Ultrazvukom zlepšuje fentonové reakcie

Fentonové reakcie sú založené na tvorbe voľných radikálov, ako je hydroxyl •OH radikál a peroxid vodíka (H2O2). Fentonova reakcia môže byť výrazne zintenzívnená v kombinácii s ultrazvukom. Ukázalo sa, že jednoduchá, ale vysoko účinná kombinácia Fentonovej reakcie s výkonovým ultrazvukom drasticky zlepšuje požadovanú radikálnu tvorbu a tým spracováva zintenzívnenie účinkov.

Ako power ultrazvuk zlepšuje fentonové reakcie?

Ultrazvukový kavitácia na Hielschers UIP1000hdT (1kW) ultrasonicatorKeď je vysokovýkonná / vysokovýkonná ultrazvukom spojená s kvapalinami, ako je voda, možno pozorovať fenomén akustickej kavitácie. V kavitačnom horúcom mieste vznikajú minútové vákuové bubliny a rastú počas niekoľkých vysokotlakových / nízkotlakových cyklov spôsobených výkonovými ultrazvukovými vlnami. V okamihu, keď vákuová bublina nemôže absorbovať viac energie, prázdnota sa počas vysokotlakového (kompresného) cyklu prudko zrúti. Táto bublinová implózia vytvára mimoriadne extrémne podmienky, keď sa vyskytujú teploty až 5000 K, tlaky až 100 MPa a veľmi vysoké teplotné a tlakové diferenciály. Prasknuté kavitačné bubliny tiež vytvárajú vysokorýchlostné kvapalné mikrojety s veľmi intenzívnymi šmykovými silami (sonomechanické účinky), ako aj druhy voľných radikálov, ako sú OH radikály v dôsledku hydrolýzy vody (sonchemický účinok). Sonochemical účinok tvorby voľných radikálov je hlavným prispievateľom k rozpúšťadle zintenzívneným fentonovým reakciám, zatiaľ čo sonomechanické účinky agitácie zlepšujú prenos hmoty, čo zlepšuje chemické konverzné rýchlosti.
(Na obrázku vľavo je znázornená akustická kavitácia vytvorená v sonotróde Ultrasonicator UIP1000hd. Červené svetlo zospodu sa používa na lepšiu viditeľnosť)

Žiadosť o informácie





Ultrazvukom zlepšuje oxidačné fentonové reakcie.

Priemyselný ultrazvukový inline reaktor pre veľké sono-fentonové reakcie.

Príkladné prípadové štúdie sochemicky zvýšených fentonových reakcií

Pozitívne účinky výkonového ultrazvuku na fentonové reakcie boli široko študované vo výskume, pilotnom a priemyselnom prostredí pre rôzne aplikácie, ako je chemická degradácia, dekontaminácia a rozklad. Fentonova a sono-fentonová reakcia je založená na rozklade peroxidu vodíka pomocou železného katalyzátora, čo vedie k tvorbe vysoko reaktívnych hydroxylových radikálov.
Voľné radikály, ako sú hydroxylové (•OH) radikály, sa často zámerne vytvárajú v procesoch na zintenzívnenie oxidačných reakcií, napr. na degradáciu znečisťujúcich látok, ako sú organické zlúčeniny v odpadových vodách. Keďže výkonový ultrazvuk je pomocným zdrojom tvorby voľných radikálov pri reakciách typu Fenton, ultrazvukom v kombinácii s fentonovými reakciami zvýšila rýchlosť degradácie znečisťujúcich látok s cieľom degradovať znečisťujúce látky, nebezpečné zlúčeniny, ako aj celulózové materiály. To znamená, že rozpúšťadle zintenzívnená fentonová reakcia, takzvaná sono-fentonová reakcia, môže zlepšiť produkciu hydroxylových radikálov, vďaka čomu je Fentonova reakcia výrazne efektívnejšia.

