Ultraschallbehandlung verbessert Fenton-Reaktiounen

Sono-Fenton-Reaktioune kombinéieren d’Fenton-Chemie mat Héichleeschtungsultraschall, fir d’Bildung vun Hydroxylradikaler ze verstäerken, de Stofftransport ze verbesseren an oxidativ Ofbauprozesser ze beschleunegen. Fir Laboratoiren, Pilotanlagen an industriell Benotzer bidden Hielscher Ultraschallapparater eng kontrolléierbar a skaléierbar Méiglechkeet, fortgeschratt Oxidatiounsprozesser (AOPs) wéi d’Ofwaasserbehandlung, de Faarfstoffofbau, d’Buedemsanéierung, d’Virbehandlung vu Lignin an d’cheemesch Zersetzung ze verbesseren.

Wat ass eng Sono-Fenton-Reaktioun?

Déi klassesch Fenton-Reaktioun benotzt Waasserstoffperoxid (H₂O₂) an Eisenkatalysatoren, fir héichreaktiv Hydroxylradikaler (•OH) ze bilden. Dës Radikaler oxidéieren organesch Schuedstoffer, Faarfstoffer, Léisungsmëttel, Kuelewaasserstoffer, Lignin an aner schwéier ofbaubar Verbindungen. Wann Leeschtungsultraschall dobäikënnt, gëtt de Prozess als Sono-Fenton-Reaktioun oder als Ultraschall-Fenton-Reaktioun bezeechent.

D’Ultraschallbehandlung verbessert d’Fenton-Chemie op zwou komplementär Aart a Weisen:

• Sonocheemeschen Effekt: akustesch Kavitatioun fërdert d’Sonolyse vu Waasser an d’Bildung vun zousätzleche Radikaler.
• Sonomechaneschen Effekt: Mikrostrale vun der Kavitatioun a Schéierkräfte verbesseren d’Vermëschung, d’Dispersioun vum Katalysator, d’Gréisst vun de Grenzflächen an de Stofftransport.

Fir Fuerscher a Prozessingenieuren ass de praktesche Virdeel e méi intensiven Oxidatiounsprozess, deen d’Reaktiounszäit verkierzen, de Schuedstoffofbau verbesseren, d’Ausnotzung vum Katalysator erhéijen an d’Skaléierung vu Behandlungen nom Fenton-Prinzip vereinfachen kann.

Wéi Leeschtungsultraschall Fenton-Reaktioune verbessert

Wann Héichleeschtungsultraschall an eng Flëssegkeet agekoppelt gëtt, entsteet akustesch Kavitatioun. Mikroskopesch Damphuelraim wuessen am Laf vun ofwiesselnden Drockzyklen a kollabéiere wärend der Kompressioun hefteg. Dëse Kollaps erzeugt lokal Hëtztpunkten mat ganz héijen, kuerzzäitegen Temperaturen an Drécker. A waasserege Systemer kann d’Kavitatioun d’Bildung vu reaktive Spezies wéi Hydroxylradikaler a Waasserstoffperoxid fërderen.

An engem Fenton- oder Fenton-änleche Prozess wierkt dës duerch Kavitatioun ugedriwwe Chemie zesumme mat der duerch Eisen katalyséierter Zersetzung vun H₂O₂. Gläichzäiteg verbesseren d’Schéierkräfte vum Ultraschall de Kontakt tëscht Oxidatiounsmëttelen, Katalysatoren, suspendéierte Feststoffer a opgeléiste Veronrengegungen. Dat mécht Ultraschall besonnesch wäertvoll fir:

• Ofwaasserstréim mat organesche Veronrengegungen, déi biologesch nëmme schlecht ofbaubar sinn;
• heterogen Katalysatore wéi Magnetit, Goethit, TiO₂ oder Eisenoxiden;
• Schlämmen, Buedemsuspensiounen, Biomasssuspensiounen a mat Katalysatore beluede Flëssegkeeten;
• fortgeschratt Oxidatiounsprozesser am Chargen- an Inlinebetrib, déi eng zouverlässeg Skaléierung erfuerderen.

