Ultraskaņas apstrāde uzlabo Fentona reakcijas

Sono-Fenton reakcijas apvieno Fenton reakcijas ķīmiju ar augstas jaudas ultraskaņu, lai pastiprinātu hidroksilradikāļu veidošanos, uzlabotu masas pārnesi un paātrinātu oksidatīvās sadalīšanās procesus. Laboratorijām, eksperimentālajām rūpnīcām un rūpnieciskajiem lietotājiem Hielscher ultraskaņas iekārtas nodrošina kontrolējamu un mērogojamu veidu, kā uzlabot uzlabotus oksidācijas procesus (AOP), piemēram, notekūdeņu attīrīšanu, krāsvielu sadalīšanos, augsnes sanāciju, lignīna priekšapstrādi un ķīmisko sadalīšanos.

Kas ir Sono-Fentona reakcija?

Klasiskajā Fentona reakcijā izmanto ūdeņraža peroksīdu (H₂O₂) un dzelzs katalizatorus, lai radītu ļoti reaģētspējīgus hidroksilradikāļus (•OH). Šie radikāļi oksidē organiskos piesārņotājus, krāsvielas, šķīdinātājus, ogļūdeņražus, lignīnu un citus grūti sadalāmus savienojumus. Pievienojot jaudīgu ultraskaņu, šo procesu sauc par sono-Fenton reakciju vai ultraskaņas Fenton reakciju.

Ultraskaņas iedarbība uzlabo Fentona reakciju divos savstarpēji papildinošos veidos:

• Sonoķīmiskais efekts: Akustiskā kavitācija veicina ūdens sonolīzi un papildu radikāļu veidošanos.
• Sonomehāniskais efekts: Kavitācijas mikrostrūklas un šķērsspēks uzlabo sajaukšanos, katalizatora izkliedēšanu, virsmu saskares laukumu un masas pārnesi.

Pētniekiem un procesa inženieriem praktiskais ieguvums ir intensīvāks oksidācijas process, kas var samazināt reakcijas laiku, uzlabot piesārņotāju sadalīšanos, palielināt katalizatora izmantošanas efektivitāti un atvieglot Fentona tipa attīrīšanas procesu mēroga palielināšanu.

Kā ultraskaņas enerģija uzlabo Fentona reakcijas

Kad lieljaudas ultraskaņa tiek virzīta šķidrumā, rodas akustiskā kavitācija. Mikroskopiskas tvaika dobumi paplašinās mainīga spiediena ciklu laikā un strauji sabrūk saspiešanas brīdī. Šis sabrukums rada lokalizētus karstuma punktus ar ļoti augstām īslaicīgām temperatūrām un spiedieniem. Ūdens sistēmās kavitācija var veicināt reaktīvo vielu, piemēram, hidroksilradikāļu un ūdeņraža peroksīda, veidošanos.

Fenton vai Fentonam līdzīgā procesā šī kavitācijas izraisītā ķīmiskā reakcija notiek vienlaikus ar dzelzs katalizētu H₂O₂ sadalīšanos. Tajā pašā laikā ultraskaņas radītais šķērsspiediens uzlabo kontaktu starp oksidētājiem, katalizatoriem, suspendētajām cietajām daļiņām un izšķīdušajiem piesārņotājiem. Tādēļ ultraskaņa ir īpaši noderīga:

• notekūdeņu plūsmas ar bioloģiski grūti noārdāmiem organiskajiem piesārņotājiem;
• heterogēnie katalizatori, piemēram, magnetīts, getīts, TiO₂ vai dzelzs oksīdi;
• šlammas, augsnes suspensijas, biomasas suspensijas un šķidrumi ar katalizatora piedevu;
• partiju un nepārtrauktas darbības uzlabotie oksidācijas procesi, kuriem nepieciešama uzticama mēroga palielināšana.

