Sonikimi përmirëson reaksionet Fenton

Reaksionet sono-Fenton ndërthurin kiminë Fenton me ultratinguj me fuqi të lartë për të intensifikuar formimin e radikaleve hidroksil, për të përmirësuar transferimin e masës dhe për të përshpejtuar proceset e degradimit oksidativ. Për laboratorët, impiantet pilot dhe përdoruesit industrialë, pajisjet ultrasonike Hielscher ofrojnë një mënyrë të kontrollueshme dhe të shkallëzueshme për të përmirësuar proceset e avancuara të oksidimit (AOP), si trajtimi i ujërave të ndotura, degradimi i ngjyruesve, rehabilitimi i tokës, paratrajtimi i ligninës dhe zbërthimi kimik.

Çfarë është një reaksion sono-Fenton?

Reaksioni klasik Fenton përdor peroksid hidrogjeni (H₂O₂) dhe katalizatorë hekuri për të gjeneruar radikale hidroksil (•OH) shumë reaktive. Këto radikale oksidojnë ndotësit organikë, ngjyruesit, tretësit, hidrokarburet, ligninën dhe përbërje të tjera rezistente ndaj degradimit. Kur shtohen ultratinguj me fuqi të lartë, procesi quhet reaksion sono-Fenton ose reaksion Fenton ultrasonik.

Trajtimi me ultratinguj përmirëson kiminë Fenton në dy mënyra plotësuese:

• Efekti sonokimik: kavitacioni akustik nxit sonolizën e ujit dhe formimin shtesë të radikaleve.
• Efekti sonomekanik: mikrovrushkujt e kavitacionit dhe forcat prerëse përmirësojnë përzierjen, shpërndarjen e katalizatorit, sipërfaqen ndërfazore dhe transferimin e masës.

Për studiuesit dhe inxhinierët e proceseve, përfitimi praktik është një proces oksidimi më intensiv që mund të shkurtojë kohën e reaksionit, të përmirësojë degradimin e ndotësve, të rrisë shfrytëzimin e katalizatorit dhe të lehtësojë rritjen e shkallës së trajtimeve të tipit Fenton.

Si i përmirësojnë ultratingujt me fuqi të lartë reaksionet Fenton

Kur energjia e ultratingujve me fuqi të lartë transmetohet në një lëng, ndodh kavitacioni akustik. Zgavrat mikroskopike të avullit rriten gjatë cikleve të alternuara të presionit dhe shemben vrullshëm gjatë ngjeshjes. Kjo shembje krijon zona të nxehta të lokalizuara me temperatura dhe presione kalimtare shumë të larta. Në sisteme ujore, kavitacioni mund të nxitë formimin e specieve reaktive, si radikalet hidroksil dhe peroksidi i hidrogjenit.

Në një proces Fenton ose të ngjashëm me Fenton, kjo kimi e nxitur nga kavitacioni vepron së bashku me zbërthimin e H₂O₂ të katalizuar nga hekuri. Në të njëjtën kohë, forcat prerëse ultrasonike përmirësojnë kontaktin ndërmjet oksiduesve, katalizatorëve, lëndëve të ngurta në suspension dhe ndotësve të tretur. Kjo i bën ultratingujt veçanërisht të vlefshëm për:

• rrjedha ujërash të ndotura me ndotës organikë pak të biodegradueshëm;
• katalizatorë heterogjenë si magnetiti, gëtiti, TiO₂ ose oksidet e hekurit;
• lluca, suspensione toke, suspensione biomase dhe lëngje të ngarkuara me katalizator;
• procese të avancuara të oksidimit me tufa dhe në linjë që kërkojnë rritje të besueshme të shkallës.