Sonocatalytická-fentonová reakcia na zlepšenie radikálnej generácie OH

Ninomiya et al. (2013) úspešne demonštrujú, že sonocatalyticky zvýšená Fentonova reakcia – použitie ultrazvukom v kombinácii s oxidom titaničitým (TiO2) ako katalyzátorom – vykazuje výrazne zvýšenú radikálnu tvorbu hydroxylu (•OH). Aplikácia vysokovýkonného ultrazvuku umožnila začať pokročilý oxidačný proces (AOP). Zatiaľ čo sonocatalytická reakcia s použitím častíc TiO2 bola aplikovaná na degradáciu rôznych chemikálií, výskumný tím Ninomiya použil efektívne generované •OH radikály na degradáciu lignínu (komplexného organického polyméru v bunkových stenách rastlín) ako predúpravu lignocelulózového materiálu pre uľahčenú následnú enzymatickú hydrolýzu.
Výsledky ukazujú, že sonocatalytická fentonová reakcia používajúca TiO2 ako sonocatalyst, zvyšuje nielen degradáciu lignínu, ale je tiež účinným predliespozíciou lignococelulózovej biomasy s cieľom zvýšiť následnú enzymatickú sacharifikáciu.
Postup: Pri sonocatalytickej-fentonovej reakcii sa do roztoku vzorky alebo suspenzie pridali častice TiO2 (2 g/l) aj Fentonovo činidlo (t. j. H2O2 (100 mM) a FeSO4·7H2O (1 mM)). Pri sonocatalytickej-fentonovej reakcii sa suspenzia vzorky v reakčnej nádobe sonicated počas 180 minút ultrazvukový procesor typu sondy UP200S (200W, 24kHz) so sonotródou S14 pri ultrazvukovom výkone 35 W. Reakčná nádoba bola umiestnená vo vodnom kúpeli s použitím chladiaceho obehového ventilátora pri teplote 25 °C. Ultrazvukom bol vykonaný v tme, aby sa zabránilo akýmkoľvek svetelným efektom.
Účinok: Toto synergické zvýšenie radikálnej generácie OH počas sonocatalytickej fentonovej reakcie sa pripisuje Fe3+ tvorenej Fentonovou reakciou regenerovanou na Fe2+ vyvolanú reakčným spojením so sonocatalytickou reakciou.
Výsledky: Pri sono katalytickej fentónovej reakcii sa koncentrácia DHBA synergicky zvýšila na 378 μM, zatiaľ čo fentonová reakcia bez ultrazvuku a TiO2 dosiahla koncentráciu DHBA iba 115 μM. Degradácia kúfovej biomasy pri Fentonovej reakcii dosiahla len pomer degradácie lignínu, ktorý sa lineárne zvýšil až na 120 min s kD = 0,26 min−1 a dosiahol 49,9% pri 180 min.; zatiaľ čo pri sonocatalytickej-fentonovej reakcii sa pomer degradácie lignínu lineárne zvýšil až na 60 min s kD = 0,57 min−1 a dosiahol 60,0% po 180 min.

Ultrazvukom v kombinácii s TiO2 ako sonocatalyst zlepšuje Fentonovu reakciu a tvorbu hydroxylových radikálov.

Skenovacie elektrónové mikrografy (SEM) neošetrenej kontroly kenafovej biomasy (A), predliečené (B) sonocatalytickými (US/TiO2), (C) Fentonom (H2O2/Fe2+) a (D) sonocatalytickými-fentonovými (US/TiO2 + H2O2/Fe2+). Čas predstihom bol 360 min. Tyče predstavujú 10 μm.
(Obrázok a štúdia: ©Ninomiya et al., 2013)

Ultrasonicator UIP1000hdT v dávkovom reaktore používanom pre sono-Fentonovu reakciu

Sono-Fentonove reakcie môžu byť bežia v dávkových a inline nastaveniach reaktorov. Na obrázku je znázornené Ultrazvukový procesor UIP1000hdT (1kW, 20kHz) v 25-litrovej dávke.

Žiadosť o informácie





Degradácia naftalénu prostredníctvom sonchemického fenónu

najvyššie percento degradácie naftalénu sa dosiahlo na priesečníku najvyššej (koncentrácia peroxidu vodíka 600 mg L-1) a najnižších (koncentrácia naftalénu 200 mg kg1) oboch faktorov pre všetky použité intenzity ultrazvukového ožiarenia. To viedlo k 78%, 94% a 97% účinnosti degradácie naftalénu pri ultrazvukom pri 100, 200 a 400 W. Vo svojej porovnávacej štúdii výskumníci použili Hielscher ultrasonicators UP100H, UP200St, a UP400St. Výrazné zvýšenie účinnosti degradácie sa pripisuje synergii oxidačných zdrojov (ultrazvukom a peroxid vodíka), ktorá sa premietla do zvýšenej povrchovej plochy oxidov Fe aplikovaným ultrazvukom a účinnejšou produkciou radikálov. Optimálne hodnoty (600 mg L−1 peroxidu vodíka a 200 mg kg1 koncentrácií naftalénu pri 200 a 400 W) naznačujú maximálne 97% zníženie koncentrácie naftalénu v pôde po 2 hodinách liečby.
(porovnaj Virkutyte et al., 2009)

Ultrazvuková rekultivácia pôdy prostredníctvom Sono-Fentonovej reakcie.

