은 반응성 물질의 생성을 촉진할 수 있습니다.

펜턴(Fenton) 또는 펜턴 유사 공정에서, 이러한 캐비테이션에 의한 화학 반응은 철 촉매에 의한 과산화수소(H₂O₂) 분해와 함께 작용합니다. 동시에 초음파 전단력은 산화제, 촉매, 부유 고형물 및 용존 오염 물질 간의 접촉을 향상시킵니다. 이로 인해 초음파는 특히 다음 분야에서 매우 유용합니다:

• 생분해성이 낮은 유기 오염 물질이 포함된 폐수;
• 마그네타이트, 게타이트, TiO₂ 또는 산화철과 같은 이종 촉매;
• 슬러리, 토양 현탁액, 바이오매스 현탁액 및 촉매가 함유된 액체;
• 신뢰할 수 있는 공정 확장이 필요한 배치 및 인라인 고급 산화 공정.

초음파 소노-펜톤 반응기의 장점

• 더 높은 산화 강도: 초음파는 활성산소 생성을 증가시키고 산화 분해 속도를 향상시킨다.
• 촉매 활용도 향상: 캐비테이션은 촉매를 분산시키고 액체와 고체 간의 접촉을 개선합니다.
• 반응 시간 단축: 라디칼 생성과 혼합을 강화하면 처리 시간을 단축할 수 있다.
• 확장 가능한 반응기 설계: Hielscher는 일정한 진폭 제어가 가능한 실험실용, 파일럿용 및 산업용 초음파 반응기를 제공합니다.
• 일괄 처리 또는 인라인 처리: 공정은 비커나 배치 탱크에서 개발된 후 연속 흐름 반응기로 이관될 수 있다.
• 프로세스 모니터링: Hielscher의 디지털 초음파 처리기는 진폭, 입력 전력, 온도, 압력 및 처리 시간을 정밀하게 제어할 수 있습니다.
• 연중무휴 24시간 산업 운영: 고성능 초음파 처리기는 연속적인 최대 부하 운전을 위해 설계되었습니다.

언제 소노-펜톤 처치를 고려해야 할까요?

소노-펜톤 처리는 기존의 펜톤 공정이 너무 느리거나, 촉매 접촉 시간이 제한적이거나, 오염 물질을 산화하기 어렵거나, 부유 고형물이 공정 효율을 저하시킬 때 가장 적합합니다. 또한 기본적인 산화 화학 반응을 변경하지 않은 채로 공정을 실험실 단계의 타당성 검증 단계에서 산업용 처리 용량 수준으로 확대해야 할 때에도 유용합니다.

소노-펜톤 공정 최적화를 위한 주요 공정 매개변수

초음파-펜톤 반응의 효율은 화학적 조건과 초음파 조건 모두에 따라 달라집니다. 타당성 조사 단계에서 Hielscher는 고객이 특정 폐수, 슬러리 또는 반응 혼합물에 적합한 운영 범위를 평가할 수 있도록 지원합니다.

• 초음파 진폭: 소노트로드에서 캐비테이션 강도를 제어하는 주요 매개변수.
• 전력 밀도 및 에너지 입력: 처리된 부피당 초음파 처리 강도를 산출한다.
• H₂O₂ 농도: 이는 라디칼 생성과 잔류 산화제 요구량에 영향을 미친다.
• 철 촉매의 종류 및 사용량: 철을 포함합니다²⁺, 나³⁺, 자철석, 게타이트, TiO₂ 보조 시스템 또는 고정화 촉매.
• pH 및 온도: 펜턴 반응의 반응 속도, 촉매 용해도 및 라디칼 반응 경로에 영향을 미친다.
• 체류 시간: 배치 탱크 또는 인라인 유동 반응기에서의 전환을 결정합니다.
• 압력: 가압식 초음파 반응기는 연속 운전 시 캐비테이션 현상을 강화할 수 있다.

사례 연구: 초음파를 이용한 펨튼 반응 강화

고출력 초음파가 펜톤 반응 및 펜톤 유사 반응에 미치는 긍정적인 효과는 화학 분해, 오염 제거, 바이오매스 전처리, 산업 폐수 처리 분야에서 연구되어 왔다. 아래의 사례들은 초음파가 다양한 시스템에서 라디칼 생성, 분해 속도 및 공정 효율을 어떻게 향상시킬 수 있는지 보여준다.

하이드록실 라디칼 생성을 증진시키는 초음파 촉매-펜톤 반응

니노미야 등(2013)은 초음파 처리, TiO₂, H₂O₂, 및 철 촉매를 결합하면 하이드록실 라디칼 생성이 현저히 증가함을 입증했다. 이 공정은 리그노셀룰로오스계 바이오매스의 전처리 단계로서 리그닌 분해에 적용되었으며, 이는 후속 효소 가수분해를 촉진하는 데 기여했다.