Përfitimet e reaktorëve ultrasonikë sono-Fenton

• Intensitet më i lartë oksidimi: ultratingujt rrisin formimin e radikaleve dhe përmirësojnë kinetikën e degradimit oksidativ.
• Shfrytëzim më i mirë i katalizatorit: kavitacioni shpërndan katalizatorët dhe përmirëson kontaktin lëng–trup i ngurtë.
• Kohë më të shkurtra reaksioni: gjenerimi i intensifikuar i radikaleve dhe përzierja e intensifikuar mund të shkurtojnë kohën e trajtimit.
• Projektim i shkallëzueshëm i reaktorit: Hielscher ofron reaktorë ultrasonikë laboratorikë, pilot dhe industrialë me kontroll të qëndrueshëm të amplitudës.
• Funksionim me tufa ose në linjë: proceset mund të zhvillohen në gota laboratorike ose në rezervuarë për trajtim me tufa dhe të transferohen në reaktorë me rrjedhje të vazhdueshme.
• Monitorimi i procesit: pajisjet ultrasonike digjitale Hielscher mundësojnë kontrollin e amplitudës, fuqisë së futur, temperaturës, presionit dhe kohës së përpunimit.
• Funksionim industrial 24/7: përpunuesit ultrasonikë për punë të rënda janë projektuar për funksionim të vazhdueshëm me ngarkesë të plotë.

Kur duhet të merrni në konsideratë trajtimin sono-Fenton?

Trajtimi sono-Fenton është veçanërisht i përshtatshëm kur një proces konvencional Fenton është tepër i ngadaltë, kontakti me katalizatorin është i kufizuar, ndotësit oksidohen me vështirësi ose lëndët e ngurta pezull ulin efikasitetin e procesit. Ai është gjithashtu i dobishëm kur një proces duhet të zhvillohet nga vlerësimi i realizueshmërisë në laborator deri te kapaciteti i përpunimit industrial, pa ndryshuar kiminë bazë të oksidimit.

Parametra të rëndësishëm të procesit për optimizimin sono-Fenton

Efikasiteti i një reaksioni sono-Fenton varet si nga parametrat kimikë, ashtu edhe nga ata ultrasonikë. Gjatë testimit të realizueshmërisë, Hielscher i ndihmon klientët të vlerësojnë intervalin përkatës të kushteve të funksionimit për ujërat e ndotura, suspensionin ose përzierjen e reaksionit në fjalë.

• Amplituda ultrasonike: parametri kryesor që kontrollon intensitetin e kavitacionit te sonotroda.
• Dendësia e fuqisë dhe energjia e dhënë: përcaktojnë intensitetin sonokimik për njësi vëllimi të trajtuar.
• Përqendrimi i H₂O₂: ndikon në gjenerimin e radikaleve dhe në kërkesën e mbetur për oksidues.
• Lloji dhe doza e katalizatorit të hekurit: përfshin Fe²⁺, Fe³⁺, magnetit, gëtit, sisteme të asistuara nga TiO₂ ose katalizatorë të imobilizuar.
• pH-ja dhe temperatura: ndikojnë në kinetikën e reaksionit Fenton, tretshmërinë e katalizatorit dhe rrugët e reaksioneve të radikaleve.
• Koha e qëndrimit: përcakton konvertimin në depozita me përpunim me tufa ose në reaktorë me rrjedhje të instaluar në linjë.
• Presioni: reaktorët ultrasonikë që mund të vihen nën presion mund të intensifikojnë kushtet e kavitacionit gjatë funksionimit të vazhdueshëm.

Studime rastesh: Reaksione Fenton të përforcuara me ultratinguj

Efektet pozitive të ultratingujve me fuqi të lartë në reaksionet Fenton dhe të ngjashme me Fenton janë studiuar për degradimin kimik, dekontaminimin, paratrajtimin e biomasës dhe trajtimin e ujërave të ndotura industriale. Shembujt e mëposhtëm tregojnë se si ultratingujt mund të përmirësojnë formimin e radikaleve, shpejtësinë e degradimit dhe efikasitetin e procesit në sisteme të ndryshme.

Reaksioni sonokatalitik–Fenton për gjenerim të shtuar të radikaleve hidroksile

Ninomiya et al. (2013) treguan se kombinimi i trajtimit me ultratinguj, TiO₂, H₂O₂ dhe katalizatorit të hekurit e shtoi ndjeshëm gjenerimin e radikaleve hidroksile. Procesi u zbatua për degradimin e linjinës si një hap paratrajtimi i biomasës linjocelulozike, duke mbështetur hidrolizën enzimatike pasuese.

Konfigurimi eksperimental: Grimca TiO₂ (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) dhe FeSO₄·7H₂O (1 mM) iu shtuan suspensionit të mostrës. Suspensioni u trajtua me ultratinguj për 180 min me përpunuesin ultrasonik të klasës Hielscher UP200S / UP200St duke përdorur një sonotrodë në formë sonde me fuqi ultrasonike 35 W. Temperatura e enës u mbajt e kontrolluar në 25 °C.