Ultraskaņas Sono-Fenton reaktoru priekšrocības

• Augstāka oksidācijas intensitāte: Ultraskaņa veicina radikāļu veidošanos un paātrina oksidatīvās sadalīšanās kinētiku.
• Labāka katalizatora izmantošana: kavitācija izkliedē katalizatorus un uzlabo šķidruma un cietvielas saskari.
• Ātrāka reakcija: pastiprināta radikāļu veidošanās un sajaukšanās var samazināt apstrādes laiku.
• Mērogojama reaktora konstrukcija: Hielscher piedāvā laboratorijas, eksperimentālos un rūpnieciskos ultraskaņas reaktorus ar precīzu amplitūdas regulēšanu.
• Partijas vai nepārtraukta darbība: procesus var izstrādāt kolbās vai periodiskās darbības tvertnēs un pārnest uz nepārtrauktas plūsmas reaktoriem.
• Procesu uzraudzība: Hielscher digitālie ultraskaņas ģeneratori nodrošina amplitūdas, jaudas, temperatūras, spiediena un apstrādes laika kontroli.
• Nepārtraukta ražošana: augstas jaudas ultraskaņas procesori ir paredzēti nepārtrauktai darbībai ar pilnu slodzi.

Kad būtu jāapsver Sono-Fenton apstrāde?

Sono-Fenton apstrāde ir vispiemērotākā gadījumos, kad parastais Fenton process ir pārāk lēns, katalizatora saskare ir ierobežota, piesārņotāji ir grūti oksidējami vai suspendētās cietās vielas samazina procesa efektivitāti. Tā ir noderīga arī tad, ja process ir jāattīsta no laboratorijas līmeņa līdz rūpnieciskai ražošanai, nemainot oksidācijas ķīmijas pamatprincipus.

Svarīgi procesa parametri Sono-Fenton metodes optimizācijai

Sono-Fenton reakcijas efektivitāte ir atkarīga gan no ķīmiskajiem, gan ultraskaņas parametriem. Iespējamības pārbaudes laikā Hielscher palīdz klientiem noteikt piemērotāko darbības diapazonu konkrētajiem notekūdeņiem, šķidrumiem vai reakcijas maisījumiem.

• Ultraskaņas amplitūda: galvenais parametrs, kas nosaka kavitācijas intensitāti pie sonotroda.
• Jaudas blīvums un enerģijas patēriņš: noteikt sonohimiskās intensitātes vērtību uz apstrādāto tilpumu.
• H₂O₂ koncentrācija: ietekmē radikāļu veidošanos un atlikušo oksidētāju patēriņu.
• Dzelzs katalizatora veids un deva: satur Fe²⁺, es³⁺, magnetīts, getīts, TiO₂-palīdzības sistēmas vai imobilizēti katalizatori.
• pH un temperatūra: ietekmē Fentona reakcijas kinētiku, katalizatora šķīdību un radikāļu reakciju ceļus.
• Uzturēšanās laiks: nosaka pārveidošanu partiju tvertnēs vai plūsmas reaktoros.
• Spiediens: Ultraskaņas reaktori, kurus var darbināt zem spiediena, nepārtrauktas darbības apstākļos var pastiprināt kavitācijas efektu.

Praktiskie piemēri: ar ultraskaņu pastiprinātas Fentona reakcijas

Ir pētīta jaudīgā ultraskaņas pozitīvā ietekme uz Fentona un Fentona tipa reakcijām saistībā ar ķīmisko sadalīšanos, dekontamināciju, biomasas priekšapstrādi un rūpniecisko notekūdeņu attīrīšanu. Turpmāk minētie piemēri parāda, kā ultraskaņa var uzlabot radikāļu veidošanos, sadalīšanās ātrumu un procesa efektivitāti dažādās sistēmās.

Sonokatalītiskā Fentona reakcija hidroksilradikālu veidošanās pastiprināšanai

Ninomiya u.c. (2013) pierādīja, ka, apvienojot ultraskaņas iedarbību, TiO₂, H₂O₂ un dzelzs katalizatoru, ievērojami palielinās hidroksilradikāļu veidošanās. Šo procesu izmantoja lignīna sadalīšanai kā lignocelulozes biomasas priekšapstrādes posmu, kas veicina turpmāko fermentatīvo hidrolīzi.