실험 설정: TiO₂ 입자(2 g/L), H₂O₂(100 mM) 및 FeSO₄·7H₂O (1 mM)를 시료 현탁액에 첨가했다. 현탁액은 Hielscher UP200S / UP200St 시리즈 초음파 처리기 35W의 초음파 출력을 가한 프로브 소노트로드를 사용하여 실험을 진행했다. 용기의 온도는 25°C로 유지되었다.

결과: 초음파 촉매-펜톤 반응에서는 DHBA 농도가 378 μM에 도달한 반면, 초음파와 TiO₂를 사용하지 않은 펜톤 반응에서는 115 μM에 그쳤다. 초음파 촉매-펜톤 처리를 적용했을 때 리그닌 분해 속도가 더 빠르게 증가했으며, 이는 초음파, 촉매 및 펜톤 화학 반응 간의 강력한 시너지 효과를 시사한다.

케나프 바이오매스의 주사전자현미경(SEM) 사진: (A) 미처리 대조군, (B) 초음파-촉매 처리, (C) 펜톤 처리, (D) 초음파-촉매-펜톤 처리. 전처리 시간: 360분. 눈금은 10 μm를 나타냅니다.
(사진 및 연구: ©Ninomiya et al., 2013)

초음파-펜톤 유사 토양 처리를 통한 나프탈렌 분해

Virkutyte 등(2009)은 초음파와 과산화수소를 병용하여 토양 내 나프탈렌의 분해 과정을 연구했다. 과산화수소 농도가 높고 초기 나프탈렌 농도가 낮을 때 가장 높은 분해 효율을 보였다. 100, 200, 400 W의 초음파 조사 시 각각 78%, 94%, 97%의 분해 효율이 보고되었다.

이 연구에서는 Hielscher 초음파 장치를 사용했다 업100H, UP200세인트그리고 UP400ST. 이러한 분해 효율의 향상은 자유 라디칼 생성과 토양 매트릭스 내 산화철과의 상호작용 증진 등을 포함한 초음파와 과산화수소의 시너지 효과에 기인한 것으로 나타났다.

초음파 조사 처리 전후의 토양 SEM–EDS 현미경 사진.
(그림 및 연구: ©Virkutyte et al., 2009)

이황화탄소의 초음파 산화

Adewuyi와 Appaw는 20kHz 및 20°C 조건에서 수용액 내 이황화탄소(CS₂)의 초음파 화학적 산화 반응을 입증했다. CS₂ 제거율은 초음파 강도가 높아질수록 증가했으며, 이는 더 강력한 캐비테이션 현상과 라디칼 생성 증가와 관련이 있었다. 이 연구는 초음파 화학 산화가 수성 유체에서 이황화탄소를 제거하는 효과적인 방법이 될 수 있음을 시사한다.

염료 및 섬유 폐수 처리를 위한 소노-펜턴 공정

섬유 및 관련 산업에서 발생하는 염료 함유 폐수는 많은 염료와 염료 부산물이 난분해성이고 유색이며 생분해성이 낮기 때문에 처리하기 어려울 수 있다. 펜톤(Fenton) 및 펜톤 유사 고급 산화 공정은 염료 분해에 널리 사용된다. 초음파는 라디칼 생성, 촉매 분산 및 물질 전달을 촉진함으로써 이러한 공정의 효율을 높일 수 있다.

리액티브 레드 120 염료의 분해

Garófalo-Villalta 등(2020)은 합성수에서 반응성 적색 120(RR-120) 염료의 분해 과정을 연구했다. 황산 제2철을 이용한 균질 소노-펜톤 처리와 게타이트 기반 촉매를 이용한 이질 소노-펜톤 처리를 비교하였다. 60분 만에 균질 공정은 98.10%의 염료 분해를 달성한 반면, 게타이트를 이용한 이종 공정은 pH 3.0에서 96.07%의 분해율을 달성했다.

또한 이 연구에서는 개질된 촉매가 일반 게타이트에 비해 분해 성능이 향상된 것으로 나타났습니다. COD, TOC 및 BOD/COD 측정 결과, 초음파-펜톤 처리는 용액의 탈색 효과뿐만 아니라 잔류 유기 화합물의 생분해성도 향상시킨 것으로 확인되었습니다. 사진은 HIELSCHER UP100H 실험에 사용된.

아조 염료 RO107의 이종 Sono-Fenton 분해

Jaafarzadeh 등(2018)은 자철석(Fe₃O₄)을 이용한 소노-펜톤(sono-Fenton) 유사 공정을 통해 아조 염료인 리액티브 오렌지 107(RO107)을 제거할 수 있음을 입증했다.₄) 나노입자를 촉매로 사용하여. 이 Hielscher UP400S / UP400St 시리즈 초음파 처리기 7mm 소노트로드가 장착된 장치를 사용하여 음향 캐비테이션을 발생시켰다.

결과: 0.8 g/L의 자철석 나노입자, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/L의 초음파 출력 및 25분의 반응 조건에서 아조 염료의 완전한 제거가 이루어졌다. 실제 섬유 폐수에서 COD는 180분 동안 2360 mg/L에서 489.5 mg/L로 감소했다. 저자들은 이질적 펜톤 유사 시스템에서 RO107의 분해 속도에 영향을 미치는 핵심 요인 중 하나로 초음파 출력을 확인했다.