Rezultati: Reaksioni sonokatalitik–Fenton arriti një përqendrim të DHBA prej 378 μM, krahasuar me 115 μM për reaksionin Fenton pa ultratinguj dhe TiO₂. Degradimi i linjinës u rrit më shpejt gjatë trajtimit sonokatalitik–Fenton, duke treguar një sinergji të fortë midis ultratingujve, katalizatorit dhe kimisë Fenton.

Mikrografi të biomasës së kenafit të marra me mikroskopi elektronike skanuese (SEM): (A) kontrolli i patrajtuar, (B) trajtimi sonokatalitik, (C) trajtimi Fenton dhe (D) trajtimi sonokatalitik–Fenton. Koha e paratrajtimit: 360 min. Shiritat e shkallës përfaqësojnë 10 μm.
(Figura dhe studimi: ©Ninomiya et al., 2013)

Degradimi i naftalenit përmes trajtimit të tokës me një proces të ngjashëm me sono-Fenton

Virkutyte et al. (2009) hulumtuan degradimin e naftalenit në tokë duke kombinuar ultratingujt dhe peroksidin e hidrogjenit. Efikasiteti më i lartë i degradimit u arrit me përqendrim të lartë të peroksidit të hidrogjenit dhe përqendrim fillestar të ulët të naftalenit. Me rrezatim ultrasonik në 100, 200 dhe 400 W, u raportuan efikasitete degradimi përkatësisht prej 78%, 94% dhe 97%.

Në studim u përdorën ultrasonikatorët Hielscher UP100H, UP200St, dhe UP400St. Përmirësimi i degradimit iu atribuua efektit sinergjik të ultratingujve dhe peroksidit të hidrogjenit, duke përfshirë formimin e radikaleve dhe përmirësimin e ndërveprimit me oksidet e hekurit në matricën e tokës.

Mikrografi SEM–EDS e tokës para dhe pas trajtimit me rrezatim ultrasonik.
(Figura dhe studimi: ©Virkutyte et al., 2009)

Oksidimi sonokimik i disulfidit të karbonit

Adewuyi dhe Appaw demonstruan oksidimin sonokimik të disulfidit të karbonit (CS₂) në tretësirë ujore në 20 kHz dhe 20°C. Largimi i CS₂ u rrit me intensitetin e ultratingujve, gjë që u lidh me kavitacion më të fuqishëm dhe formim më të madh të radikaleve. Studimi tregon se oksidimi sonokimik mund të jetë një metodë efektive për largimin e disulfidit të karbonit nga rrjedhat ujore.

Trajtimi sono-Fenton për ujërat e ndotura nga ngjyruesit dhe industria tekstile

Shkarkimet që përmbajnë ngjyrues nga industria tekstile dhe industritë e lidhura me të mund të jenë të vështira për t’u trajtuar, sepse shumë ngjyrues dhe nënprodukte të tyre janë rezistente ndaj degradimit, të ngjyrosura dhe pak të biodegradueshme. Proceset e oksidimit të avancuar Fenton dhe të ngjashme me Fenton përdoren gjerësisht për degradimin e ngjyruesve. Ultratingujt mund t’i përmirësojnë këto procese duke shtuar gjenerimin e radikaleve dhe duke përmirësuar shpërndarjen e katalizatorit dhe transferimin e masës.

Degradimi i ngjyruesit Reactive Red 120

Garófalo-Villalta et al. (2020) studiuan degradimin e ngjyruesit Reactive Red 120 (RR-120) në ujë sintetik. U krahasuan trajtimi homogjen sono-Fenton me sulfat hekuri(II) dhe trajtimi heterogjen sono-Fenton me katalizatorë me bazë gëtiti. Në 60 min, procesi homogjen arriti degradim të ngjyruesit prej 98,10%, ndërsa procesi heterogjen me gëtit arriti degradim prej 96,07% në pH 3,0.

Studimi zbuloi gjithashtu se katalizatorët e modifikuar përmirësuan performancën e degradimit krahasuar me gëtitin e pamodifikuar. Matjet e COD, TOC dhe BOD/COD treguan se trajtimi sono-Fenton jo vetëm që çngjyrosi tretësirën, por përmirësoi edhe biodegradueshmërinë e përbërjeve organike të mbetura. Figura tregon pajisjen Hielscher UP100H e përdorur në eksperimente.

Degradimi heterogjen sono-Fenton i ngjyruesit azo RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) demonstruan largimin e ngjyruesit azo Reactive Orange 107 (RO107) duke përdorur një proces të ngjashëm me sono-Fenton me nanogrimca magnetiti (Fe₃O₄) si katalizator. Ultrasonikatori Hielscher i klasës UP400S / UP400St i pajisur me një sonotrodë 7 mm u përdor për të gjeneruar kavitacion akustik.

Rezultati: Largimi i plotë i ngjyruesit azo u arrit me 0,8 g/L nanogrimca magnetiti, pH 5, 10 mM H₂O₂, fuqi ultrasonike 300 W/L dhe kohë reaksioni 25 min. Në ujërat reale të ndotura të industrisë tekstile, COD u ul nga 2360 mg/L në 489,5 mg/L gjatë 180 min. Autorët identifikuan fuqinë ultrasonike si një nga faktorët thelbësorë që ndikojnë në shpejtësinë e degradimit të RO107 në sistemin heterogjen të ngjashëm me Fenton.

Mësoni më shumë rreth sintezës shumë efikase të magnetitit duke përdorur sonikimin!

Degradimi i RO107 në pH 5, me 0,8 g/L MNPs, 10 mM H₂O₂, 50 mg/L RO107, fuqi ultrasonike 300 W dhe kohë reaksioni 30 min.
Studimi dhe figura: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Ultrasonikatorët Hielscher për sono-Fenton dhe proceset e oksidimit të avancuar

Hielscher Ultrasonics projekton dhe prodhon procesorë dhe reaktorë ultrasonikë me performancë të lartë për aplikime sonokimike me ngarkesë të rëndë, përfshirë reaksionet Fenton, reaksionet sono-Fenton, reaksionet sonofotokimike dhe procese të tjera të oksidimit të avancuar. Sistemet ofrohen nga pajisje laboratorike kompakte deri te reaktorë ultrasonikë industrialë për prodhim të vazhdueshëm dhe rrjedha që i nënshtrohen trajtimit.

Përzgjedhja e pajisjeve ultrasonike për proceset sono-Fenton

Tabela më poshtë jep një orientim mbi pajisjet ultrasonike Hielscher të përshtatshme për vëllime tipike të ngarkesave dhe prurje tipike. Përzgjedhja përfundimtare e pajisjeve varet nga kimia e procesit, konvertimi i synuar, koha e qëndrimit, përmbajtja e lëndëve të ngurta, temperatura, presioni dhe energjia e nevojshme që duhet të jepet.

Si të filloni një test fizibiliteti sono-Fenton

Për një rekomandim të besueshëm të pajisjeve, Hielscher zakonisht shqyrton kiminë, ndotësit e synuar, vëllimin e trajtimit, prurjen, dozën e oksiduesit, llojin e katalizatorit, intervalin e pH-së, kufijtë e temperaturës dhe konvertimin e kërkuar. Për provat laboratorike, zakonisht përdoret një pajisje ultrasonike me sondë për laborator ose për tryezë pune, si UP200Ht, UP400St ose UIP1000hdT, për të përcaktuar energjinë e nevojshme që duhet të jepet dhe intervalin e kushteve të procesit.

Për funksionim të vazhdueshëm, Hielscher mund të konfigurojë qeliza ultrasonike me rrjedhje dhe reaktorë në linjë me kohë qëndrimi, presion, temperaturë dhe fuqi hyrëse të kontrolluar. Kjo mundëson krahasimin e drejtpërdrejtë të performancës së trajtimit në amplituda dhe prurje të ndryshme.

Pyetje të shpeshta rreth reaksioneve sono-Fenton

Cili është ndryshimi midis trajtimit Fenton dhe atij sono-Fenton?

Trajtimi Fenton përdor peroksid hidrogjeni dhe katalizatorë hekuri për të gjeneruar radikale hidroksil. Trajtimi sono-Fenton shton ultratinguj me fuqi të lartë. Kavitacioni ultrasonik rrit formimin e radikaleve dhe përmirëson përzierjen, kontaktin me katalizatorin dhe transferimin e masës.

A mund të përdoret trajtimi sono-Fenton për ujërat e ndotura industriale?

Po. Trajtimi sono-Fenton përdoret në zhvillimin e proceseve për ujërat e ndotura industriale, shkarkimet që përmbajnë ngjyrues, ujërat e ndotura petrokimike, suspensionet e kontaminuara dhe rrjedha të tjera që përmbajnë përbërje organike rezistente ndaj degradimit. Fizibiliteti industrial varet nga ngarkesa e ndotësve, kërkesa për oksidues, sistemi katalitik, objektivi i trajtimit dhe bilanci energjetik.

A mund ta zvogëlojnë ultratingujt konsumin e kimikateve?

Ultratingujt mund të përmirësojnë shfrytëzimin e oksiduesve dhe katalizatorëve duke intensifikuar formimin e radikaleve dhe transferimin e masës. Nëse konsumi i kimikateve mund të zvogëlohet, kjo duhet të konfirmohet në prova duke përdorur ujërat e ndotura ose përzierjen e reaksionit që do të trajtohet realisht.

A mund të rritet shkalla e procesit?

Po. Pajisjet ultrasonike Hielscher janë projektuar për zhvillimin e proceseve me mundësi rritjeje të shkallës. Rezultatet nga testet laboratorike mund të transferohen në sisteme pilot dhe industriale duke kontrolluar amplitudën, energjinë e dhënë, kohën e qëndrimit, temperaturën, presionin dhe gjeometrinë e reaktorit.

Cili procesor ultrasonik është i përshtatshëm për procesin tim?

Procesori i duhur varet nga vëllimi i mostrës, prurja, konvertimi i synuar, përmbajtja e lëndëve të ngurta, viskoziteti, temperatura e punës dhe presioni. Hielscher ofron pajisje ultrasonike laboratorike, sisteme pilot dhe reaktorë ultrasonikë industrialë për përpunim të vazhdueshëm.

Çfarë është procesi i sono-ozonimit?

Sono-ozonimi është një proces i avancuar oksidimi që kombinon trajtimin me ozon me ultratinguj me fuqi të lartë për të gjeneruar radikale më reaktive dhe për të përmirësuar transferimin e masës në lëngje. Kjo sinergji përshpejton degradimin e ndotësve organikë, ngjyruesve, mikrobeve dhe përbërjeve rezistente ndaj degradimit në ujë ose ujëra të ndotura, krahasuar me ozonimin e vetëm.

Zbuloni përparësitë e sono-ozonimit!

Literatura / Referencat

• Kazuaki Ninomiya, Hiromi Takamatsu, Ayaka Onishi, Kenji Takahashi, Nobuaki Shimizu (2013): Sonocatalytic–Fenton reaction for enhanced OH radical generation and its application to lignin degradation. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 20, Issue 4, 2013. 1092-1097.
• Nematollah Jaafarzadeh, Afshin Takdastan, Sahand Jorfi, Farshid Ghanbari, Mehdi Ahmadi, Gelavizh Barzegar (2018): The performance study on ultrasonic/Fe₃O₄/H₂O₂ for degradation of azo dye and real textile wastewater treatment. Journal of Molecular Liquids Vol. 256, 2018. 462–470.
• Virkutyte, Jurate; Vickackaite, Vida; Padarauskas, Audrius (2009): Sono-oxidation of soils: Degradation of naphthalene by sono-Fenton-like process. Journal of Soils and Sediments 10, 2009. 526-536.
• Garófalo-Villalta, Soraya; Medina Espinosa, Tanya; Sandoval Pauker, Christian; Villacis, William; Ciobotă, Valerian; Muñoz, Florinella; Vargas Jentzsch, Paul (2020): Degradation of Reactive Red 120 dye by a heterogeneous Sono-Fenton process with goethite deposited onto silica and calcite sand. Journal of the Serbian Chemical Society 85, 2020. 125-140.
• Ahmadi, Mehdi; Haghighifard, Nematollah; Soltani, Reza; Tobeishi, Masumeh; Jorfi, Sahand (2019): Treatment of a saline petrochemical wastewater containing recalcitrant organics using electro-Fenton process: persulfate and ultrasonic intensification. Desalination and Water Treatment 169, 2019. 241-250.
• Adewuyi, Yusuf G.; Appaw, Collins (2002): Sonochemical Oxidation of Carbon Disulfide in Aqueous Solutions: Reaction Kinetics and Pathways. Industrial & Engineering Chemistry Research 41 (20), 2002. 4957–4964.