Ультразвуковая обработка улучшает реакцию Фентона

Реакции «соно-Фентона» сочетают в себе химию Фентона с высокомощным ультразвуком для усиления образования гидроксильных радикалов, улучшения массообмена и ускорения процессов окислительного разложения. Для лабораторий, пилотных установок и промышленных пользователей ультразвуковые устройства Hielscher предоставляют контролируемый и масштабируемый способ улучшения процессов усовершенствованного окисления (AOP), таких как очистка сточных вод, разложение красителей, ремедиация почвы, предварительная обработка лигнина и химическое разложение.

Что такое реакция Соно-Фентона?

В классической реакции Фентона с помощью перекиси водорода (H₂O₂) и железосодержащих катализаторов образуются высокореактивные гидроксильные радикалы (•OH). Эти радикалы окисляют органические загрязнители, красители, растворители, углеводороды, лигнин и другие трудноразлагаемые соединения. При добавлении мощного ультразвука этот процесс называется соно-Фентоновой реакцией или ультразвуковой реакцией Фентона.

Ультразвуковая обработка способствует протеканию реакции Фентона двумя взаимодополняющими способами:

• Сонохимический эффект: Акустическая кавитация способствует сонолизу воды и образованию дополнительных радикалов.
• Звукомеханический эффект: Кавитационные микроструи и сдвиговое усилие способствуют улучшению перемешивания, дисперсии катализатора, увеличению площади межфазного контакта и ускорению массообмена.

Для исследователей и инженеров-технологов практическая польза заключается в более интенсивном процессе окисления, который позволяет сократить время реакции, улучшить разложение загрязняющих веществ, повысить эффективность использования катализатора и упростить масштабирование технологий очистки по типу Фентона.

Как мощный ультразвук усиливает реакции Фентона

При воздействии ультразвука высокой мощности на жидкость возникает акустическая кавитация. Микроскопические паровые полости увеличиваются во время циклов переменного давления и бурно разрушаются при сжатии. Это разрушение приводит к образованию локальных горячих точек с очень высокими переходными температурами и давлениями. В водных системах кавитация может способствовать образованию активных форм, таких как гидроксильные радикалы и перекись водорода.

В процессе Фентона или аналогичных ему процессах эти химические реакции, вызванные кавитацией, происходят одновременно с разложением H₂O₂ под действием железокатализатора. При этом ультразвуковое сдвиговое воздействие улучшает контакт между окислителями, катализаторами, взвешенными твердыми частицами и растворенными загрязнителями. Это делает ультразвук особенно ценным для:

• потоки сточных вод, содержащие органические загрязнители с низкой степенью биологической разлагаемости;
• гетерогенные катализаторы, такие как магнетит, гетит, TiO₂ или оксиды железа;
• шламы, суспензии почвы, суспензии биомассы и жидкости с добавлением катализатора;
• пакетные и поточные процессы углубленного окисления, требующие надежного масштабирования.

Преимущества ультразвуковых реакторов типа «Соно-Фентон»

• Более высокая интенсивность окисления: Ультразвук усиливает образование радикалов и ускоряет кинетику окислительного разложения.
• Более эффективное использование катализатора: Кавитация способствует диспергированию катализаторов и улучшает контакт между жидкостью и твердым веществом.
• Более быстрое время реакции: Усиление образования радикалов и их перемешивание может сократить время обработки.
• Конструкция реактора с возможностью расширения: Компания Hielscher предлагает лабораторные, пилотные и промышленные ультразвуковые реакторы с точным регулированием амплитуды.
• Пакетная или поточная обработка: Процессы можно разрабатывать в стаканах или периодических реакторах, а затем переносить в реакторы непрерывного действия.
• Мониторинг процессов: Цифровые ультразвуковые аппараты Hielscher позволяют регулировать амплитуду, потребляемую мощность, температуру, давление и время обработки.
• Круглосуточная промышленная эксплуатация: Ультразвуковые процессоры повышенной мощности рассчитаны на непрерывную работу при полной нагрузке.

В каких случаях следует рассмотреть возможность применения метода Соно-Фентона?

Метод Sono-Fenton наиболее целесообразен в тех случаях, когда традиционный процесс Фентона протекает слишком медленно, время контакта с катализатором ограничено, загрязнители трудно поддаются окислению или взвешенные твердые частицы снижают эффективность процесса. Он также полезен в тех случаях, когда необходимо перевести процесс из стадии лабораторной разработки на промышленный уровень без изменения основных химических реакций окисления.

Важные технологические параметры для оптимизации процесса Соно-Фентона

Эффективность ультразвуковой реакции Фентона зависит как от химических, так и от ультразвуковых параметров. В ходе испытаний на практическую применимость компания Hielscher помогает клиентам определить оптимальный диапазон рабочих параметров для конкретных сточных вод, шламов или реакционных смесей.

• Амплитуда ультразвука: основной параметр, определяющий интенсивность кавитации на сонотроде.
• Плотность мощности и потребляемая энергия: определить интенсивность ультразвукового воздействия на единицу обрабатываемого объема.
• Концентрация H₂O₂: влияет на образование радикалов и потребность в остаточных окислителях.
• Тип и дозировка железосодержащего катализатора: включает Fe²⁺, Он³⁺, магнетит, гетит, системы с добавлением TiO₂ или иммобилизованные катализаторы.
• pH и температура: влияют на кинетику реакции Фентона, растворимость катализатора и пути образования радикалов.
• Время проживания: определяет степень превращения в реакторах периодического действия или в поточных реакторах.
• Давление: Ультразвуковые реакторы с возможностью создания давления способны усиливать кавитационные процессы в режиме непрерывной работы.

Примеры из практики: реакции Фентона с усилительным воздействием ультразвука

Были изучены положительные эффекты мощного ультразвука на реакции Фентона и аналогичные им реакции в целях химического разложения, дезактивации, предварительной обработки биомассы и очистки промышленных сточных вод. Приведенные ниже примеры демонстрируют, как ультразвук может способствовать образованию радикалов, увеличению скорости разложения и повышению эффективности процессов в различных системах.

Сонокаталитическая реакция Фентона для усиления образования гидроксильных радикалов

Ниномия и др. (2013) продемонстрировали, что сочетание ультразвуковой обработки, TiO₂, H₂O₂ и железного катализатора значительно усиливает образование гидроксильных радикалов. Данный процесс был применен для разложения лигнина в качестве этапа предварительной обработки лигноцеллюлозной биомассы, способствуя последующему ферментативному гидролизу.

Экспериментальная установка: Частицы TiO₂ (2 г/л), H₂O₂ (100 мМ) и FeSO₄·7H₂O (1 мМ) добавили к суспензии образца. Суспензию подвергали ультразвуковой обработке в течение 180 минут с помощью Ультразвуковой процессор Hielscher серии UP200S / UP200St с использованием зондового сонотрода при мощности ультразвука 35 Вт. Температура в сосуде поддерживалась на уровне 25 °C.

Результат: В результате сонокаталитической реакции Фентона концентрация DHBA достигла 378 мкМ, тогда как при реакции Фентона без ультразвука и TiO₂ она составила 115 мкМ. Разложение лигнина происходило быстрее при сонокаталитической реакции Фентона, что указывает на сильную синергию между ультразвуком, катализатором и химией Фентона.

Сканирующие электронные микрофотографии (СЭМ) биомассы кенафа: (A) необработанный контроль, (B) сонокаталитическая обработка, (C) обработка по методу Фентона и (D) сонокаталитическая обработка в сочетании с методом Фентона. Время предварительной обработки: 360 мин. Масштабная линейка: 10 мкм.
(Фото и исследование: ©Ninomiya et al., 2013)

Разложение нафталина при обработке почвы методом, аналогичным методу Соно-Фентона

Виркутите и др. (2009) исследовали разложение нафталина в почве с помощью комбинации ультразвука и перекиси водорода. Наибольшая эффективность разложения была достигнута при высокой концентрации перекиси водорода и низкой начальной концентрации нафталина. При ультразвуковом облучении мощностью 100, 200 и 400 Вт были зарегистрированы эффективности разложения 78 %, 94 % и 97 % соответственно.

В ходе исследования использовались ультразвуковые аппараты Hielscher УП100Ч, УП200Сти УП400Ст. Улучшение процесса разложения объясняется синергетическим действием ультразвука и перекиси водорода, в том числе образованием радикалов и усилением взаимодействия с оксидами железа в почвенной матрице.

Микрофотография, полученная с помощью растрового электронного микроскопа с энергодисперсионной спектроскопией (SEM–EDS), показывающая состояние почвы до и после обработки ультразвуком.
(Фото и исследование: ©Virkutyte et al., 2009)

Сонохимическое окисление сероуглерода

Адевуи и Аппау продемонстрировали сонохимическое окисление сероуглерода (CS₂) в водном растворе при частоте 20 кГц и температуре 20 °C. Степень удаления CS₂ увеличивалась с ростом интенсивности ультразвука, что было связано с усилением кавитации и увеличением образования радикалов. Исследование показывает, что сонохимическое окисление может быть эффективным методом удаления сероуглерода из водных потоков.

Очистка сточных вод от красителей и текстильной промышленности методом Соно-Фентона

Сточные воды, содержащие красители, из текстильной и смежных отраслей промышленности бывает сложно очистить, поскольку многие красители и продукты их распада являются стойкими, окрашенными и плохо поддаются биологическому разложению. Для разложения красителей широко используются процессы углубленного окисления по методу Фентона и аналогичные ему. Ультразвук может улучшить эти процессы за счет усиления генерации радикалов, дисперсии катализатора и массопереноса.

Разложение красителя Reactive Red 120

Гарофало-Вильяльта и др. (2020) исследовали разложение красителя Reactive Red 120 (RR-120) в синтетической воде. Были сравнены гомогенная обработка по методу соно-Фентона с использованием сульфата железа (II) и гетерогенная обработка по методу соно-Фентона с использованием катализаторов на основе гетита. За 60 минут гомогенный процесс обеспечил разложение красителя на 98,10 %, тогда как гетерогенный процесс с использованием гетита обеспечил разложение на 96,07 % при pH 3,0.

Исследование также показало, что модифицированные катализаторы улучшают показатели разложения по сравнению с чистым гетитом. Измерения ХПК, ОУВ и соотношения БПК/ХПК продемонстрировали, что обработка по методу соно-Фентона не только обесцвечивает раствор, но и повышает биоразлагаемость остаточных органических соединений. На фотографии изображено Hielscher up100h использованные в экспериментах.

Гетерогенная деградация по методу Соно-Фентона азокрасителя RO107

Jaafarzadeh и др. (2018) продемонстрировали возможность удаления азокрасителя Reactive Orange 107 (RO107) с помощью процесса, аналогичного соно-Фентону, с использованием магнетита (Fe₃O₄) наночастиц в качестве катализатора. Ультразвуковой аппарат Hielscher серии UP400S / UP400St для создания акустической кавитации использовался сонотрод диаметром 7 мм.

Результат: Полное удаление азокрасителей было достигнуто при концентрации наночастиц магнетита 0,8 г/л, pH 5, 10 мМ H₂O₂, мощности ультразвука 300 Вт/л и времени реакции 25 мин. В реальных текстильных сточных водах ХПК снизился с 2360 мг/л до 489,5 мг/л за 180 мин. Авторы определили мощность ультразвука как один из основных факторов, влияющих на скорость разложения RO107 в гетерогенной системе, подобной реакции Фентона.

Узнайте больше о высокоэффективном синтезе магнетита с помощью ультразвуковой обработки!

Разложение RO107 при pH 5, концентрации наночастиц магнитного оксида железа (MNPs) 0,8 г/л, концентрации H₂O₂ 10 мМ, концентрации RO107 50 мг/л, мощности ультразвука 300 Вт и продолжительности реакции 30 минут.
Исследование и фото: ©Джаафарзаде и др., 2018.

Ультразвуковые аппараты Hielscher для процессов соно-Фентона и усовершенствованного окисления

Компания Hielscher Ultrasonics разрабатывает и производит высокопроизводительные ультразвуковые процессоры и реакторы для применения в сложных сонохимических процессах, включая реакции Фентона, соно-Фентона, сонофотохимические реакции и другие передовые процессы окисления. В ассортименте представлены как компактные лабораторные установки, так и промышленные ультразвуковые реакторы для непрерывного производства и обработки технологических потоков.

Подбор ультразвукового оборудования для процессов Соно-Фентона

В приведенной ниже таблице представлены ультразвуковые аппараты Hielscher, подходящие для типичных объемов партий и расходов. Окончательный выбор оборудования зависит от химических характеристик процесса, требуемой степени преобразования, времени пребывания, содержания твердых веществ, температуры, давления и необходимой потребляемой мощности.

Как провести тест на осуществимость метода Соно-Фентона

Для предоставления надежных рекомендаций по выбору оборудования компания Hielscher обычно анализирует химический состав, целевые загрязнители, объем обрабатываемой жидкости, расход, дозировку окислителя, тип катализатора, диапазон pH, температурные ограничения и требуемый коэффициент преобразования. Для лабораторных испытаний обычно используется лабораторный или настольный ультразвуковой аппарат с зондом, такой как UP200Ht, UP400St или UIP1000hdT, чтобы определить требуемую подаваемую энергию и рабочий диапазон процесса.

Для обеспечения непрерывной работы компания Hielscher может сконфигурировать ультразвуковые проточные ячейки и проточные реакторы с регулируемым временем пребывания, давлением, температурой и потребляемой мощностью. Это позволяет напрямую сравнивать эффективность обработки при различных амплитудах и скоростях потока.

Часто задаваемые вопросы о реакциях Соно-Фентона

В чём заключается разница между методом Фентона и методом соно-Фентона?

В процессе Фентона для генерации гидроксильных радикалов используются перекись водорода и железосодержащие катализаторы. В процессе Sono-Fenton к этому добавляется мощный ультразвук. Ультразвуковая кавитация усиливает образование радикалов, а также улучшает перемешивание, контакт с катализатором и массообмен.

Можно ли применять метод соно-Фентона для очистки промышленных сточных вод?

Да. Метод Sono-Fenton применяется при разработке технологических процессов для очистки промышленных сточных вод, стоков красящих производств, сточных вод нефтехимической промышленности, загрязненных шламов и других потоков, содержащих трудноразлагаемые органические соединения. Техническая осуществимость зависит от концентрации загрязняющих веществ, потребности в окислителе, системы катализаторов, целей очистки и энергетического баланса.

Может ли ультразвук снизить расход химикатов?

Ультразвук может повысить эффективность использования окислителей и катализаторов за счет усиления образования радикалов и ускорения массообмена. Вопрос о том, можно ли снизить расход химических веществ, необходимо подтвердить в ходе испытаний с использованием реальных сточных вод или реакционной смеси.

Является ли этот процесс масштабируемым?

Да. Ультразвуковые аппараты Hielscher предназначены для разработки технологических процессов с возможностью масштабирования. Результаты лабораторных испытаний можно перенести на пилотные и промышленные установки путем регулирования амплитуды, мощности, времени пребывания, температуры, давления и геометрии реактора.

Какой ультразвуковой процессор подходит для моего технологического процесса?

Выбор подходящего процессора зависит от объема пробы, расхода, желаемой степени преобразования, содержания твердых частиц, вязкости, рабочей температуры и давления. Компания Hielscher предлагает лабораторные ультразвуковые аппараты, пилотные установки и промышленные ультразвуковые реакторы для непрерывной обработки.

Что такое процесс соноозонирования?

Ультразвуковое озонирование — это усовершенствованный процесс окисления, в котором озонирование сочетается с воздействием ультразвука высокой мощности, что позволяет генерировать более активные радикалы и улучшать массообмен в жидкостях. Такое синергетическое взаимодействие ускоряет разложение органических загрязнителей, красителей, микроорганизмов и трудноразлагаемых соединений в воде или сточных водах по сравнению с использованием одного только озонирования.

Откройте для себя преимущества соноозонирования!

Литература / Литература