Virdeeler vun Ultraschallreaktore fir Sono-Fenton-Prozesser

• Méi héich Oxidatiounsintensitéit: Ultraschall erhéicht d’Bildung vu Radikaler a verbessert d’Kinetik vum oxidativen Ofbau.
• Besser Ausnotzung vum Katalysator: Kavitatioun dispergéiert Katalysatoren a verbessert de Kontakt tëscht Flëssegkeet a Feststoff.
• Méi kuerz Reaktiounszäiten: eng verstäerkt Bildung vu Radikaler a méi intensiv Vermëschung kënnen d’Behandlungszäit verkierzen.
• Skaléierbare Reaktordesign: Hielscher bitt Ultraschallreaktore fir de Laboratoire, de Pilotbetrib an d’Industrie mat gläichbleiwender Amplitudereegelung.
• Chargen- oder Inlinebetrib: Prozesser kënnen a Becherglieser oder Chargentanken entwéckelt an op kontinuéierlech Duerchflossreaktoren iwwerdroe ginn.
• Prozessiwwerwaachung: digital Hielscher Ultraschallapparater erlaben d’Kontroll vun der Amplitud, der agebrachter Leeschtung, der Temperatur, dem Drock an der Veraarbechtungszäit.
• Industrielle Betrib 24/7: Ultraschallprozessoren fir schwéier industriell Uwendunge si fir e kontinuéierleche Betrib ënner Volllaascht konzipéiert.

Wéini sollt Dir eng Sono-Fenton-Behandlung a Betruecht zéien?

Eng Sono-Fenton-Behandlung ass besonnesch relevant, wann e konventionelle Fenton-Prozess ze lues ass, de Kontakt mam Katalysator limitéiert ass, Veronrengegungen nëmme schwéier oxidéiert kënne ginn oder suspendéiert Feststoffer d’Prozesseffizienz reduzéieren. Si ass och nëtzlech, wann e Prozess vun der Machbarkeet am Labo bis zu engem industriellen Duerchsaz entwéckelt muss ginn, ouni déi grondleeënd Oxidatiounschemie ze änneren.

Wichteg Prozessparameter fir d’Sono-Fenton-Optiméierung

D’Effizienz vun enger Sono-Fenton-Reaktioun hänkt souwuel vu cheemesche wéi och vun Ultraschallparameteren of. Bei Machbarkeetstester hëlleft Hielscher de Clienten, de relevante Betribsberäich fir dat jeeweilegt Ofwaasser, déi jeeweileg Schlammsuspensioun oder Reaktiounsmëschung ze evaluéieren.

• Ultraschallamplitude: den Haaptparameter, deen d’Kavitatiounsintensitéit un der Sonotrod steiert.
• Leeschtungsdicht an Energieandrag: bestëmmen déi sonocheemesch Intensitéit pro behandelt Volumen.
• H₂O₂-Konzentratioun: beaflosst d’Radikalbildung an de verbleiwende Bedarf un Oxidatiounsmëttel.
• Typ an Doséierung vum Eisenkatalysator: ëmfaasst Fe²⁺, Fe³⁺, Magnetit, Goethit, Systemer mat TiO₂-Ënnerstëtzung oder immobiliséiert Katalysatoren.
• pH an Temperatur: beaflossen d’Kinetik vun der Fenton-Reaktioun, d’Léislechkeet vum Katalysator an d’Reaktiounsweeër vun de Radikaler.
• Verweilzäit: bestëmmt den Ëmsaz a Chargenbehälter oder Inline-Duerchflossreakteren.
• Drock: Ultraschallreakteren, déi ënner Drock gesat kënne ginn, kënnen d’Kavitatiounsbedéngungen am kontinuéierleche Betrib intensivéieren.

Fallstudien: Fenton-Reaktiounen, déi duerch Ultraschall verstäerkt ginn

Déi positiv Auswierkunge vu Leeschtungsultraschall op Fenton- a Fenton-änlech Reaktioune goufe fir de cheemeschen Ofbau, d’Dekontaminatioun, d’Virbehandlung vu Biomass an d’Behandlung vun Industrieofwaasser ënnersicht. Déi follgend Beispiller weisen, wéi Ultraschall d’Radikalbildung, d’Ofbaugeschwindegkeet an d’Prozesseffizienz a verschiddene Systemer verbessere kann.

Sonokatalytesch–Fenton-Reaktioun fir eng verstäerkt Bildung vun Hydroxylradikaler

Ninomiya et al. (2013) hu gewisen, datt d’Kombinatioun vun Ultraschallbehandlung, TiO₂, H₂O₂ an engem Eisenkatalysator d’Bildung vun Hydroxylradikaler däitlech verstäerkt huet. De Prozess gouf fir den Ofbau vu Lignin als Virbehandlungsschrëtt fir lignocellulosesch Biomass agesat an huet déi uschléissend enzymatesch Hydrolys ënnerstëtzt.

Versuchsopbau: TiO₂-Partikelen (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) a FeSO₄·7H₂O (1 mM) goufen der Proufsuspensioun bäigefüügt. D’Suspensioun gouf fir 180 min mam Ultraschallprozessor vun der Klass Hielscher UP200S / UP200St mat enger Sondesonotrod bei enger Ultraschallleeschtung vu 35 W beschallt. D’Temperatur vum Behälter gouf op 25 °C gereegelt.

Resultat: Déi sonokatalytesch–Fenton-Reaktioun huet eng DHBA-Konzentratioun vun 378 μM erreecht, am Verglach zu 115 μM bei der Fenton-Reaktioun ouni Ultraschall an TiO₂. Den Ofbau vu Lignin huet ënner der sonokatalytescher–Fenton-Behandlung méi séier zougeholl, wat op eng staark Synergie tëscht Ultraschall, Katalysator a Fenton-Chemie hiweist.

Rasterelektronemikroskopesch Opnamen (SEM) vu Kenaf-Biomass: (A) onbehandelt Kontrollprouf, (B) sonokatalytesch Behandlung, (C) Fenton-Behandlung an (D) sonokatalytesch–Fenton-Behandlung. Virbehandlungszäit: 360 min. D’Moossstafsstrécher entspriechen 10 μm.
(Bild a Studie: ©Ninomiya et al., 2013)

Ofbau vun Naphthalin duerch eng Sono-Fenton-änlech Buedembehandlung

Virkutyte et al. (2009) hunn den Ofbau vun Naphthalin am Buedem duerch d’Kombinatioun vun Ultraschall a Waasserstoffperoxid ënnersicht. Déi héchst Ofbaueffizienz gouf bei enger héijer Waasserstoffperoxidkonzentratioun an enger niddreger Ufankskonzentratioun vun Naphthalin erreecht. Bei Ultraschallbestralung mat 100, 200 an 400 W goufen Ofbaueffizienze vu respektiv 78%, 94% an 97% gemellt.

An der Etüd goufen Hielscher-Ultraschallapparater agesat: UP100H, UP200St an UP400St. De verbesserten Ofbau gouf dem synergisteschen Effekt vun Ultraschall a Waasserstoffperoxid zougeschriwwen, dorënner d’Bildung vu Radikaler an eng verbessert Wiesselwierkung mat Eisenoxiden an der Buedemmatrix.

SEM–EDS-Mikroopnam vu Buedem virun an no der Behandlung mat Ultraschallbestralung.
(Bild an Etüd: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonocheemesch Oxidatioun vu Kuelestoffdisulfid

Adewuyi an Appaw hunn d’sonocheemesch Oxidatioun vu Kuelestoffdisulfid (CS₂) a wässereger Léisung bei 20 kHz an 20°C nogewisen. D’Entfernung vu CS₂ huet mat der Ultraschallintensitéit zougeholl, wat mat méi staarker Kavitatioun an enger verstäerkter Bildung vu Radikaler a Verbindung bruecht gouf. D’Etüd weist drop hin, datt d’sonocheemesch Oxidatioun eng effikass Method ka sinn, fir Kuelestoffdisulfid aus wässerege Stréim ze entfernen.

Sono-Fenton-Behandlung fir Ofwaasser aus der Faarfstoff- an Textilindustrie

Faarfstoffhaltegt Ofwaasser aus der Textilindustrie a verbonnenen Industrien ka schwéier ze behandele sinn, well vill Faarfstoffer an Nieweprodukter vu Faarfstoffer schwéier ofbaubar, faarweg a schlecht biologesch ofbaubar sinn. Fenton- a Fenton-änlech fortgeschratt Oxidatiounsprozesser gi breet fir den Ofbau vu Faarfstoffer agesat. Ultraschall kann dës Prozesser verbesseren, andeems en d’Bildung vu Radikaler, d’Dispersioun vu Katalysatoren an de Stofftransport verstäerkt.