SEM-EDS mikrogram a) elementárne mapovanie a b) pôda pred a c) po ultrazvukovom ošetrení ožiarenia
(Obrázok a štúdia: ©Virkutyte et al., 2009)

Sonchemická degradácia disulfidu uhlíka

Ultrazvukový dávkový reaktor pre Sono-Fenton reakcie.Adewuyi a Appaw preukázali úspešnú oxidáciu disulfidu uhlíka (CS2) v sonchemickom dávkovom reaktore pod ultrazvukom s frekvenciou 20 kHz a 20 °C. Odstránenie CS2 z vdového roztoku sa výrazne zvýšilo so zvýšením intenzity ultrazvuku. Vyššia intenzita viedla k zvýšeniu akustickej amplitúdy, čo vedie k intenzívnej kavitácii. Sonchemická oxidácia CS2 na sulfát prebieha hlavne oxidáciou •OH radikálom a H2O2 produkovaným z jeho rekombinačných reakcií. Okrem toho nízke hodnoty EA (nižšie ako 42 kJ/mol) v rozsahu nízkych aj vysokých teplôt v tejto štúdii naznačujú, že difúzne riadené dopravné procesy diktujú celkovú reakciu. Počas ultrazvukovej kavitácie bol rozklad vodnej pary prítomný v dutinách na výrobu H• a •OH radikálov počas kompresnej fázy už dobre študovaný. •OH radikál je silný a účinný chemický oxidant v plynovej aj kvapalnej fáze a jeho reakcie s anorganickými a organickými substrátmi sú často v blízkosti difúznej rýchlosti. Sonolýza vody na výrobu H2O2 a vodíkového plynu prostredníctvom hydroxylových radikálov a atómov vodíka je dobre známa a vyskytuje sa v prítomnosti akéhokoľvek plynu, O2 alebo čistých plynov (napr. Ar). Výsledky naznačujú, že dostupnosť a relatívna miera difúzie voľných radikálov (napr. •OH) do medzifaciálnej reakčnej zóny určujú krok obmedzujúci rýchlosť a celkové poradie reakcie. Celkovo je sonchemická zvýšená oxidačná degradácia účinnou metódou na odstránenie disulfidu uhlíka.
(Adewuyi a Appaw, 2002)

Žiadosť o informácie





Ultrazvukový fenton-ako degradácia farbiva

Výtoky z priemyselných odvetví, ktoré používajú farbivá pri svojej výrobe, sú environmentálnym problémom, ktorý si vyžaduje efektívny proces na nápravu odpadových vôd. Oxidačné fentónové reakcie sú široko používané na liečbu odpadových vôd farbív, zatiaľ čo zlepšené procesy Sono-Fenton sa dostávajú čoraz viac pozornosti vďaka jeho zvýšenej účinnosti a šetrnosti k životnému prostrediu.

Sono-fentonová reakcia na degradáciu reaktívneho červeného farbiva 120

Ultrasonicator UP100H v experimentoch pre degradáciu červeného farbiva prostredníctvom sono-Fentonovej reakcie.Skúmala sa degradácia reaktívneho červeného farbiva 120 (RR-120) v syntetických vodách. Zvažovali sa dva procesy: homogénny Sono-Fenton so síranom železa (II) a heterogénny Sono-Fenton so syntetickým goethitom a goethitom uloženým na oxid kremičitý a kalcitový piesok (modifikované katalyzátory GS (goethit uložený na silikagélový piesok) a GC (goethit uložený na kalcitový piesok). V 60. minúte reakcie homogénny Sono-Fentonov proces umožnil degradáciu 98,10 %, na rozdiel od 96,07 % pre heterogénny Sono-fentonový proces s goethitom pri pH 3,0. Odstránenie RR-120 sa zvýšilo, keď sa namiesto holého goethitu použili modifikované katalyzátory. Merania chemickej spotreby kyslíka (COD) a celkového organického uhlíka (TOC) ukázali, že najvyššie odstránenie TOC a COD bolo dosiahnuté homogénnym procesom Sono-Fenton. Biochemické merania dopytu po kyslíku (BSK) umožnili zistiť, že najvyššia hodnota BSK/COD bola dosiahnutá heterogénnym Sono-fentónovým procesom (0,88±0,04 s modifikovaným katalyzátorom GC), čo dokazuje, že biologická odbúrateľnosť zvyškových organických zlúčenín sa pozoruhodne zlepšila.
(porovnaj Garófalo-Villalta et al. 2020)
Na obrázku vľavo sa zobrazuje Ultrasonicator UP100H použité v experimentoch na degradáciu červeného farbiva pomocou sono-fentonovej reakcie. (Štúdia a obrázok: ©Garófalo-Villalta et al., 2020.)

