Sonicatie verbetert Fentonreacties

Sono-Fenton-reacties combineren de Fenton-chemie met krachtige ultrasone trillingen om de vorming van hydroxylradicalen te versterken, de massaoverdracht te verbeteren en oxidatieve afbraakprocessen te versnellen. Voor laboratoria, proeffabrieken en industriële gebruikers bieden de ultrasone apparaten van Hielscher een controleerbare en schaalbare manier om geavanceerde oxidatieprocessen (AOP's) te verbeteren, zoals afvalwaterzuivering, de afbraak van kleurstoffen, bodemsanering, de voorbehandeling van lignine en chemische afbraak.

Wat is een Sono-Fenton-reactie?

Bij de klassieke Fenton-reactie worden waterstofperoxide (H₂O₂) en ijzerkatalysatoren gebruikt om zeer reactieve hydroxylradicalen (•OH) te genereren. Deze radicalen oxideren organische verontreinigingen, kleurstoffen, oplosmiddelen, koolwaterstoffen, lignine en andere hardnekkige verbindingen. Wanneer krachtige ultrasone trillingen worden toegevoegd, wordt het proces een sono-Fenton-reactie of ultrasone Fenton-reactie genoemd.

Ultrasone behandeling verbetert de Fenton-reactie op twee elkaar aanvullende manieren:

• Sonochemisch effect: Akoestische cavitatie bevordert de sonolyse van water en de vorming van extra radicalen.
• Sonomechanisch effect: cavitatiemicrostralen en afschuiving zorgen voor een betere menging, een betere verspreiding van de katalysator, een groter grensvlak en een betere massaoverdracht.

Voor onderzoekers en procesingenieurs levert dit in de praktijk een intensiever oxidatieproces op, waardoor de reactietijd kan worden verkort, de afbraak van verontreinigende stoffen kan worden verbeterd, het gebruik van katalysatoren kan worden geoptimaliseerd en Fenton-achtige behandelingen gemakkelijker op grotere schaal kunnen worden toegepast.

Hoe krachtige ultrasone trillingen de Fenton-reacties verbeteren

Wanneer krachtige ultrasone golven in een vloeistof worden gekoppeld, treedt akoestische cavitatie op. Microscopisch kleine dampbellen groeien tijdens afwisselende drukcycli en storten tijdens de compressiefase met grote kracht in. Deze instorting leidt tot plaatselijke hotspots met zeer hoge kortstondige temperaturen en drukken. In waterige systemen kan cavitatie de vorming van reactieve stoffen zoals hydroxylradicalen en waterstofperoxide bevorderen.

Bij een Fenton-proces of een soortgelijk proces werkt deze door cavitatie aangestuurde chemische reactie samen met de door ijzer gekatalyseerde afbraak van H₂O₂. Tegelijkertijd zorgt ultrasone schuifkracht voor een beter contact tussen oxidatiemiddelen, katalysatoren, zwevende deeltjes en opgeloste verontreinigingen. Dit maakt ultrasone trillingen bijzonder waardevol voor:

• afvalwaterstromen met organische verontreinigingen die slecht biologisch afbreekbaar zijn;
• heterogene katalysatoren zoals magnetiet, goethiet, TiO₂ of ijzeroxiden;
• slurries, bodemsuspensies, biomassasuspensies en vloeistoffen met katalysator;
• geavanceerde oxidatieprocessen in batch- en inline-opstelling waarvoor een betrouwbare opschaling vereist is.

Voordelen van ultrasone Sono-Fenton-reactoren

• Hogere oxidatie-intensiteit: Echografie bevordert de vorming van radicalen en versnelt de oxidatieve afbraak.
• Beter gebruik van de katalysator: cavitatie zorgt voor een gelijkmatige verdeling van katalysatoren en verbetert het contact tussen vloeistof en vaste stof.
• Kortere reactietijden: Een intensievere vorming en vermenging van radicalen kan de behandeltijd verkorten.
• Schaalbaar reactorontwerp: Hielscher biedt ultrasone reactoren voor laboratorium-, proef- en industriële toepassingen met een constante amplituderegeling.
• Batch- of inline-bewerking: processen kunnen in bekers of batchtanks worden ontwikkeld en vervolgens worden overgezet naar reactoren met continue doorstroming.
• Procesbewaking: De digitale ultrasone apparaten van Hielscher bieden de mogelijkheid om de amplitude, het opgenomen vermogen, de temperatuur, de druk en de verwerkingstijd in te stellen.
• 24/7 industriële bedrijfsvoering: Ultrasone processors voor zwaar gebruik zijn ontworpen voor continu gebruik bij volledige belasting.

Wanneer is een Sono-Fenton-behandeling aan te raden?

De Sono-Fenton-behandeling is vooral geschikt wanneer een conventioneel Fenton-proces te traag verloopt, het contact met de katalysator beperkt is, verontreinigingen moeilijk te oxideren zijn of zwevende deeltjes de procesefficiëntie verminderen. Deze methode is ook nuttig wanneer een proces moet worden opgeschaald van laboratoriumschaal naar industriële doorvoercapaciteit zonder de fundamentele oxidatiechemie te wijzigen.

Belangrijke procesparameters voor de optimalisatie van het Sono-Fenton-proces

De efficiëntie van een sono-Fenton-reactie hangt af van zowel chemische als ultrasone parameters. Tijdens haalbaarheidstests helpt Hielscher klanten bij het bepalen van het geschikte werkingsbereik voor het betreffende afvalwater, de slurry of het reactiemengsel.

• Ultrasone amplitude: de belangrijkste parameter die de intensiteit van de cavitatie bij de sonotrode bepaalt.
• Vermogensdichtheid en energie-input: de sonochemische intensiteit per behandeld volume bepalen.
• H₂O₂-concentratie: heeft invloed op de vorming van radicalen en de resterende behoefte aan oxidatiemiddelen.
• Type en dosering van de ijzerkatalysator: bevat Fe²⁺, ik³⁺, magnetiet, goethiet, TiO₂-ondersteunde systemen of geïmmobiliseerde katalysatoren.
• pH en temperatuur: invloed hebben op de kinetica van de Fenton-reactie, de oplosbaarheid van de katalysator en de radicalenroutes.
• Verblijfsduur: bepaalt de omzetting in batchtanks of inline-stroomreactoren.
• Druk: Ultrasone reactoren die onder druk kunnen worden gezet, kunnen de cavitatieomstandigheden bij continu bedrijf versterken.

Praktijkvoorbeelden: door ultrasone trillingen versterkte Fenton-reacties

De gunstige effecten van krachtige ultrasone trillingen op Fenton- en Fenton-achtige reacties zijn onderzocht met het oog op chemische afbraak, ontsmetting, voorbehandeling van biomassa en de behandeling van industrieel afvalwater. De onderstaande voorbeelden laten zien hoe ultrasone trillingen de vorming van radicalen, de afbraaksnelheid en de procesefficiëntie in verschillende systemen kunnen verbeteren.

Sonokatalytische Fenton-reactie voor een verhoogde vorming van hydroxylradicalen

Ninomiya et al. (2013) toonden aan dat de combinatie van ultrasone trillingen, TiO₂, H₂O₂ en een ijzerkatalysator de vorming van hydroxylradicalen aanzienlijk versterkte. Het proces werd toegepast voor de afbraak van lignine als voorbehandelingsstap voor lignocellulosehoudende biomassa, ter ondersteuning van de daaropvolgende enzymatische hydrolyse.

Experimentele opstelling: TiO₂-deeltjes (2 g/l), H₂O₂ (100 mM) en FeSO₄·7H₂O (1 mM) werd aan de monstersuspensie toegevoegd. De suspensie werd gedurende 180 minuten met de Hielscher UP200S / UP200St ultrasone processor met behulp van een sondesonotrode bij een ultrasoon vermogen van 35 W. De temperatuur van het vat werd op 25 °C gehouden.

Resultaat: De sonokatalytische Fenton-reactie bereikte een DHBA-concentratie van 378 μM, tegenover 115 μM bij de Fenton-reactie zonder ultrasone trillingen en TiO₂. De afbraak van lignine verliep sneller bij de sonokatalytische Fenton-behandeling, wat wijst op een sterke synergie tussen ultrasone trillingen, de katalysator en de Fenton-reactie.

Scanning-elektronenmicroscoopopnames (SEM) van kenaf-biomassa: (A) onbehandelde controle, (B) sonokatalytische behandeling, (C) Fenton-behandeling en (D) sonokatalytisch-Fenton-behandeling. Voorbehandelingstijd: 360 min. De schaalbalken geven 10 μm weer.
(Foto en onderzoek: ©Ninomiya et al., 2013)

Afbraak van naftaleen door middel van een Sono-Fenton-achtige bodembehandeling

Virkutyte et al. (2009) hebben de afbraak van naftaleen in de bodem onderzocht door middel van een combinatie van ultrasone straling en waterstofperoxide. De hoogste afbraakefficiëntie werd bereikt bij een hoge concentratie waterstofperoxide en een lage aanvankelijke concentratie naftaleen. Bij ultrasone bestraling met 100, 200 en 400 W werden afbraakefficiënties van respectievelijk 78%, 94% en 97% gerapporteerd.

