Sonication Përmirëson Reaksionet Fenton

Reaksionet e Fentonit bazohen në gjenerimin e radikaleve të lira si radikali hidroksil •OH dhe peroksidi i hidrogjenit (H₂O₂). Reagimi Fenton mund të intensifikohet ndjeshëm kur kombinohet me ultratinguj. Kombinimi i thjeshtë, por shumë efikas i reaksionit Fenton me ultratingullin e fuqisë është treguar se përmirëson në mënyrë drastike formimin e dëshiruar të radikalëve dhe në këtë mënyrë përpunon efektet intensifikuar.

Si i përmirëson reaksionet e Fenton ultratingulli i energjisë?

Kur ultratingulli me fuqi të lartë / me performancë të lartë shoqërohet me lëngje të tilla si uji, mund të vërehet fenomeni i kavitacionit akustik. Në pikën e nxehtë kavitacionale, lindin flluska të vogla vakumi dhe rriten gjatë disa cikleve me presion të lartë / presion të ulët të shkaktuar nga valët e ultrazërit të fuqisë. Në pikën kur flluska e vakumit nuk mund të thithë më shumë energji, zbrazëtia shembet dhunshëm gjatë një cikli me presion të lartë (ngjeshje). Ky shpërthim flluskash gjeneron kushte jashtëzakonisht ekstreme ku ndodhin temperatura deri në 5000 K, presione deri në 100 MPa dhe diferenca shumë të larta të temperaturës dhe presionit. Flluskat e kavitacionit që shpërthejnë gjenerojnë gjithashtu mikrojet të lëngshëm me shpejtësi të lartë me forca prerëse shumë intensive (efektet sonomekanike) si dhe specie radikale të lira si radikalet OH për shkak të hidrolizës së ujit (efekti sonokimik). Efekti sonokimik i formimit të radikaleve të lira është kontribuuesi kryesor për reaksionet Fenton të intensifikuara në mënyrë ultrasonike, ndërsa efektet sonomekanike të agjitacionit përmirësojnë transferimin e masës, gjë që përmirëson shkallët e konvertimit kimik.
(Fotoja e majtë tregon kavitacionin akustik të krijuar në sonotrode të ultrazërit UIP1000hd. Drita e kuqe nga fundi përdoret për shikueshmëri të përmirësuar)

Studime shembullore të rasteve për reaksionet e Fenton të përmirësuara kimikisht

Efektet pozitive të ultrazërit të fuqisë në reaksionet Fenton janë studiuar gjerësisht në mjedise kërkimore, pilot dhe industriale për aplikime të ndryshme si degradimi kimik, dekontaminimi dhe dekompozimi. Reaksioni Fenton dhe sono-Fenton bazohet në dekompozimin e peroksidit të hidrogjenit duke përdorur një katalizator hekuri, i cili rezulton në formimin e radikaleve hidroksil shumë reaktivë.
Radikalet e lira si radikalet hidroksil (•OH) shpesh krijohen qëllimisht në procese për të intensifikuar reaksionet e oksidimit, p.sh., për të degraduar ndotësit si komponimet organike në ujërat e zeza. Meqenëse ultratingulli i fuqisë është një burim ndihmës i formimit të radikaleve të lira në reaksionet e tipit Fenton, sonikimi në kombinim me reaksionet Fenton rriti shkallën e degradimit të ndotësve në mënyrë që të degradojë ndotësit, përbërjet e rrezikshme si dhe materialet celuloze. Kjo do të thotë që një reaksion Fenton i intensifikuar në mënyrë ultrasonike, i ashtuquajturi reaksion sono-Fenton, mund të përmirësojë prodhimin e radikaleve hidroksil duke e bërë reaksionin Fenton dukshëm më efikas.