Ofbau vum Faarfstoff Reactive Red 120

Garófalo-Villalta et al. (2020) hunn den Ofbau vum Faarfstoff Reactive Red 120 (RR-120) a syntheeteschem Waasser ënnersicht. Eng homogen Sono-Fenton-Behandlung mat Eisen(II)-sulfat an eng heterogen Sono-Fenton-Behandlung mat Katalysatoren op Goethitbasis goufe verglach. A 60 min huet den homogene Prozess e Faarfstoffofbau vun 98,10% erreecht, wärend den heterogene Prozess mat Goethit bei engem pH vun 3,0 en Ofbau vun 96,07% erreecht huet.

D’Etüd huet och festgestallt, datt modifizéiert Katalysatoren d’Ofbauleeschtung am Verglach mat onmodifizéiertem Goethit verbessert hunn. COD-, TOC- a BOD/COD-Miessungen hu gewisen, datt d’Sono-Fenton-Behandlung d’Léisung net nëmmen entfierft huet, mee och d’biologesch Ofbaubarkeet vun de verbleiwenden organesche Verbindunge verbessert huet. D’Bild weist den Hielscher UP100H deen an den Experimenter agesat gouf.

Heterogene Sono-Fenton-Ofbau vum Azofaarfstoff RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) hunn d’Entfernung vum Azofaarfstoff Reactive Orange 107 (RO107) mat engem Sono-Fenton-änleche Prozess mat Magnetit (Fe₃O₄)-Nanopartikelen als Katalysator nogewisen. Den Ultraschallapparat vun der Klass Hielscher UP400S / UP400St mat enger 7 mm Sonotrod gouf agesat, fir akustesch Kavitatioun ze generéieren.

Resultat: Eng komplett Entfernung vum Azofaarfstoff gouf bei 0,8 g/L Magnetit-Nanopartikelen, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/L Ultraschallleeschtung an enger Reaktiounszäit vu 25 min erreecht. A realem Textilofwaasser gouf de COD bannent 180 min vun 2360 mg/L op 489,5 mg/L reduzéiert. D’Auteuren hunn d’Ultraschallleeschtung als ee vun de wesentleche Facteuren identifizéiert, déi d’Ofbaugeschwindegkeet vum RO107 am heterogene Fenton-änleche System beaflossen.

Léiert méi iwwer déi héicheffizient Synthes vu Magnetit mat Ultraschall!

RO107-Ofbau bei pH 5, 0,8 g/L MNPs, 10 mM H₂O₂, 50 mg/L RO107, 300 W Ultraschallleeschtung an enger Reaktiounszäit vun 30 min.
Etüd a Bild: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Hielscher-Ultraschallapparater fir Sono-Fenton- a fortgeschratt Oxidatiounsprozesser

Hielscher Ultrasonics entwéckelt a fabrizéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallprozessoren a Reaktere fir sonocheemesch Uwendunge mat héijer Belaaschtung, dorënner Fenton-Reaktiounen, Sono-Fenton-Reaktiounen, sono-photocheemesch Reaktiounen an aner fortgeschratt Oxidatiounsprozesser. D’Systemer reeche vu kompakte Laborapparater bis zu industriellen Ultraschallreaktere fir kontinuéierlech Produktioun a fir Stréim, déi behandelt ginn.

Auswiel vun Ultraschallausrüstung fir Sono-Fenton-Prozesser

Déi follgend Tabell gëtt eng Orientéierung iwwer gëeegent Hielscher Ultraschallapparater fir typesch Chargevolumen an Duerchflossraten. Déi definitiv Auswiel vun der Ausrüstung hänkt vun der Prozesscheemie, dem ugestriefte Ëmsaz, der Verweilzäit, dem Feststoffgehalt, der Temperatur, dem Drock an dem néidegen Energieantrag of.

Wéi Dir e Sono-Fenton-Machbarkeetstest ufänkt

Fir eng zouverlässeg Recommandatioun vun der Ausrüstung iwwerpréift Hielscher normalerweis d’Cheemie, d’Zilschuedstoffer, de Behandlungsvolumen, d’Duerchflossrate, d’Doséierung vum Oxidatiounsmëttel, de Katalysatortyp, de pH-Beräich, d’Temperaturgrenzen an den erfuerderlechen Ëmsaz. Fir Laborversich gëtt gewéinlech en Ultraschallapparat mat Sond fir de Laboratoire oder den Aarbechtsdësch, wéi den UP200Ht, UP400St oder UIP1000hdT, benotzt, fir den néidegen Energieantrag an de Prozessberäich ze bestëmmen.

Fir de kontinuéierleche Betrib kann Hielscher Ultraschall-Duerchflosszellen an Inline-Reaktere mat gereegelter Verweilzäit, gereegeltem Drock, gereegelter Temperatur a gereegeltem Leeschtungsantrag konfiguréieren. Dëst erméiglecht en direkte Verglach vun der Behandlungsleeschtung bei verschiddenen Amplituden an Duerchflossraten.

Heefeg gestallte Froen iwwer Sono-Fenton-Reaktiounen

Wat ass den Ënnerscheed tëscht enger Fenton- an enger Sono-Fenton-Behandlung?

D’Fenton-Behandlung benotzt Waasserstoffperoxid an Eisekatalysatoren, fir Hydroxylradikaler ze bilden. Bei der Sono-Fenton-Behandlung kënnt Leeschtungsultraschall dobäi. D’Ultraschallkavitatioun erhéicht d’Radikalbildung a verbessert d’Vermëschung, de Kontakt mam Katalysator an de Stofftransport.

Kann d’Sono-Fenton-Behandlung fir industriellt Ofwaasser benotzt ginn?

Jo. D’Sono-Fenton-Behandlung gëtt an der Prozessentwécklung fir industriellt Ofwaasser, faarfstoffhaltegt Ofwaasser, petrocheemescht Ofwaasser, kontaminéiert Schlämmen an aner Stréim benotzt, déi schwéier ofbaubar organesch Verbindungen enthalen. D’industriell Machbarkeet hänkt vun der Schuedstoffbelaaschtung, dem Bedarf un Oxidatiounsmëttel, dem Katalysatorsystem, dem Behandlungszil an der Energiebilanz of.

Kann Ultraschall de Verbrauch u Chemikalie reduzéieren?

Ultraschall kann d’Ausnotzung vun Oxidatiounsmëttelen a Katalysatore verbesseren, andeems en d’Radikalbildung an de Stofftransport verstäerkt. Ob de Verbrauch u Chemikalie reduzéiert ka ginn, muss a Versich mam tatsächlechen Ofwaasser oder Reaktiounsgemësch bestätegt ginn.

Ass de Prozess skaléierbar?

Jo. Hielscher Ultraschallapparater si fir eng skaléierbar Prozessentwécklung entworf. Resultater aus Laborversich kënnen op Pilotanlagen an industriell Systemer iwwerdroe ginn, andeems d’Amplitud, den Energieantrag, d’Verweilzäit, d’Temperatur, den Drock an d’Reaktergeometrie kontrolléiert ginn.

Wéi en Ultraschallprozessor ass fir mäi Prozess gëeegent?

De passende Prozessor hänkt vum Prouwevolumen, der Duerchflossrate, dem ugestriefte Ëmsaz, dem Feststoffgehalt, der Viskositéit, der Betribstemperatur an dem Drock of. Hielscher bitt Labor-Ultraschallapparater, Pilotsystemer an industriell Ultraschallreaktere fir déi kontinuéierlech Veraarbechtung un.

Wat ass de Sono-Ozonéierungsprozess?

D’Sono-Ozonéierung ass e fortgeschrattenen Oxidatiounsprozess, deen d’Behandlung mat Ozon mat Héichleeschtungsultraschall kombinéiert, fir méi reaktiv Radikaler ze generéieren an de Stofftransport a Flëssegkeeten ze verbesseren. Dës Synergie beschleunegt den Ofbau vun organesche Schuedstoffer, Faarfstoffer, Mikroben a schwéier ofbaubare Verbindungen am Waasser oder Ofwaasser am Verglach mat der Ozonéierung eleng.

Entdeckt d’Virdeeler vun der Sono-Ozonéierung!

Literatur / Referenzen

• 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.