Heterogénna sono-fentonová degradácia azofarbiva RO107

Ultrazvukom podporuje fentonové reakcie, čo vedie k vyššej radikálnej tvorbe. Tým sa dosiahne vyššia oxidácia a zlepšená miera konverzie. Jaafarzadeh et al. (2018) demonštroval úspešné odstránenie azofarbiva Reaktívne oranžové 107 (RO107) prostredníctvom procesu degradácie sono-fentónu pomocou magnetitových nanočastíc (Fe3O4) (MNP) ako katalyzátora. Vo svojej štúdii použili Hielscher UP400S ultrasonicator vybavené 7 mm sonotródou pri 50% pracovnom cykle (1 s vypnutý) na vytvorenie akustickej kavitácie s cieľom dosiahnuť požadovanú radikálnu tvorbu. Nanočastice magnetitu fungujú ako katalyzátor podobné peroxidáze, preto zvýšenie dávky katalyzátora poskytuje aktívnejšie miesta železa, čo zase urýchľuje rozklad H2O2, čo vedie k produkcii reaktívneho OH•.
Výsledky: Úplné odstránenie azofarbla bolo získané pri 0,8 g / L MPNs, pH = 5, 10 mM H2O2 koncentrácia, 300 W / L ultrazvukový výkon a 25 min reakčný čas. Tento ultrazvukový sono-fenton ako reakčný systém bol tiež hodnotený pre skutočné textilné odpadové vody. Výsledky ukázali, že chemická spotreba kyslíka (COD) sa znížila z 2360 mg / l na 489,5 mg / l počas 180 minút reakčného času. Okrem toho sa analýza nákladov vykonala aj na us/Fe3O4/H2O2. Nakoniec ultrazvuk / Fe3O4 / H2O2 preukázal vysokú účinnosť pri odfarbení a čistení farebných odpadových vôd.
Zvýšenie ultrazvukového výkonu viedlo k zvýšeniu reaktivity a povrchovej plochy magnetitových nanočastíc, čo uľahčilo rýchlosť transformácie "Fe3+ na "Fe2+. "Fe2+ generovaný katalyzoval reakciu H2O2 s cieľom produkovať hydroxylové radikály. V dôsledku toho sa ukázalo, že zvýšenie ultrazvukového výkonu zvyšuje výkon procesu US / MNPs / H2O2 zrýchlením miery zafarbenia v krátkom časovom období kontaktu.
Autori štúdie poznamenávajú, že ultrazvukový výkon je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť degradácie farbiva RO107 v heterogénnom systéme podobné fentóne.
Prečítajte si viac o vysoko účinnej syntéze magnetitu pomocou ultrazvukom!
(porov. Jaafarzadeh et al., 2018)

Ultrazvukový výkon je jedným z najdôležitejších faktorov ovplyvňujúcich rýchlosť degradácie farbiva RO107 v heterogénnom fentónovom systéme.

Degradácia RO107 v rôznych kombináciách pri pH 5, MNPs dávkovanie 0,8 g / l, koncentrácia H2O2 10 mM, koncentrácia RO107 50 mg / l, ultrazvukový výkon 300 W a reakčný čas 30 min.
Štúdia a obrázok: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

vysokovýkonné ultrasonicators

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje vysokovýkonné ultrazvukové procesory a reaktory pre ťažké aplikácie, ako sú pokročilé oxidačné procesy (AOP), fentonová reakcia, ako aj iné sonchemické, sono-fotochemické a sono-elektrochemické reakcie. Ultrasonicators, ultrazvukové sondy (sonotródy), prietokové bunky a reaktory sú k dispozícii v akejkoľvek veľkosti – od kompaktných laboratórnych skúšobných zariadení až po veľké sonchemické reaktory. Hielscher ultrasonicators sú k dispozícii početné mocenské triedy od laboratórnych a lavice-top zariadení až po priemyselné systémy schopné spracovať niekoľko ton za hodinu.