Reagimi Sonokatalitik-Fenton për Përmirësimin e Gjenerimit të Radikaleve OH

Ninomiya et al. (2013) demonstrojnë me sukses se një reagim i Fenton i përmirësuar në mënyrë sonokatalitike – duke përdorur ultratinguj në kombinim me dioksid titani (TiO2) si katalizator – shfaq një gjenerim të radikaleve hidroksil (•OH) të përmirësuar ndjeshëm. Aplikimi i ultrazërit me performancë të lartë lejoi fillimin e një procesi të avancuar oksidimi (AOP). Ndërsa reaksioni sonokatalitik duke përdorur grimcat TiO2 është aplikuar në degradimin e kimikateve të ndryshme, ekipi hulumtues i Ninomiya përdori radikalet OH të gjeneruara në mënyrë efikase për të degraduar linjinën (një polimer organik kompleks në muret qelizore të bimës) si një para-trajtim të materialit lignoceluloz për një lehtësoi hidrolizën e mëvonshme enzimatike.
Rezultatet tregojnë se një reaksion sonokatalitik Fenton duke përdorur TiO2 si sonokatalizator, rrit jo vetëm degradimin e linjinës, por gjithashtu është një paratrajtim efikas i biomasës lignocelulozike në mënyrë që të përmirësojë sakarifikimin e mëvonshëm enzimatik.
Procedura: Për reaksionin sonokatalitik-Fenton, të dyja grimcat TiO2 (2 g/L) dhe reagjenti Fenton (dmth. H2O2 (100 mM) dhe FeSO4·7H2O (1 mM)) u shtuan në tretësirën ose suspensionin e kampionit. Për reaksionin sonokatalitik-Fenton, suspensioni i mostrës në enën e reaksionit u sonikua për 180 minuta me Procesor ultrasonik i tipit sondë UP200S (200W, 24kHz) me sonotrode S14 me një fuqi ultratinguj prej 35 W. Ena e reaksionit u vendos në një banjë uji duke ruajtur një temperaturë 25°C duke përdorur një qarkullues ftohës. Ultratingulli u krye në errësirë për të shmangur çdo efekt të shkaktuar nga drita.
Efekti: Ky përmirësim sinergjik i gjenerimit të radikaleve OH gjatë reaksionit sonokatalitik Fenton i atribuohet Fe3+ i formuar nga reaksioni Fenton që rigjenerohet në Fe2+ të nxitur nga bashkimi i reaksionit me reaksionin sonokatalitik.
Rezultatet: Për reaksionin sono-katalitik Fenton, përqendrimi i DHBA u rrit në mënyrë sinergjike në 378 μM, ndërsa reaksioni Fenton pa ultratinguj dhe TiO2 arriti vetëm përqendrimin e DHBA prej 115 μM. Degradimi i linjinës i biomasës kenaf nën reaksionin Fenton arriti vetëm një raport degradimi të linjinës, i cili u rrit linearisht deri në 120 min me kD = 0.26 min−1, duke arritur në 49.9% në 180 min.; ndërsa me reaksionin sonokatalitik-Fenton, raporti i degradimit të linjinës u rrit në mënyrë lineare deri në 60 min me kD = 0,57 min−1, duke arritur në 60,0% në 180 min.

Skanimi i mikrografëve elektronikë (SEM) të biomasës kenaf (A) kontrolli i patrajtuar, i para-trajtuar me (B) sonokatalitik (US/TiO2), (C) Fenton (H2O2/Fe2+) dhe (D) sonokatalitik–Fenton (US/TiO2 + H2O2 /Fe2+) reaksionet. Koha e para-trajtimit ishte 360 min. Shufrat përfaqësojnë 10 μm.
(Foto dhe studim: ©Ninomiya et al., 2013)

Degradimi i naftalinës nëpërmjet Sonochemical Fenton

përqindja më e lartë e degradimit të naftalinës u arrit në kryqëzimin e niveleve më të larta (600 mg L-1 të peroksidit të hidrogjenit) dhe më të ulët (200 mg kg1 përqendrimi i naftalinës) të të dy faktorëve për të gjithë intensitetet e rrezatimit me ultratinguj të aplikuar. Ai rezultoi në 78%, 94% dhe 97% të efikasitetit të degradimit të naftalinës kur u aplikua sonikimi në 100, 200 dhe 400 W, respektivisht. Në studimin e tyre krahasues, studiuesit përdorën ultrasonikët Hielscher UP100H, UP200 St, dhe UP400 St. Rritja e ndjeshme në efikasitetin e degradimit i atribuohet sinergjisë së të dy burimeve oksiduese (ekzaminimi me ultratinguj dhe peroksidi i hidrogjenit) që përkthehet në rritjen e sipërfaqes së oksideve të Fe nga ultratingulli i aplikuar dhe prodhimit më efikas të radikalëve. Vlerat optimale (600 mg L−1 peroksid hidrogjeni dhe 200 mg kg1 përqendrimet e naftalinës në 200 dhe 400 W) treguan deri në një reduktim maksimal prej 97% të përqendrimit të naftalinës në tokë pas 2 orësh trajtimi.
(krh. Virkutyte et al., 2009)

SEM–EDS mikrogram i a) hartës elementare dhe b) tokës përpara dhe c) pas trajtimit me rrezatim me ultratinguj
(Foto dhe studim: ©Virkutyte et al., 2009)