Eksperimentālā iestatīšana: TiO₂ daļiņas (2 g/l), H₂O₂ (100 mM) un FeSO₄·7H₂O (1 mM) tika pievienots parauga suspensijai. Suspensiju apstrādāja ar ultraskaņu 180 minūtes, izmantojot Hielscher UP200S / UP200St klases ultraskaņas procesors izmantojot zondes sonotrodu ar 35 W ultraskaņas jaudu. Trauka temperatūra tika uzturēta 25 °C līmenī.

Rezultāts: Sonokatalītiskās Fentona reakcijas rezultātā tika sasniegta DHBA koncentrācija 378 μM, salīdzinot ar 115 μM Fentona reakcijā bez ultraskaņas un TiO₂. Lignīna noārdīšanās notika straujāk sonokatalītiskās Fentona reakcijas apstākļos, liecinot par spēcīgu sinerģiju starp ultraskaņu, katalizatoru un Fentona ķīmiju.

Kenafa biomasas skenējošā elektronmikroskopa (SEM) attēli: (A) neapstrādāta kontrole, (B) apstrāde ar ultraskaņas katalizatoru, (C) Fentona reakcija un (D) apstrāde ar ultraskaņas katalizatoru un Fentona reakciju. Priekšapstrādes ilgums: 360 min. Skalas atzīmes atbilst 10 μm.
(Attēls un pētījums: ©Ninomiya et al., 2013)

Naftalīna sadalīšanās, izmantojot Sono-Fenton tipa augsnes apstrādi

Virkutyte u.c. (2009) pētīja naftalīna sadalīšanos augsnē, apvienojot ultraskaņas un ūdeņraža peroksīda iedarbību. Augstākais sadalīšanās efektivitātes rādītājs tika sasniegts pie augstas ūdeņraža peroksīda koncentrācijas un zemas sākotnējās naftalīna koncentrācijas. Izmantojot ultraskaņas starojumu ar jaudu 100, 200 un 400 W, tika ziņots par noārdīšanās efektivitāti attiecīgi 78 %, 94 % un 97 % apmērā.

Pētījumā tika izmantoti Hielscher ultraskaņas ģeneratori UP100H, UP200Stun UP400St. Uzlaboto sadalīšanos saistīja ar ultraskaņas un ūdeņraža peroksīda sinerģisko iedarbību, tostarp radikāļu veidošanos un uzlaboto mijiedarbību ar dzelzs oksīdiem augsnes matricā.

SEM–EDS mikroskopiskā fotogrāfija, kurā redzama augsne pirms un pēc apstrādes ar ultraskaņas starojumu.
(Attēls un pētījums: ©Virkutyte et al., 2009)

Oglekļa disulfīda sonohimiskā oksidēšana

Adewuyi un Appaw demonstrēja oglekļa disulfīda (CS₂) sonokīmisko oksidēšanu ūdens šķīdumā pie 20 kHz un 20 °C. CS₂ izdalīšanās palielinājās līdz ar ultraskaņas intensitātes pieaugumu, kas bija saistīts ar spēcīgāku kavitāciju un pastiprinātu radikāļu veidošanos. Pētījums liecina, ka sonokīmiskā oksidācija var būt efektīva metode oglekļa disulfīda noņemšanai no ūdens plūsmām.

Sono-Fenton metode krāsu un tekstilrūpniecības notekūdeņu attīrīšanai

Tekstilrūpniecības un ar to saistīto nozaru notekūdeņus, kas satur krāsvielas, var būt grūti attīrīt, jo daudzas krāsvielas un to blakusprodukti ir grūti sadalāmi, krāsaini un slikti bioloģiski noārdāmi. Krāsvielu sadalīšanai plaši izmanto Fentona un Fentona tipa modernos oksidācijas procesus. Ultraskaņa var uzlabot šos procesus, veicinot radikāļu veidošanos, katalizatora izkliedēšanu un masas pārnesi.

Reaktīvā sarkanā krāsviela Nr. 120 – krāsvielas noārdīšanās

Garófalo-Villalta u.c. (2020) pētīja krāsvielas „Reactive Red 120“ (RR-120) sadalīšanos sintētiskā ūdenī. Tika salīdzināta homogēnā sono-Fenton apstrāde ar dzelzs(II) sulfātu un heterogēnā sono-Fenton apstrāde ar getīta bāzes katalizatoriem. 60 minūšu laikā homogēnajā procesā tika sasniegta 98,10 % krāsvielas noārdīšanās, savukārt heterogēnajā procesā ar getītu tika sasniegta 96,07 % noārdīšanās pie pH 3,0.

Pētījumā tika konstatēts arī, ka modificētie katalizatori uzlaboja sadalīšanās rādītājus salīdzinājumā ar neapstrādātu getītu. COD, TOC un BOD/COD mērījumi liecināja, ka sono-Fentona apstrāde ne tikai atbrīvoja šķīdumu no krāsas, bet arī uzlaboja atlikušo organisko savienojumu bioloģisko noārdīšanos. Attēlā redzams Hielscher UP100H kas tika izmantoti eksperimentos.

Azokrāsvielas RO107 heterogēna Sono-Fenton noārdīšanās

Jaafarzadeh u.c. (2018) pierādīja, ka azo krāsvielu Reactive Orange 107 (RO107) var noņemt, izmantojot sono-Fentona tipa procesu ar magnetītu (Fe₃O₄) nanodaļiņas kā katalizators. Hielscher UP400S / UP400St klases ultraskaņas iekārta akustiskās kavitācijas radīšanai tika izmantots iekārta ar 7 mm sonotrodu.

Rezultāts: Pilnīga azo krāsvielu noņemšana tika panākta, izmantojot 0,8 g/l magnetīta nanodaļiņas, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/l ultraskaņas jaudu un 25 minūšu reakcijas laiku. Reālos tekstilrūpniecības notekūdeņos 180 minūšu laikā ķīmiskā skābekļa patēriņš (COD) samazinājās no 2360 mg/l līdz 489,5 mg/l. Autori noteica, ka ultraskaņas jauda ir viens no būtiskajiem faktoriem, kas ietekmē RO107 noārdīšanās ātrumu heterogēnā Fentona tipa sistēmā.

Uzziniet vairāk par ļoti efektīvu magnetīta sintēzi, izmantojot ultraskaņu!

RO107 sadalīšanās pie pH 5, 0,8 g/l magnētisko nanodaļiņu (MNPs), 10 mM H₂O₂, 50 mg/l RO107, 300 W ultraskaņas jauda un 30 minūšu reakcijas laiks.
Pētījums un attēls: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Hielscher ultraskaņas iekārtas Sono-Fenton un modernajiem oksidācijas procesiem

Uzņēmums „Hielscher Ultrasonics“ projektē un ražo augstas veiktspējas ultraskaņas procesorus un reaktorus smagajiem sonohimiskajiem pielietojumiem, tostarp Fentona reakcijām, sono-Fentona reakcijām, sono-fotoķīmiskajām reakcijām un citiem moderniem oksidācijas procesiem. Piedāvājumā ir gan kompakti laboratorijas iekārtas, gan rūpnieciskie ultraskaņas reaktori nepārtrauktai ražošanai un plūsmu apstrādei.

Ultraskaņas iekārtu izvēle Sono-Fenton procesiem

Zemāk esošajā tabulā ir norādīti piemērotie Hielscher ultraskaņas iekārtas modeļi tipiskiem partiju tilpumiem un caurplūdēm. Galīgā iekārtas izvēle ir atkarīga no procesa ķīmiskajām īpašībām, vēlamā pārveidojuma pakāpes, uzturēšanās laika, cietvielu satura, temperatūras, spiediena un nepieciešamā enerģijas patēriņa.

Kā uzsākt Sono-Fenton realizējamības pārbaudi

Lai sniegtu uzticamu ieteikumu par aprīkojumu, Hielscher parasti izvērtē ķīmisko sastāvu, mērķa piesārņotājus, apstrādāmo tilpumu, plūsmas ātrumu, oksidētāja devu, katalizatora veidu, pH diapazonu, temperatūras robežas un nepieciešamo pārveidošanas pakāpi. Laboratorijas izmēģinājumiem parasti izmanto laboratorijas vai galda ultraskaņas iekārtu, piemēram, UP200Ht, UP400St vai UIP1000hdT, lai noteiktu nepieciešamo enerģijas patēriņu un procesa diapazonu.

Nepārtrauktai darbībai uzņēmums „Hielscher“ var konfigurēt ultraskaņas plūsmas kameras un iebūvētos reaktorus ar regulējamu uzturēšanās laiku, spiedienu, temperatūru un jaudu. Tas ļauj tieši salīdzināt apstrādes efektivitāti pie dažādām amplitūdām un plūsmas ātrumiem.

Bieži uzdotie jautājumi par Sono-Fentona reakcijām

Kāda ir atšķirība starp Fentona un sono-Fentona apstrādi?

Fentona procesā hidroksilradikāļu ģenerēšanai izmanto ūdeņraža peroksīdu un dzelzs katalizatorus. Sono-Fentona procesā tiek izmantots jaudīgs ultraskaņas viļņi. Ultraskaņas kavitācija veicina radikāļu veidošanos un uzlabo maisīšanu, katalizatora saskari un vielmaiņu.

Vai sono-Fenton apstrāde ir piemērota rūpnieciskajiem notekūdeņiem?

Jā. Sono-Fenton apstrāde tiek izmantota rūpniecisko notekūdeņu, krāsu ražošanas notekūdeņu, naftas ķīmijas notekūdeņu, piesārņotu šķidrumu un citu plūsmu, kas satur grūti sadalāmus organiskos savienojumus, attīrīšanas procesu izstrādē. Rūpnieciskā īstenojamība ir atkarīga no piesārņojuma slodzes, oksidētāja patēriņa, katalizatora sistēmas, attīrīšanas mērķa un enerģijas bilances.

Vai ultraskaņa var samazināt ķimikāliju patēriņu?

Ultraskaņa var uzlabot oksidētāju un katalizatoru izmantošanu, pastiprinot radikāļu veidošanos un masas pārnesi. To, vai ir iespējams samazināt ķīmisko vielu patēriņu, ir jāpārbauda eksperimentos, izmantojot reālus notekūdeņus vai reakcijas maisījumu.

Vai šis process ir mērogojams?

Jā. Hielscher ultraskaņas iekārtas ir paredzētas mērogojamai procesu izstrādei. Laboratorijas testu rezultātus var pārnest uz eksperimentālām un rūpnieciskām sistēmām, regulējot amplitūdu, enerģijas patēriņu, uzturēšanās laiku, temperatūru, spiedienu un reaktora ģeometriju.

Kāds ultraskaņas procesors ir piemērots manam procesam?

Pareizā iekārtas izvēle ir atkarīga no parauga tilpuma, plūsmas ātruma, vēlamā pārveidojuma pakāpes, cietvielu satura, viskozitātes, darba temperatūras un spiediena. Hielscher piedāvā laboratorijas ultraskaņas iekārtas, eksperimentālās sistēmas un rūpnieciskos ultraskaņas reaktorus nepārtrauktai apstrādei.

Kas ir sono-ozonizācijas process?

Sono-ozonēšana ir moderns oksidācijas process, kurā ozonēšana tiek apvienota ar augstas jaudas ultraskaņu, lai radītu reaģētspējīgākus radikāļus un uzlabotu vielu pārnesi šķidrumos. Šī sinerģija paātrina organisko piesārņotāju, krāsvielu, mikrobu un grūti noārdāmu savienojumu sadalīšanos ūdenī vai notekūdeņos salīdzinājumā ar atsevišķu ozonēšanu.

Iepazīstieties ar sono-ozonizācijas priekšrocībām!

Literatūra / Atsauces