In het onderzoek werd gebruikgemaakt van Hielscher-ultrasone apparaten UP100H, UP200Sten UP400St. De verbeterde afbraak werd toegeschreven aan het synergetische effect van ultrageluid en waterstofperoxide, waaronder de vorming van radicalen en een verbeterde interactie met ijzeroxiden in de bodemmatrix.

SEM-EDS-microfoto van grond voor en na behandeling met ultrasone straling.
(Foto en onderzoek: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonochemische oxidatie van koolstofdisulfide

Adewuyi en Appaw toonden aan dat koolstofdisulfide (CS₂) in een waterige oplossing bij 20 kHz en 20 °C door middel van sonochemische oxidatie kan worden afgebroken. De afbraak van CS₂ nam toe naarmate de ultrasone intensiteit hoger was, wat verband hield met sterkere cavitatie en een verhoogde vorming van radicalen. De studie geeft aan dat sonochemische oxidatie een effectieve methode kan zijn voor het verwijderen van koolstofdisulfide uit waterige stromen.

De Sono-Fenton-behandeling voor afvalwater uit de textiel- en verfindustrie

Afvalwater met kleurstoffen uit de textielindustrie en aanverwante sectoren kan moeilijk te zuiveren zijn, omdat veel kleurstoffen en bijproducten daarvan hardnekkig, gekleurd en slecht biologisch afbreekbaar zijn. Fenton- en Fenton-achtige geavanceerde oxidatieprocessen worden op grote schaal toegepast voor de afbraak van kleurstoffen. Ultrasoon geluid kan deze processen verbeteren door de vorming van radicalen, de verspreiding van katalysatoren en de massaoverdracht te bevorderen.

Afbraak van de kleurstof Reactive Red 120

Garófalo-Villalta et al. (2020) hebben de afbraak van de kleurstof Reactive Red 120 (RR-120) in synthetisch water onderzocht. Een homogene sono-Fenton-behandeling met ijzer(II)sulfaat en een heterogene sono-Fenton-behandeling met op goethiet gebaseerde katalysatoren werden vergeleken. In 60 minuten bereikte het homogene proces een kleurstofafbraak van 98,10%, terwijl het heterogene proces met goethiet een afbraak van 96,07% bereikte bij een pH van 3,0.

Uit het onderzoek bleek ook dat gemodificeerde katalysatoren de afbraakprestaties verbeterden in vergelijking met onbehandeld goethiet. Metingen van COD, TOC en BOD/COD toonden aan dat de sono-Fenton-behandeling niet alleen de oplossing ontkleurde, maar ook de biologische afbreekbaarheid van de resterende organische verbindingen verbeterde. De afbeelding toont de hielscher up100h die in de experimenten zijn gebruikt.

Heterogene Sono-Fenton afbraak van azokleurstof RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) toonden aan dat de azokleurstof Reactive Orange 107 (RO107) kan worden verwijderd met behulp van een sono-Fenton-achtig proces met magnetiet (Fe₃O₄) nanodeeltjes als katalysator. De Hielscher UP400S / UP400St-klasse ultrasoonapparaat Er werd gebruikgemaakt van een 7 mm sonotrode om akoestische cavitatie te genereren.

Resultaat: Een volledige verwijdering van azokleurstoffen werd bereikt bij 0,8 g/l magnetietnanodeeltjes, pH 5, 10 mM H₂O₂, een ultrasoon vermogen van 300 W/l en een reactietijd van 25 minuten. In echt textielafvalwater werd de COD in 180 minuten teruggebracht van 2360 mg/L tot 489,5 mg/L. De auteurs identificeerden ultrasoon vermogen als een van de essentiële factoren die de afbraaksnelheid van RO107 beïnvloeden in het heterogene Fenton-achtige systeem.

Leer meer over zeer efficiënte magnetietsynthese met behulp van sonicatie!

Afbraak van RO107 bij pH 5, 0,8 g/l MNP’s, 10 mM H₂O₂, 50 mg/l RO107, 300 W ultrasoon vermogen en een reactietijd van 30 minuten.
Studie en foto: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Hielscher-ultrasone apparaten voor Sono-Fenton- en geavanceerde oxidatieprocessen

Hielscher Ultrasonics ontwerpt en produceert hoogwaardige ultrasone processors en reactoren voor veeleisende sonochemische toepassingen, waaronder Fenton-reacties, sono-Fenton-reacties, sono-fotochemische reacties en andere geavanceerde oxidatieprocessen. Het aanbod varieert van compacte laboratoriumapparatuur tot industriële ultrasone reactoren voor continue productie- en behandelingsprocessen.