Degradimi sonokimik i disulfidit të karbonit

Adewuyi dhe Appaw demonstruan oksidimin e suksesshëm të disulfidit të karbonit (CS2) në një reaktor grumbull sonokimik nën sonikacion në një frekuencë prej 20 kHz dhe 20°C. Heqja e CS2 nga tretësira ujore u rrit ndjeshëm me një rritje të intensitetit të ultrazërit. Intensiteti më i lartë rezultoi në një rritje të amplitudës akustike, e cila rezulton në një kavitacion më intensiv. Oksidimi sonokimik i CS2 në sulfat ndodh kryesisht nëpërmjet oksidimit nga radikali •OH dhe H2O2 i prodhuar nga reaksionet e tij të rikombinimit. Për më tepër, vlerat e ulëta të EA (më të ulëta se 42 kJ/mol) si në intervalin e temperaturës së ulët ashtu edhe në atë të lartë në këtë studim sugjerojnë që proceset e transportit të kontrolluara nga difuzioni diktojnë reagimin e përgjithshëm. Gjatë kavitacionit tejzanor, dekompozimi i avullit të ujit të pranishëm në zgavra për të prodhuar radikale H• dhe •OH gjatë fazës së kompresimit është studiuar tashmë mirë. Radikali •OH është një oksidant kimik i fuqishëm dhe efikas si në fazën e gazit ashtu edhe në atë të lëngët dhe reagimet e tij me substrate inorganike dhe organike janë shpesh afër shpejtësisë së kontrolluar nga difuzioni. Sonoliza e ujit për të prodhuar H2O2 dhe gaz hidrogjeni nëpërmjet radikaleve hidroksil dhe atomeve të hidrogjenit është e njohur dhe ndodh në prani të ndonjë gazi, O2 ose gazi të pastër (p.sh. Ar). Rezultatet sugjerojnë se disponueshmëria dhe shkalla relative e difuzionit të radikaleve të lira (p.sh., •OH) në zonën e reagimit ndërfaqësor përcaktojnë hapin kufizues të shpejtësisë dhe rendin e përgjithshëm të reagimit. Në përgjithësi, degradimi oksidativ i përmirësuar sonokimik është një metodë efektive për heqjen e disulfidit të karbonit.
(Adewuyi dhe Appaw, 2002)

Degradimi tejzanor i bojës si Fenton

Efluentet nga industritë që përdorin ngjyra në prodhimin e tyre janë një problem mjedisor, i cili kërkon një proces efikas për të rikuperuar ujërat e zeza. Reaksionet oksidative Fenton përdoren gjerësisht për trajtimin e efluentëve të bojës, ndërsa proceset e përmirësuara Sono-Fenton po marrin gjithnjë e më shumë vëmendje për shkak të efikasitetit të tij të shtuar dhe miqësores me mjedisin.

Reagimi Sono-Fenton për Degradimin e Bojës Reaktive të Kuqe 120

Është studiuar degradimi i bojës Reactive Red 120 (RR-120) në ujërat sintetike. U morën në konsideratë dy procese: Sono-Fenton homogjen me sulfat hekuri (II) dhe Sono-Fenton heterogjen me gëtit sintetik dhe gëtit të depozituar në silicë dhe rërë kalciti (katalizatorë të modifikuar GS (goetit i depozituar në rërë silicë) dhe GC (goetit i depozituar në rërë goetit ), respektivisht). Në 60 minuta reaksion, procesi homogjen Sono-Fenton lejoi një degradim prej 98,10%, në kontrast me 96,07% për procesin heterogjen Sono-Fenton me getit në pH 3,0. Heqja e RR-120 u rrit kur u përdorën katalizatorët e modifikuar në vend të gëtitit të zhveshur. Matjet e Kërkesës Kimike për Oksigjen (COD) dhe Karbonit Organik Total (TOC) treguan se heqjet më të larta të TOC dhe COD u arritën me procesin homogjen Sono-Fenton. Matjet biokimike të kërkesës për oksigjen (BOD) lejuan të zbulonin se vlera më e lartë e BOD/COD u arrit me një proces heterogjen Sono-Fenton (0.88±0.04 me katalizatorin e modifikuar GC), duke demonstruar se biodegradueshmëria e përbërjeve organike të mbetura ishte përmirësuar dukshëm. .
(krh. Garófalo-Villalta et al. 2020)
Fotografia e majtë tregon ultrasonikator UP100H përdoret në eksperimentet për degradimin e ngjyrës së kuqe nëpërmjet reaksionit sono-Fenton. (Studimi dhe fotografia: ©Garófalo-Villalta et al., 2020.)