Presné ovládanie amplitúdy

Ultrazvukový reaktor s ultrasonicatorom s výkonom 4000 wattov na spracovanie vyhorených jadrových palív a rádioaktívneho odpaduAmplitúda je jedným z najdôležitejších parametrov procesu ovplyvňujúcich výsledky akéhokoľvek ultrazvukového procesu. Presné nastavenie ultrazvukovej amplitúdy umožňuje prevádzkovať Hielscher ultrasonicators pri nízkych až veľmi vysokých amplitúdach a doladiť amplitúdu presne na požadované ultrazvukové procesné podmienky aplikácií, ako je disperzia, extrakcia a sonochemistry.
Výber správnej veľkosti sonotródy a použitie voliteľne posilňovacieho rohu pre a ďalšie zvýšenie alebo zníženie amplitúdy umožňuje nastaviť ideálny ultrazvukový systém pre konkrétnu aplikáciu. Použitie sondy / sonotródy s väčšou plochou predného povrchu rozptýli ultrazvukovú energiu na veľkej ploche a nižšej amplitúde, zatiaľ čo sonotróda s menšou plochou predného povrchu môže vytvoriť vyššie amplitúdy vytvárajúce cielenejšie kavitačné horúce miesto.

Hielscher Ultrasonics vyrába vysoko výkonné ultrazvukové systémy veľmi vysokej robustnosti a schopné dodať intenzívne ultrazvukové vlny v ťažkých aplikáciách v náročných podmienkach. Všetky ultrazvukové procesory sú postavené tak, aby poskytovali plný výkon v prevádzke 24/7. Špeciálne sonotródy umožňujú ultrazvukom procesy vo vysokoteplotnom prostredí.

Výhody hielscherských chemických sono-reaktorov

  • dávkové a inline reaktory
  • priemyselný stupeň
  • 24/7/365 prevádzka pri plnom zaťažení
  • pre akýkoľvek objem a prietok
  • rôzne konštrukcie reaktorových plavidiel
  • Regulovaná teplota
  • stlačiteľné
  • Easy-to-clean
  • jednoduchá inštalácia
  • bezpečné ovládanie
  • robustnosť + nízka údržba
  • voliteľne automatizované

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov:

Objem šarže prietok Odporúčané Devices
1 až 500mL 10 až 200mL/min UP100H
10 až 2000mL 20 až 400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 až 20L 02 až 4 l / min UIP2000hdT
10 až 100L 2 až 10 l / min UIP4000hdT
neuv 10 až 100 l / min UIP16000
neuv väčšia strapec UIP16000

Kontaktuj nás! / Opýtajte sa nás!

Požiadajte o ďalšie informácie

Prosím, použite formulár nižšie požiadať o ďalšie informácie o ultrazvukové procesory, aplikácie a ceny. Budeme radi diskutovať o vašom procese s vami a ponúknuť vám Ultrazvukový systém spĺňajúci vaše požiadavky!









Vezmite prosím na vedomie naše Zásady ochrany osobných údajov,


Ultrazvukom výrazne zlepšuje účinnosť Fentonových reakcií, pretože výkon ultrazvuk zvyšuje tvorbu poplatkových radikálov.

Nastavenie sonchemickej šarže s Ultrasonicator UIP1000hdT (1000 wattov, 20kHz) pre sono-fentonové reakcie.


Ultrazvukové high-shear homogenizers sa používajú v laboratóriu, bench-top, pilotné a priemyselné spracovanie.

Hielscher Ultrazvukom vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory pre miešanie aplikácií, disperzie, emulgácie a extrakcie na laboratórne, pilotné a priemyselné meradle.



Literatúra/referencie


Vysoko výkonné ultrazvukom! Hielscherov sortiment pokrýva celé spektrum od kompaktného laboratórneho ultrasonicatora cez bench-top jednotky až po plne priemyselné ultrazvukové systémy.

Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizers z laboratórium na priemyselnej veľkosti.