Selectie van ultrasone apparatuur voor Sono-Fenton-processen

De onderstaande tabel geeft een indicatie van geschikte Hielscher-ultrasone apparaten voor gangbare batchvolumes en doorstroomsnelheden. De uiteindelijke keuze van de apparatuur hangt af van de proceschemie, de beoogde omzetting, de verblijftijd, het gehalte aan vaste stoffen, de temperatuur, de druk en het benodigde energieverbruik.

Hoe voer je een haalbaarheidstest voor het Sono-Fenton-proces uit?

Voor een betrouwbaar advies over de apparatuur houdt Hielscher doorgaans rekening met de chemische samenstelling, de te verwijderen verontreinigingen, het te behandelen volume, het debiet, de dosering van het oxidatiemiddel, het type katalysator, het pH-bereik, de temperatuurgrenzen en de vereiste omzetting. Voor laboratoriumproeven wordt vaak een ultrasone apparatuur voor in het lab of op de werkbank gebruikt, zoals de UP200Ht, UP400St of UIP1000hdT, om de benodigde energie-input en het procesvenster te bepalen.

Voor continu gebruik kan Hielscher ultrasone doorstroomcellen en inline-reactoren configureren met instelbare verblijftijd, druk, temperatuur en vermogen. Hierdoor kunnen de behandelingsresultaten bij verschillende amplitudes en debieten direct met elkaar worden vergeleken.

Veelgestelde vragen over Sono-Fenton-reacties

Wat is het verschil tussen de Fenton- en de sono-Fenton-behandeling?

Bij de Fenton-behandeling worden waterstofperoxide en ijzerkatalysatoren gebruikt om hydroxylradicalen te genereren. Bij de Sono-Fenton-behandeling wordt daar krachtige ultrasone trillingen aan toegevoegd. Ultrasone cavitatie bevordert de vorming van radicalen en verbetert de menging, het contact met de katalysator en de massaoverdracht.

Kan de Sono-Fenton-behandeling worden toegepast op industrieel afvalwater?

Ja. De Sono-Fenton-behandeling wordt toegepast bij de procesontwikkeling voor industrieel afvalwater, afvalwater uit de verfindustrie, petrochemisch afvalwater, verontreinigde slurries en andere stromen die hardnekkige organische verbindingen bevatten. De industriële haalbaarheid hangt af van de verontreinigingsgraad, de behoefte aan oxidatiemiddelen, het katalysatorsysteem, het beoogde behandelingsdoel en de energiebalans.

Kan echografie het verbruik van chemicaliën verminderen?

Ultrasoon geluid kan de benutting van oxidatiemiddelen en katalysatoren verbeteren door de vorming van radicalen en de massaoverdracht te versterken. Of het verbruik van chemicaliën hierdoor kan worden verminderd, moet worden bevestigd in proeven met het daadwerkelijke afvalwater of reactiemengsel.

Is het proces schaalbaar?

Ja. De ultrasone apparaten van Hielscher zijn ontworpen voor schaalbare procesontwikkeling. Resultaten van laboratoriumtests kunnen worden toegepast op proef- en industriële systemen door de amplitude, energie-input, verblijftijd, temperatuur, druk en reactorvorm aan te passen.

Welke ultrasone processor is geschikt voor mijn proces?

De keuze van de juiste processor hangt af van het monstervolume, het debiet, de beoogde omzetting, het gehalte aan vaste stoffen, de viscositeit, de bedrijfstemperatuur en de druk. Hielscher biedt ultrasone apparaten voor laboratoriumgebruik, proefsystemen en industriële ultrasone reactoren voor continue verwerking.

Wat is het sono-ozonisatieproces?

Sono-ozonisatie is een geavanceerd oxidatieproces waarbij ozonbehandeling wordt gecombineerd met krachtige ultrasone trillingen om meer reactieve radicalen te genereren en de massaoverdracht in vloeistoffen te verbeteren. Deze synergie versnelt de afbraak van organische verontreinigingen, kleurstoffen, micro-organismen en hardnekkige verbindingen in water of afvalwater in vergelijking met ozonisatie alleen.

Ontdek de voordelen van sono-ozonisatie!

Literatuur / Referenties