Degradimi heterogjen Sono-Fenton i bojës azo RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) demonstroi heqjen e suksesshme të bojës azo Reactive Orange 107 (RO107) nëpërmjet procesit të degradimit si sono-Fenton duke përdorur nanogrimcat e magnetitit (Fe3O4) (MNP) si katalizator. Në studimin e tyre, ata përdorën Ultrasonikator Hielscher UP400S e pajisur me sonotrode 7mm në ciklin e punës 50% (1 s ndezje/1 s jashtë) për të gjeneruar kavitacion akustik për të marrë formimin e dëshiruar radikal. Nanogrimcat e magnetitit funksionojnë si katalizator i ngjashëm me peroksidazën, prandaj një rritje në dozën e katalizatorit siguron vende më aktive të hekurit, gjë që nga ana tjetër përshpejton dekompozimin e H2O2 duke çuar në prodhimin e OH reaktiv.
Rezultatet: Heqja e plotë e azo bojës u përftua në 0,8 g/L MPN, pH = 5, përqendrim 10 mM H2O2, fuqi tejzanor 300 W/L dhe kohë reagimi 25 min. Ky sistem reagimi tejzanor i ngjashëm me Sono-Fenton u vlerësua gjithashtu për ujërat e zeza të tekstilit të vërtetë. Rezultatet treguan se kërkesa kimike për oksigjen (COD) u reduktua nga 2360 mg/L në 489.5 mg/L gjatë një kohe reagimi prej 180 minutash. Për më tepër, analiza e kostos u krye edhe në US/Fe3O4/H2O2. Së fundi, ultratingulli/Fe3O4/H2O2 tregoi efikasitet të lartë në çngjyrosjen dhe trajtimin e ujërave të zeza me ngjyrë.
Një rritje në fuqinë tejzanor çoi në një rritje të reaktivitetit dhe sipërfaqes së nanogrimcave të magnetitit, gjë që lehtësoi shkallën e transformimit të 'Fe3+ në 'Fe2+. 'Fe2+ i gjeneruar si katalizoi një reaksion H2O2 në mënyrë që të prodhonte radikale hidroksil. Si rezultat, rritja e fuqisë tejzanor u tregua se përmirësonte performancën e procesit US/MNP/H2O2 duke përshpejtuar shkallën e çngjyrosjes brenda një periudhe të shkurtër kohe kontakti.
Autorët e studimit vërejnë se fuqia ultrasonike është një nga faktorët më thelbësorë që ndikon në shkallën e degradimit të bojës RO107 në sistemin heterogjen të ngjashëm me Fenton.
Mësoni më shumë rreth sintezës shumë efikase të magnetitit duke përdorur sonication!
(krh. Jaafarzadeh et al., 2018)

Degradimi i RO107 në kombinime të ndryshme në pH prej 5, doza MNP 0.8 g/L, përqendrimi i H2O2 10 mM, përqendrimi RO107 50 mg/L, fuqia ultrasonike 300 W dhe koha e reagimit 30 min.
Studimi dhe fotografia: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

ULTRAZËRI TË RËNDA

Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan procesorë dhe reaktorë tejzanor me performancë të lartë për aplikime të rënda si proceset oksiduese të avancuara (AOP), reagimi Fenton, si dhe reaksione të tjera sonokimike, sono-foto-kimike dhe sono-elektro-kimike . Ultrasonikët, sondat tejzanor (sonotrode), qelizat e rrjedhës dhe reaktorët janë të disponueshëm në çdo madhësi – nga pajisjet kompakte të testimit laboratorik te reaktorët sonokimikë në shkallë të gjerë. Ultrasonikët Hielscher janë të disponueshëm në një numër të madh të klasave të fuqisë nga pajisjet laboratorike dhe të shtruara deri te sistemet industriale të afta për të përpunuar disa tonë në orë.

Kontrolli i saktë i amplitudës

Amplituda është një nga parametrat më të rëndësishëm të procesit që ndikon në rezultatet e çdo procesi tejzanor. Rregullimi i saktë i amplitudës tejzanor ju lejon të përdorni ultrasonikët Hielscher në amplituda të ulëta deri në shumë të larta dhe të rregulloni amplituda saktësisht me kushtet e kërkuara të procesit tejzanor të aplikacioneve të tilla si dispersioni, nxjerrja dhe sonokimia.
Zgjedhja e madhësisë së duhur të sonotrode dhe përdorimi opsional i një bori përforcues dhe rritja ose zvogëlimi shtesë i amplitudës ju lejon të vendosni një sistem ideal tejzanor për një aplikim specifik. Përdorimi i një sondë / sonotrode me një sipërfaqe më të madhe të përparme do të shpërndajë energjinë tejzanor në një zonë të madhe dhe një amplitudë më të ulët, ndërsa një sonotrode me sipërfaqe më të vogël të sipërfaqes së përparme mund të krijojë amplituda më të larta duke krijuar një pikë të nxehtë kavitacionale më të fokusuar.

Hielscher Ultrasonics prodhon sisteme tejzanor me performancë të lartë me qëndrueshmëri shumë të lartë dhe të afta për të dhënë valë intensive ultratinguj në aplikime të rënda në kushte të vështira. Të gjithë procesorët tejzanor janë ndërtuar për të ofruar fuqi të plotë në funksionimin 24/7. Sonotrode speciale lejojnë proceset e sonikimit në mjedise me temperaturë të lartë.

Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë: