Sonicare îmbunătățește reacțiile Fenton

Reacțiile Fenton se bazează pe generarea de radicali liberi, cum ar fi radicalul hidroxil •OH și peroxidul de hidrogen (H₂O₂). Reacția Fenton poate fi intensificată semnificativ atunci când este combinată cu ultrasonication. Combinația simplă, dar extrem de eficientă a reacției Fenton cu ultrasunete de putere sa dovedit a îmbunătăți drastic formarea radicală dorită și, prin urmare, a procesa intensificarea efectelor.

Cum îmbunătățește ultrasunetele de putere reacțiile Fenton?

Atunci când ultrasonication de mare putere / de înaltă performanță este cuplat în lichide, ar fi apa, fenomenul de cavitație acustică poate fi observat. În punctul fierbinte cavitațional, apar bule de vid minuscule și cresc pe parcursul mai multor cicluri de înaltă presiune / joasă presiune cauzate de undele cu ultrasunete de putere. În momentul în care bula de vid nu poate absorbi mai multă energie, vidul se prăbușește violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune (compresie). Această implozie a bulelor generează condiții extraordinar de extreme în care apar temperaturi de până la 5000 K, presiuni de până la 100 MPa și diferențe foarte ridicate de temperatură și presiune. Bulele de cavitație care se sparg generează, de asemenea, microjeturi lichide de mare viteză cu forțe de forfecare foarte intense (efecte sonomecanice), precum și specii de radicali liberi, cum ar fi radicalii OH datorită hidrolizei apei (efect sonochimic). Efectul sonochimic al formării radicalilor liberi este principalul contribuitor pentru reacțiile Fenton intensificate ultrasonically, în timp ce efectele sonomechanical ale agitației îmbunătățesc transferul de masă, ceea ce îmbunătățește ratele de conversie chimică.
(Imaginea din stânga arată cavitație acustică generată la sonotrode de ultrasonicator UIP1000hd. Lumina roșie din partea de jos este utilizată pentru o vizibilitate îmbunătățită)

Studii de caz exemplare pentru reacții Fenton îmbunătățite sonchimic

Efectele pozitive ale ultrasunetelor de putere asupra reacțiilor Fenton au fost studiate pe scară largă în cercetare, setări pilot și industriale pentru diverse aplicații, cum ar fi degradarea chimică, decontaminarea și descompunerea. Reacția Fenton și sono-Fenton se bazează pe descompunerea peroxidului de hidrogen folosind un catalizator de fier, ceea ce duce la formarea radicalilor hidroxil foarte reactivi.
Radicalii liberi, cum ar fi radicalii hidroxil (•OH), sunt adesea generați intenționat în procese de intensificare a reacțiilor de oxidare, de exemplu, pentru a degrada poluanții, cum ar fi compușii organici din apele uzate. Deoarece ultrasunetele de putere sunt o sursă auxiliară de formare a radicalilor liberi în reacțiile de tip Fenton, sonicare în combinație cu reacțiile Fenton a îmbunătățit ratele de degradare a poluanților pentru a degrada poluanții, compușii periculoși, precum și materialele celulozice. Aceasta înseamnă că o reacție Fenton intensificată ultrasonically, așa-numita reacție sono-Fenton, poate îmbunătăți producția de radicali hidroxil, făcând reacția Fenton semnificativ mai eficientă.

Reacția Sonocatalytic-Fenton pentru îmbunătățește generarea radicalilor OH

Ninomiya et al. (2013) demonstrează cu succes că o reacție Fenton îmbunătățită sonocatalitic – folosind ultrasonication în combinație cu dioxid de titan (TiO2) ca catalizator – prezintă o generare radicală hidroxil (•OH) semnificativ îmbunătățită. Aplicarea ultrasunetelor de înaltă performanță a permis inițierea unui proces avansat de oxidare (AOP). În timp ce reacția sonocatalitică folosind particule de TiO2 a fost aplicată degradării diferitelor substanțe chimice, echipa de cercetare a Ninomiya a folosit radicalii •OH generați eficient pentru a degrada lignina (un polimer organic complex în pereții celulari ai plantei) ca pretratare a materialului lignocelulozic pentru o hidroliză enzimatică ulterioară facilitată.
Rezultatele arată că o reacție sonocatalitică Fenton folosind TiO2 ca sonocatalyst, îmbunătățește nu numai degradarea ligninei, ci și o pretratare eficientă a biomasei lignocelulozice pentru a spori zaharificarea enzimatică ulterioară.
Procedură: Pentru reacția sonocatalitică-Fenton, atât particulele de TiO2 (2 g/L), cât și reactivul Fenton [adică H2O2 (100 mM) și FeSO4·7H2O (1 mM)] au fost adăugate la soluția sau suspensia de probă. Pentru reacția sonocatalitică-Fenton, suspensia probei în vasul de reacție a fost sonicată timp de 180 min cu procesor cu ultrasunete de tip sondă UP200S (200W, 24kHz) cu sonotrode S14 la o putere cu ultrasunete de 35 W. Vasul de reacție a fost plasat într-o baie de apă menținând o temperatură de 25 ° C folosind o circulație de răcire. Ultrasonication a fost efectuată în întuneric, în scopul de a evita orice efecte induse de lumină.
Efect: Această îmbunătățire sinergică a generării radicalilor OH în timpul reacției sonocatalitice Fenton este atribuită Fe3+ formată prin reacția Fenton regenerată la Fe2+ indusă de cuplarea reacției cu reacția sonocatalitică.
Rezultate: Pentru reacția sono-catalitică Fenton, concentrația DHBA a fost îmbunătățită sinergic la 378 μM, în timp ce reacția Fenton fără ultrasunete și TiO2 a atins doar concentrația DHBA de 115 μM. Degradarea ligninei biomasei kenaf sub reacția Fenton a atins doar un raport de degradare a ligninei, care a crescut liniar până la 120 min cu kD = 0,26 min−1, ajungând la 49,9% la 180 min.; în timp ce cu reacția sonocatalitică-Fenton, raportul de degradare a ligninei a crescut liniar până la 60 min cu kD = 0,57 min−1, ajungând la 60,0% la 180 min.

Micrografii electronice de scanare (SEM) ale biomasei kenaf (A) control netratat, pretratat cu (B) reacții sonocatalitice (US/TiO2), (C) Fenton (H2O2/Fe2+) și (D) sonocatalitic-Fenton (US/TiO2 + H2O2/Fe2+). Timpul de pretratare a fost de 360 min. Barele reprezintă 10 μm.
(Imagine și studiu: ©Ninomiya et al., 2013)

Degradarea naftalenului prin fenton sonochimic

cel mai mare procent de degradare a naftalinei a fost atins la intersecția dintre cele mai mari (concentrația de peroxid de hidrogen L-1 600 mg) și cele mai scăzute (concentrația de naftalină de 200 mg kg1) ale ambilor factori pentru toate intensitățile de iradiere cu ultrasunete aplicate. Aceasta a dus la 78%, 94%, și 97% din eficiența degradării naftalinei atunci când sonicare la 100, 200, și 400 W, respectiv, a fost aplicat. În studiul lor comparativ, cercetătorii au folosit ultrasonicators Hielscher UP100H, UP200Stși UP400St. Creșterea semnificativă a eficienței degradării a fost atribuită sinergismului ambelor surse de oxidare (ultrasonication și peroxid de hidrogen), care s-a tradus în suprafața crescută a oxizilor de Fe prin ultrasunete aplicate și producția mai eficientă de radicali. Valorile optime (600 mg L−1 peroxid de hidrogen și 200 mg kg1 concentrații de naftalină la 200 și 400 W) au indicat o reducere maximă de 97% a concentrației de naftalină în sol după 2 ore de tratament.
(cf. Virkutyte et al., 2009)

Micrograma SEM–EDS a a) cartografierii elementare și b) solului anterior și c) după tratamentul cu iradiere cu ultrasunete
(Imagine și studiu: ©Virkutyte et al., 2009)

Degradarea sonochimică a disulfurii de carbon

Adewuyi și Appaw au demonstrat oxidarea cu succes a disulfurii de carbon (CS2) într-un reactor sonochimic lot sub sonicare la o frecvență de 20 kHz și 20 ° C. Îndepărtarea CS2 din soluția apoasă a crescut semnificativ odată cu creșterea intensității ultrasunetelor. Intensitatea mai mare a dus la o creștere a amplitudinii acustice, ceea ce duce la o cavitație mai intensă. Oxidarea sonochimică a CS2 în sulfat are loc în principal prin oxidarea de către radicalul •OH și H2O2 produs din reacțiile sale de recombinare. În plus, valorile scăzute ale EA (mai mici de 42 kJ / mol) atât în intervalul de temperatură joasă, cât și în cel de temperatură ridicată din acest studiu sugerează că procesele de transport controlate prin difuzie dictează reacția globală. În timpul cavitației cu ultrasunete, descompunerea vaporilor de apă prezenți în cavități pentru a produce radicali H• și •OH în timpul fazei de compresie a fost deja bine studiată. Radicalul •OH este un oxidant chimic puternic și eficient atât în faza gazoasă, cât și în cea lichidă, iar reacțiile sale cu substraturile anorganice și organice sunt adesea aproape de rata controlată de difuzie. Sonoliza apei pentru a produce H2O2 și hidrogen gazos prin radicali hidroxil și atomi de hidrogen este bine cunoscută și apare în prezența oricărui gaz, O2 sau gaze pure (de exemplu, Ar). Rezultatele sugerează că disponibilitatea și ratele relative de difuzie a radicalilor liberi (de exemplu, •OH) în zona de reacție interfacială determină etapa de limitare a ratei și ordinea generală a reacției. În general, degradarea oxidativă îmbunătățită sonochimic este o metodă eficientă pentru îndepărtarea disulfurii de carbon.
(Adewuyi și Appaw, 2002)

Degradarea colorantului cu ultrasunete Fenton

Efluenții din industriile care utilizează coloranți în producția lor reprezintă o problemă de mediu, care necesită un proces eficient pentru remedierea apelor uzate. Reacțiile oxidative Fenton sunt utilizate pe scară largă pentru tratarea efluenților coloranți, în timp ce procesele îmbunătățite Sono-Fenton primesc din ce în ce mai multă atenție datorită eficienței sale sporite și protecției mediului.

Reacția Sono-Fenton pentru degradarea colorantului roșu reactiv 120

A fost studiată degradarea colorantului Reactive Red 120 (RR-120) în apele sintetice. Au fost luate în considerare două procese: Sono-Fenton omogen cu sulfat de fier (II) și Sono-Fenton eterogen cu goethit sintetic și goethit depus pe silice și nisip de calcit (catalizatori modificați GS (goethit depus pe nisip de siliciu) și, respectiv, GC (goethit depus pe nisip de calcit). În 60 de minute de reacție, procesul omogen Sono-Fenton a permis o degradare de 98,10%, spre deosebire de 96,07% pentru procesul eterogen Sono-Fenton cu goethit la pH 3,0. Eliminarea RR-120 a crescut atunci când catalizatorii modificați au fost utilizați în loc de goethit gol. Măsurătorile privind consumul chimic de oxigen (CCO) și carbonul organic total (TOC) au arătat că cele mai mari eliminări de COT și CCO au fost obținute prin procesul omogen Sono-Fenton. Măsurătorile consumului biochimic de oxigen (CBO) au permis să se constate că cea mai mare valoare a CBO / CCO a fost obținută printr-un proces Sono-Fenton eterogen (0,88±0,04 cu catalizatorul modificat GC), demonstrând că biodegradabilitatea compușilor organici reziduali a fost îmbunătățită remarcabil.
(cf. Garófalo-Villalta et al. 2020)
Imaginea din stânga arată ultrasonicator UP100H utilizat în experimente pentru degradarea colorantului roșu prin reacția sono-Fenton. (Studiu și imagine: ©Garófalo-Villalta și colab., 2020.)

Degradarea eterogenă Sono-Fenton a colorantului azoid RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) au demonstrat îndepărtarea cu succes a colorantului azo Reactive Orange 107 (RO107) prin procesul de degradare asemănător sono-Fenton folosind nanoparticule de magnetit (Fe3O4) (MNP) ca catalizator. În studiul lor, au folosit Hielscher UP400S ultrasonicator Echipat cu 7mm Sonotrode la 50% ciclu de funcționare (1 s on / 1 s off) pentru a genera cavitație acustică, în scopul de a obține formarea radicală dorită. Nanoparticulele de magnetit funcționează ca un catalizator asemănător peroxidazei, prin urmare, o creștere a dozei catalizatorului oferă mai multe locuri active de fier, care, la rândul său, accelerează descompunerea H2O2, ducând la producerea de OH reactiv.
Rezultatele: Îndepărtarea completă a colorantului azo a fost obținută la 0,8 g / L MPNs, pH = 5, 10 mM H2O2 concentrație, 300 W / L putere cu ultrasunete și 25 min timp de reacție. Acest sistem de reacție cu ultrasunete Sono-Fenton a fost, de asemenea, evaluat pentru apele uzate textile reale. Rezultatele au arătat că consumul chimic de oxigen (CCO) a fost redus de la 2360 mg / L la 489,5 mg / L în timpul unui timp de reacție de 180 de minute. În plus, analiza costurilor a fost efectuată și pe US/Fe3O4/H2O2. În cele din urmă, cu ultrasunete / Fe3O4 / H2O2 a arătat o eficiență ridicată în decolorarea și tratarea apelor uzate colorate.
O creștere a puterii cu ultrasunete a dus la o îmbunătățire a reactivității și a suprafeței nanoparticulelor de magnetit, ceea ce a facilitat rata de transformare a "Fe3 + la "Fe2 +. Fe2+ a catalizat o reacție H2O2 pentru a produce radicali hidroxil. Ca rezultat, creșterea puterii cu ultrasunete sa dovedit a spori performanța procesului SUA / MNP / H2O2 prin accelerarea ratei de decolorare într-o perioadă scurtă de timp de contact.
Autorii studiului notează că puterea cu ultrasunete este unul dintre cei mai esențiali factori care influențează rata de degradare a colorantului RO107 în sistemul eterogen Fenton.
Aflați mai multe despre sinteza magnetitelor extrem de eficiente folosind sonicare!
(cf. Jaafarzadeh et al., 2018)

Degradarea RO107 în diferite combinații la pH de 5, doza MNP de 0,8 g / L, concentrația H2O2 de 10 mM, concentrația RO107 de 50 mg / L, puterea ultrasonică de 300 W și timpul de reacție de 30 min.
Studiu și imagine: ©Jaafarzadeh și colab., 2018.

ULTRASONICATORS GRELE

Hielscher Ultrasonics proiectează, produce și distribuie procesoare cu ultrasunete de înaltă performanță și reactoare pentru aplicații grele, ar fi procesele oxidative avansate (AOP), reacția Fenton, precum și alte reacții sonochimice, sono-foto-chimice, și sono-electro-chimice. Ultrasonicators, sonde cu ultrasunete (sonotrodes), celule de flux și reactoare sunt disponibile la orice dimensiune – de la echipamente compacte de testare de laborator la reactoare sonochimice la scară largă. Hielscher ultrasonicators sunt disponibile numeroase clase de putere de la dispozitive de laborator și banc-top la sisteme industriale capabile să proceseze mai multe tone pe oră.

Control precis al amplitudinii

Amplitudinea este unul dintre cei mai importanți parametri de proces care influențează rezultatele oricărui proces cu ultrasunete. Ajustarea precisă a amplitudinii cu ultrasunete permite operarea ultrasonicators Hielscher la amplitudini mici până la foarte mari și pentru a regla fin amplitudinea exact la condițiile de proces cu ultrasunete necesare de aplicații, ar fi dispersia, extracția și sonochimia.
Alegerea dreptul sonotrode dimensiune și folosind opțional un corn de rapel pentru și creșterea sau scăderea suplimentară a amplitudinii permite configurarea unui sistem cu ultrasunete ideal pentru o aplicație specifică. Folosind o sondă / sonotrode cu o suprafață frontală mai mare va disipa energia cu ultrasunete pe o suprafață mare și o amplitudine mai mică, în timp ce un sonotrode cu o suprafață frontală mai mică poate crea amplitudini mai mari creând un punct fierbinte cavitațional mai concentrat.

Hielscher Ultrasonics produce sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță de robustețe foarte mare și capabil să furnizeze unde ultrasonice intense în aplicații grele în condiții solicitante. Toate procesoarele cu ultrasunete sunt construite pentru a furniza putere maximă în funcționare 24/7. Sonotrodes speciale permit procesele de sonicare în medii cu temperaturi ridicate.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: