Sonificatie verbetert Fentonreacties

Fentonreacties zijn gebaseerd op de generatie van vrije radicalen zoals het hydroxyl -OH-radicaal en waterstofperoxide (H2de2). De Fentonreactie kan aanzienlijk worden geïntensiveerd wanneer deze wordt gecombineerd met ultrasoonbehandeling. Gebleken is dat de eenvoudige, maar zeer doeltreffende combinatie van de Fentonreactie met ultrageluid de gewenste radicaalvorming en daarmee de procesintensivering drastisch verbetert.

Hoe verbetert ultrageluid de Fentonreacties?

Ultrasone cavitatie bij Hielschers UIP1000hdT (1kW) ultrasoonmachineWanneer krachtige ultrasone trillingen worden gekoppeld aan vloeistoffen zoals water, kan het verschijnsel van akoestische cavitatie worden waargenomen. In de cavitatie hot-spot ontstaan minuscule vacuümbelletjes, die groeien gedurende meerdere hoge-druk/lage-druk cycli veroorzaakt door de krachtige ultrasone golven. Op het moment dat de vacuümbel niet meer energie kan absorberen, stort de leegte gewelddadig in tijdens een hogedrukcyclus (compressie). Deze belimplosie genereert buitengewoon extreme omstandigheden waarbij temperaturen tot 5000 K, drukken tot 100 MPa, en zeer hoge temperatuur- en drukverschillen optreden. De barstende cavitatiebellen genereren ook vloeibare microjets met hoge snelheid en zeer intense afschuifkrachten (sonomechanische effecten) alsook vrije radicalen zoals OH radicalen door hydrolyse van water (sonochemisch effect). Het sonochemische effect van vrije radicalenvorming levert de belangrijkste bijdrage aan ultrasoon geïntensiveerde Fentonreacties, terwijl de sonomechanische effecten van agitatie de massaoverdracht verbeteren, waardoor de chemische omzettingssnelheden verbeteren.
(De foto links toont akoestische cavitatie gegenereerd bij de sonotrode van de ultrasoonapparaat UIP1000hd. Rood licht van onderen wordt gebruikt voor betere zichtbaarheid)

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Ultrasoonbehandeling verbetert oxidatieve Fentonreacties.

Industriële ultrasone inline-reactor voor grootschalige sono-Fentonreacties.

Voorbeeldstudies voor sonchemisch versterkte fentonreacties

De positieve effecten van ultrageluid op Fentonreacties zijn uitgebreid bestudeerd in onderzoek, proefopstellingen en industriële omgevingen voor diverse toepassingen zoals chemische degradatie, decontaminatie en ontleding. De Fenton- en sono-Fentonreactie is gebaseerd op de ontleding van waterstofperoxide met behulp van een ijzeren katalysator, wat resulteert in de vorming van zeer reactieve hydroxylradicalen.
Vrije radicalen zoals hydroxyl (-OH) radicalen worden vaak doelbewust gegenereerd in processen om oxidatiereacties te intensiveren, bv. om verontreinigende stoffen zoals organische verbindingen in afvalwater af te breken. Aangezien ultrageluid een hulpbron is voor de vorming van vrije radicalen in reacties van het Fentontype, heeft sonicatie in combinatie met Fentonreacties de afbraaksnelheid van verontreinigende stoffen verhoogd om verontreinigende stoffen, gevaarlijke verbindingen en cellulosematerialen af te breken. Dit betekent dat een ultrasoon versterkte Fentonreactie, de zogenaamde sono-fentonreactie, de productie van hydroxylradicalen kan verbeteren waardoor de Fentonreactie aanzienlijk efficiënter wordt.

Sonokatalytische-Fentonreactie voor versterkte vorming van OH radicalen

Ninomiya et al. (2013) tonen met succes aan dat een sonokatalytisch versterkte Fentonreactie – met behulp van ultrasoonbehandeling in combinatie met titaandioxide (TiO2) als katalysator – vertoont een significant verhoogde hydroxyl (-OH) radicaal generatie. De toepassing van ultrageluid met hoge prestaties maakte het mogelijk een geavanceerd oxidatieproces (AOP) op gang te brengen. Terwijl sonokatalytische reacties met TiO2-deeltjes zijn toegepast op de afbraak van verschillende chemicaliën, gebruikte het onderzoeksteam van Ninomiya de efficiënt gegenereerde -OH radicalen om lignine (een complex organisch polymeer in celwanden van planten) af te breken als voorbehandeling van lignocellulosehoudend materiaal voor een vereenvoudigde daaropvolgende enzymatische hydrolyse.
De resultaten tonen aan dat een sonokatalytische Fentonreactie, met TiO2 als sonokatalysator, niet alleen de afbraak van lignine verbetert, maar ook een efficiënte voorbehandeling is van lignocellulosehoudende biomassa om de daaropvolgende enzymatische versuikering te verbeteren.
Procedure: Voor de sonokatalytische-fentonreactie werden zowel TiO2-deeltjes (2 g/L) als Fenton-reagens (d.w.z. H2O2 (100 mM) en FeSO4-7H2O (1 mM)) aan de monsteroplossing of -suspensie toegevoegd. Voor de sonokatalytische Fentonreactie werd de monstersuspensie in het reactievat gedurende 180 min gesoniseerd met de sonde-type ultrasone processor UP200S (200W, 24kHz) met sonotrode S14 bij een ultrageluidsvermogen van 35 W. Het reactievat werd in een waterbad geplaatst dat met behulp van een koelcirculator op een temperatuur van 25°C werd gehouden. De ultrasoonbehandeling werd in het donker uitgevoerd om eventuele lichteffecten te voorkomen.
Effect: Deze synergetische verhoging van de vorming van OH radicalen tijdens de sonokatalytische Fentonreactie wordt toegeschreven aan het feit dat het Fe3+ dat door de Fentonreactie wordt gevormd, wordt geregenereerd tot Fe2+ dat door de reactiekoppeling met de sonokatalytische reactie wordt geïnduceerd.
Resultaten: Bij de sono-katalytische Fentonreactie werd de DHBA-concentratie synergetisch verhoogd tot 378 μM, terwijl bij de Fentonreactie zonder ultrageluid en TiO2 slechts een DHBA-concentratie van 115 μM werd bereikt. De lignineafbraak van kenafbiomassa onder Fentonreactie bereikte slechts een lignineafbraakratio die lineair toenam tot 120 min met kD = 0,26 min-1, en 49,9% bereikte bij 180 min; terwijl met sonokatalytische Fentonreactie de lignineafbraakratio lineair toenam tot 60 min met kD = 0,57 min-1, en 60,0% bereikte bij 180 min.

Ultrasoonbehandeling in combinatie met TiO2 als sonokatalysator verbetert de Fentonreactie en de vorming van hydroxylradicalen.

Rasterelektronenmicrofoto's (SEM) van kenafbiomassa (A) onbehandelde controle, voorbehandeld met (B) sonokatalytische (US/TiO2), (C) Fenton (H2O2/Fe2+), en (D) sonokatalytische-Fenton (US/TiO2 + H2O2/Fe2+) reacties. De voorbehandelingstijd was 360 min. De balkjes staan voor 10 μm.
(Foto en studie: ©Ninomiya et al., 2013)

Ultrasoon toestel UIP1000hdT in een batchreactor gebruikt voor een sono-fentonreactie

Sono-Fenton reacties kunnen worden uitgevoerd in batch en inline reactor opstellingen. De afbeelding toont de ultrasone processor UIP1000hdT (1kW, 20kHz) in een partij van 25 liter.

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Degradatie van naftaleen via Sonochemische Fenton

Het hoogste afbraakpercentage van naftaleen werd bereikt op het snijpunt van de hoogste (600 mg L-1 waterstofperoxideconcentratie) en de laagste (200 mg kg1 naftaleenconcentratie) niveaus van beide factoren voor alle toegepaste ultrasone bestralingsintensiteiten. Dit resulteerde in 78%, 94% en 97% van de afbraakefficiëntie van naftaleen wanneer sonicatie bij respectievelijk 100, 200 en 400 W werd toegepast. In hun vergelijkende studie gebruikten de onderzoekers de Hielscher ultrasoonapparatuur UP100H, UP200Sten UP400St. De significante toename van de afbraaktefficiëntie werd toegeschreven aan het synergisme van beide oxidatiebronnen (ultrasoonbehandeling en waterstofperoxide), dat zich vertaalde in de vergroting van het oppervlak van Fe-oxiden door toegepast ultrasoon geluid en de efficiëntere productie van radicalen. De optimale waarden (600 mg L-1 waterstofperoxide en 200 mg kg1 naftaleenconcentraties bij 200 en 400 W) wezen op een maximale vermindering met 97% van de naftaleenconcentratie in de bodem na een behandeling van 2 uur.
(cf. Virkutyte et al., 2009)

Ultrasone bodemsanering via Sono-Fenton reactie.

SEM-EDS microgram van a) elementaire kartering en b) grond vóór en c) na ultrasone bestraling
(Foto en studie: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonochemische afbraak van koolstofdisulfide

Ultrasone batchreactor voor Sono-Fentonreacties.Adewuyi en Appaw toonden de succesvolle oxidatie aan van koolstofdisulfide (CS2) in een sonochemische batchreactor onder sonicatie bij een frequentie van 20 kHz en 20°C. De verwijdering van CS2 uit de waterige oplossing nam significant toe met een toename van de ultrasone intensiteit. Hogere intensiteit resulteerde in een toename van de akoestische amplitude, wat resulteert in een intensievere cavitatie. De sonochemische oxidatie van CS2 tot sulfaat verloopt voornamelijk door oxidatie door het -OH-radicaal en H2O2 geproduceerd uit zijn recombinatiereacties. Bovendien suggereren de lage EA-waarden (lager dan 42 kJ/mol) in zowel het lage- als het hoge-temperatuurbereik in deze studie dat diffusie-gecontroleerde transportprocessen de algehele reactie dicteren. Tijdens ultrasone cavitatie is de ontbinding van waterdamp aanwezig in de holten om H- en -OH-radicalen te produceren tijdens de compressiefase reeds goed bestudeerd. Het -OH-radicaal is een krachtige en efficiënte chemische oxidant in zowel de gas- als de vloeistoffase, en zijn reacties met anorganische en organische substraten liggen vaak dicht bij de diffusiegecontroleerde snelheid. De sonolyse van water tot H2O2 en waterstofgas via hydroxylradicalen en waterstofatomen is bekend en vindt plaats in aanwezigheid van enig gas, O2, of zuivere gassen (b.v. Ar). De resultaten suggereren dat de beschikbaarheid en de relatieve snelheid van diffusie van vrije radicalen (b.v. -OH) naar de interfaciale reactiezone de snelheidsbeperkende stap en de algemene volgorde van de reactie bepalen. Over het geheel genomen is sonochemische versterkte oxidatieve afbraak een effectieve methode voor de verwijdering van koolstofdisulfide.
(Adewuyi en Appaw, 2002)

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Ultrasone Fenton-achtige kleurstofafbraak

Het afvalwater van industrieën die kleurstoffen gebruiken bij hun productie vormt een milieuprobleem, dat een efficiënt proces vereist om het afvalwater te zuiveren. Oxidatieve Fentonreacties worden op grote schaal gebruikt voor de behandeling van kleurstofafvalwater, terwijl verbeterde Sono-Fentonprocessen steeds meer aandacht krijgen vanwege de verbeterde efficiëntie en de milieuvriendelijkheid.

Sono-Fentonreactie voor de afbraak van reactieve rode 120-kleurstof

Ultrasoonapparaat UP100H in de experimenten voor de afbraak van rode kleurstof via sono-Fentonreactie.De afbraak van de kleurstof Reactive Red 120 (RR-120) in synthetisch water werd bestudeerd. Twee processen werden in overweging genomen: homogeen Sono-Fenton met ijzer(II)sulfaat en heterogeen Sono-Fenton met synthetisch goethiet en goethiet gedeponeerd op silicium- en calcietzand (gemodificeerde katalysatoren GS (goethiet gedeponeerd op siliciumzand) en GC (goethiet gedeponeerd op calcietzand), respectievelijk). In 60 minuten reactie zorgde het homogene Sono-Fentonproces voor een afbraak van 98,10 %, in tegenstelling tot 96,07 % voor het heterogene Sono-Fentonproces met goethiet bij pH 3,0. De verwijdering van RR-120 nam toe wanneer de gemodificeerde katalysatoren werden gebruikt in plaats van kaal goethiet. Metingen van het chemisch zuurstofverbruik (CZV) en het totaal organisch koolstofgehalte (TOC) toonden aan dat de hoogste TOC- en CZV-verwijderingen werden bereikt met het homogene Sono-Fenton-proces. Metingen van het biochemisch zuurstofverbruik (BZV) toonden aan dat de hoogste BZV/CZV-waarde werd bereikt met het heterogene Sono-fentonproces (0,88±0,04 met de gewijzigde GC-katalysator), hetgeen aantoont dat de biologische afbreekbaarheid van de residuele organische verbindingen opmerkelijk verbeterd was.
(cf. Garófalo-Villalta et al. 2020)
De foto links toont de ultrasoonapparaat UP100H gebruikt in de experimenten voor de afbraak van rode kleurstof via de sono-Fentonreactie. (Studie en foto: ©Garófalo-Villalta et al., 2020.)

Heterogene Sono-Fenton afbraak van azokleurstof RO107

Ultrasoonbehandeling bevordert Fentonreacties die resulteren in een hogere radicaalvorming. Daardoor worden een hogere oxidatie en een betere omzetting verkregen. Jaafarzadeh et al. (2018) toonden de succesvolle verwijdering aan van de azo-kleurstof Reactive Orange 107 (RO107) via sono-Fenton-achtig afbraakproces met behulp van magnetiet (Fe3O4) nanodeeltjes (MNP) als katalysator. In hun studie gebruikten zij de Hielscher UP400S ultrasoonapparaat uitgerust met een 7 mm sonotrode bij 50% duty cycle (1 s aan/1 s uit) om akoestische cavitatie op te wekken en zo de gewenste radicaalvorming te verkrijgen. De magnetiet nanodeeltjes fungeren als peroxidase-achtige katalysator, daarom levert een verhoging van de katalysatordosering meer actieve ijzersites op, die op hun beurt de afbraak van H2O2 versnellen wat leidt tot de productie van reactieve OH-.
resultaten: Volledige verwijdering van azokleurstof werd verkregen bij 0,8 g/L MPNs, pH = 5, 10 mM H2O2 concentratie, 300 W/L ultrasoon vermogen en 25 min reactietijd. Dit ultrasone Sono-Fenton-achtige reactiesysteem werd ook geëvalueerd voor echt textielafvalwater. De resultaten toonden aan dat het chemisch zuurstofverbruik (CZV) werd teruggebracht van 2360 mg/L tot 489,5 mg/L gedurende een reactietijd van 180 minuten. Bovendien werd ook een kostenanalyse uitgevoerd op de US/Fe3O4/H2O2. Tenslotte bleek ultrasoon/Fe3O4/H2O2 zeer efficiënt te zijn bij het ontkleuren en behandelen van gekleurd afvalwater.
Een verhoging van het ultrasoon vermogen leidde tot een verhoging van de reactiviteit en het oppervlak van magnetiet nanodeeltjes, waardoor de omzettingssnelheid van `Fe3+ naar `Fe2+ werd vergemakkelijkt. Het gegenereerde Fe2+ katalyseerde een H2O2 reactie om hydroxylradicalen te produceren. Als gevolg hiervan werd aangetoond dat de verhoging van het ultrasoon vermogen de prestaties van het US/MNPs/H2O2 proces verbeterde door de ontkleuringssnelheid te versnellen binnen een korte periode van contacttijd.
De auteurs van de studie merken op dat ultrasoon vermogen een van de meest essentiële factoren is die van invloed is op de afbraaksnelheid van RO107-kleurstof in het heterogene Fenton-achtige systeem.
Leer meer over zeer efficiënte magnetietsynthese met sonicatie!
(cf. Jaafarzadeh et al., 2018)

Ultrasoon vermogen is een van de meest essentiële factoren die van invloed is op de afbraaksnelheid van RO107 kleurstof in het heterogene Fenton-achtige systeem.

RO107 degradatie in verschillende combinaties bij pH van 5, MNPs dosering van 0,8 g/L, H2O2 concentratie van 10 mM, RO107 concentratie van 50 mg/L, ultrasoon vermogen van 300 W en reactietijd van 30 min.
Studie en foto: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

ultrasoonapparatuur voor zwaar gebruik

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert hoogwaardige ultrasoonprocessoren en -reactoren voor zware toepassingen zoals geavanceerde oxidatieve processen (AOP), Fentonreactie, alsmede andere sonochemische, sonofoto-chemische en sono-elektrochemische reacties. Ultrasoontoestellen, ultrasone sondes (sonotrodes), flowcellen en reactoren zijn verkrijgbaar in elke maat – van compacte laboratoriumtestapparatuur tot grootschalige sonochemische reactoren. Hielscher ultrasoonapparaten zijn verkrijgbaar in een groot aantal vermogensklassen, van laboratorium- en bench-topapparatuur tot industriële systemen die enkele tonnen per uur kunnen verwerken.

Nauwkeurige Amplituderegeling

Ultrasone reactor met 4000 watt ultrasoon toestel voor de verwerking van verbruikte splijtstoffen en radioactief afvalDe amplitude is een van de belangrijkste procesparameters die van invloed is op de resultaten van elk ultrasoon proces. Nauwkeurige instelling van de ultrasone amplitude maakt het mogelijk Hielscher ultrasoonapparatuur te gebruiken bij lage tot zeer hoge amplitudes en de amplitude precies af te stemmen op de vereiste ultrasone procesomstandigheden van toepassingen zoals dispersie, extractie en sonochemie.
Door de juiste grootte van de sonotrode te kiezen en eventueel een boosterhoorn te gebruiken voor een extra vergroting of verkleining van de amplitude kan een ideaal ultrasoon systeem voor een specifieke toepassing worden ingesteld. Met behulp van een sonde / sonotrode met een groter frontaal oppervlak zal de ultrasone energie over een groot gebied en een lagere amplitude worden verspreid, terwijl een sonotrode met een kleiner frontaal oppervlak hogere amplitudes kan creëren waardoor een meer gerichte cavitatie hot spot ontstaat.

Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone systemen met een zeer hoge robuustheid, die in staat zijn intense ultrasone golven te leveren in zware toepassingen onder veeleisende omstandigheden. Alle ultrasoonprocessoren zijn gebouwd om vol vermogen te leveren in 24/7 bedrijf. Speciale sonotrodes maken sonicatieprocessen in omgevingen met hoge temperaturen mogelijk.

Voordelen van Hielscher chemische Sono-reactoren

  • batch- en inline-reactoren
  • industriële kwaliteit
  • 24/7/365 werking onder volle belasting
  • voor elk volume en debiet
  • verschillende ontwerpen van reactorvaten
  • Temperatuur-gecontroleerde
  • onder druk te zetten
  • makkelijk schoon te maken
  • eenvoudig te installeren
  • veilig te bedienen
  • robuustheid + weinig onderhoud
  • naar keuze geautomatiseerd

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

batch Volume Stroomsnelheid Aanbevolen apparaten
1 tot 500 ml 10 tot 200 ml / min UP100H
10 tot 2000 ml 20 tot 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L / min UIP2000hdT
10 tot 100L 2 tot 10 l / min UIP4000hdT
na 10 tot 100 l / min UIP16000
na grotere cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Vraag ons!

Vraag voor meer informatie

Gebruik het onderstaande formulier om aanvullende informatie aan te vragen over ultrasone processoren, toepassingen en prijs. Wij bespreken graag uw proces met u en bieden u een ultrasoon systeem aan dat aan uw eisen voldoet!









Let op onze Privacybeleid.


Ultrasoonbehandeling verbetert de efficiëntie van Fentonreacties aanzienlijk, aangezien ultrageluid de vorming van fentonradicalen verhoogt.

Sonochemische batchopstelling met de ultrasoonapparaat UIP1000hdT (1000 watt, 20kHz) voor sono-Fenton reacties.


Ultrasone high-shear homogenisatoren worden gebruikt in het lab, op de werkbank, in pilootproeven en in industriële processen.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.



Literatuur / Referenties


Ultrasoon geluid met hoge prestaties! Hielscher's productassortiment bestrijkt het volledige spectrum van de compacte laboratorium ultrasoonmachine over bench-top units tot full-industriële ultrasoon systemen.

Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.