초음파 처리를 사용한 고효율 자철광 합성에 대해 자세히 알아보십시오!

pH 5, 0.8 g/L의 자성 나노입자(MNPs), 10 mM 과산화수소(H₂O₂), 50 mg/L의 RO107, 300 W의 초음파 출력, 30분의 반응 시간 조건에서 RO107의 분해.
연구 및 사진: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

소노-펜톤 및 고급 산화 공정을 위한 Hielscher 초음파 처리기

Hielscher Ultrasonics는 펜톤 반응, 소노-펜톤 반응, 소노-광화학 반응 및 기타 첨단 산화 공정을 포함한 고부하 초음파 화학 처리를 위한 고성능 초음파 처리기 및 반응기를 설계 및 제조합니다. 당사의 시스템은 소형 실험실 장비부터 연속 생산 및 처리 공정에 사용되는 산업용 초음파 반응기에 이르기까지 다양하게 제공됩니다.

소노-펜톤 공정을 위한 초음파 장비 선정

아래 표는 일반적인 배치 용량 및 유량에 적합한 Hielscher 초음파 처리기를 안내해 드립니다. 최종 장비 선정은 공정 화학 성질, 목표 전환율, 체류 시간, 고형분 함량, 온도, 압력 및 필요한 에너지 투입량에 따라 결정됩니다.

소노-펜턴 타당성 시험을 시작하는 방법

신뢰할 수 있는 장비 추천을 위해 Hielscher는 일반적으로 화학 성분, 대상 오염 물질, 처리 용량, 유량, 산화제 투여량, 촉매 유형, pH 범위, 온도 한계 및 필요한 전환율을 검토합니다. 실험실 시험의 경우, UP200Ht, UP400St 또는 UIP1000hdT와 같은 실험실용 또는 벤치탑 프로브 초음파 처리기를 사용하여 필요한 에너지 투입량과 공정 범위를 결정하는 것이 일반적입니다.

지속적인 운전을 위해 Hielscher는 체류 시간, 압력, 온도 및 전력 입력을 제어할 수 있는 초음파 유동 셀과 인라인 반응기를 구성할 수 있습니다. 이를 통해 다양한 진폭과 유량 조건에서 처리 성능을 직접 비교할 수 있습니다.

소노-펜턴 반응에 관한 자주 묻는 질문

펜턴 처리와 소노-펜턴 처리의 차이점은 무엇인가요?

펜톤 처리는 과산화수소와 철 촉매를 사용하여 하이드록실 라디칼을 생성합니다. 소노-펜톤 처리는 여기에 고출력 초음파를 더한 것입니다. 초음파 캐비테이션은 라디칼 생성을 촉진하고, 혼합, 촉매 접촉 및 물질 전달을 개선합니다.

소노-펜턴 처리는 산업 폐수에 적용할 수 있습니까?

네. 소노-펜턴(Sono-Fenton) 처리는 산업 폐수, 염료 폐수, 석유화학 폐수, 오염된 슬러리 및 기타 난분해성 유기 화합물을 함유한 유체의 공정 개발에 활용됩니다. 산업적 적용 가능성은 오염 물질 부하량, 산화제 수요량, 촉매 시스템, 처리 목표 및 에너지 균형에 따라 달라집니다.

초음파를 사용하면 화학 물질 사용량을 줄일 수 있을까요?

초음파는 라디칼 생성과 물질 이동을 촉진함으로써 산화제 및 촉매의 활용도를 높일 수 있습니다. 화학 물질 소비량을 줄일 수 있는지 여부는 실제 폐수나 반응 혼합물을 사용한 실험을 통해 확인해야 합니다.

이 프로세스는 확장성이 있습니까?

네. Hielscher 초음파 장치는 확장 가능한 공정 개발을 위해 설계되었습니다. 진폭, 에너지 입력, 체류 시간, 온도, 압력 및 반응기 형상을 조절함으로써 실험실 테스트 결과를 파일럿 및 산업용 시스템으로 적용할 수 있습니다.

제 공정에 어떤 초음파 처리기가 적합할까요?

적합한 초음파 장치는 시료량, 유량, 목표 전환율, 고형분 함량, 점도, 작동 온도 및 압력에 따라 달라집니다. Hielscher는 실험실용 초음파 처리기, 파일럿 시스템 및 연속 처리를 위한 산업용 초음파 반응기를 제공합니다.

소노-오존 처리 공정이란 무엇인가요?

초음파 오존 처리는 오존 처리와 고출력 초음파를 결합하여 반응성이 더 높은 라디칼을 생성하고 액체 내의 물질 전달을 개선하는 첨단 산화 공정입니다. 이러한 시너지 효과로 인해 물이나 폐수 내의 유기 오염물질, 염료, 미생물 및 난분해성 화합물의 분해 속도가 오존 처리만 시행할 때보다 훨씬 빨라집니다.

소노-오존 처리의 장점을 확인해 보세요!

문헌 / 참고문헌