Соникација побољшава Фентонове реакције

Фентонове реакције се заснивају на стварању слободних радикала као што су хидроксил •ОХ радикал и водоник пероксид (Х₂О₂). Фентонова реакција се може значајно интензивирати када се комбинује са ултразвуком. Показало се да једноставна, али веома ефикасна комбинација Фентонове реакције са снажним ултразвуком драстично побољшава формирање жељених радикала и тиме појачава ефекте процеса.

Како Повер Ултрасоунд побољшава Фентонове реакције?

Када се ултразвук велике снаге? високих перформанси споји са течностима као што је вода, може се приметити феномен акустичне кавитације. У кавитационој врућој тачки настају ситни вакуумски мехурићи који расту током неколико циклуса високог/ниског притиска изазваних ултразвучним таласима снаге. У тренутку када вакуумски мехур не може да апсорбује више енергије, празнина се нагло урушава током циклуса високог притиска (компресије). Ова имплозија мехурића ствара изузетно екстремне услове у којима се јављају температуре до 5000 К, притисци до 100 МПа и веома високе разлике температуре и притиска. Кавитациони мехурићи који пуцају такође стварају течне микромлазеве велике брзине са веома интензивним силама смицања (сономеханички ефекти) као и врсте слободних радикала као што су ОХ радикали услед хидролизе воде (сонохемијски ефекат). Сонохемијски ефекат формирања слободних радикала је главни фактор за ултразвучно интензивиране Фентонове реакције, док сономеханички ефекти мешања побољшавају пренос масе, што побољшава стопе хемијске конверзије.
(Слика лево приказује акустичну кавитацију насталу на сонотроди ултрасоницатор УИП1000хд. Црвено светло одоздо се користи за бољу видљивост)

Примери студија случаја за Сонхемијски побољшане Фентонове реакције

Позитивни ефекти снажног ултразвука на Фентонове реакције су широко проучавани у истраживачким, пилот и индустријским окружењима за различите примене као што су хемијска деградација, деконтаминација и разградња. Фентонова и соно-Фентонова реакција се заснива на разградњи водоник-пероксида помоћу катализатора гвожђа, што резултира формирањем високо реактивних хидроксилних радикала.
Слободни радикали као што су хидроксилни (•ОХ) радикали се често намерно стварају у процесима за интензивирање оксидационих реакција, нпр. да би се разградили загађивачи као што су органска једињења у отпадној води. Пошто је ултразвук помоћни извор формирања слободних радикала у реакцијама типа Фентон, соникација у комбинацији са Фентон реакцијама повећава стопе деградације загађивача како би се разградили загађивачи, опасна једињења као и целулозни материјали. То значи да ултразвучно интензивирана Фентонова реакција, такозвана соно-Фентонова реакција, може побољшати производњу хидроксилних радикала, чинећи Фентонову реакцију знатно ефикаснијом.

Сонокаталитичко-Фентонова реакција за побољшање генерисања ОХ радикала

Ниномииа ет ал. (2013) успешно демонстрирају да сонокаталитички појачана Фентонова реакција – користећи ултразвучну обраду у комбинацији са титанијум диоксидом (ТиО2) као катализатором – показује значајно појачано стварање хидроксил (•ОХ) радикала. Примена ултразвука високих перформанси омогућила је покретање напредног процеса оксидације (АОП). Док је сонокаталитичка реакција коришћењем ТиО2 честица примењена на разградњу различитих хемикалија, истраживачки тим Ниномије користио је ефикасно генерисане •ОХ радикале за разградњу лигнина (комплексног органског полимера у ћелијским зидовима биљке) као предтретман лигноцелулозног материјала за олакшала накнадну ензимску хидролизу.
Резултати показују да сонокаталитичка Фентонова реакција која користи ТиО2 као сонокатализатор, појачава не само деградацију лигнина, већ је и ефикасан предтретман лигноцелулозне биомасе како би се побољшала накнадна ензимска сахарификација.
Процедура: За сонокаталитичку–Фентонову реакцију, обе честице ТиО2 (2 г/Л) и Фентонов реагенс (тј. Х2О2 (100 мМ) и ФеСО4·7Х2О (1 мМ)) су додати у раствор или суспензију узорка. За сонокаталитичку–Фентонову реакцију, суспензија узорка у реакционој посуди је соникирана 180 минута са ултразвучни процесор типа сонде УП200С (200В, 24кХз) са сонотродом С14 при ултразвучној снази од 35 В. Реакциона посуда је стављена у водено купатило уз одржавање температуре од 25°Ц коришћењем циркулатора за хлађење. Ултразвучна обрада је изведена у мраку како би се избегли ефекти изазвани светлошћу.
Ефекат: Ово синергистичко повећање генерисања ОХ радикала током сонокаталитичке Фентонове реакције приписује се Фе3+ формираној Фентоновом реакцијом која се регенерише у Фе2+ изазвана реакцијом спајања са сонокаталитичком реакцијом.
Резултати: За сонокаталитичку Фентонову реакцију, концентрација ДХБА је синергистички повећана на 378 μМ, док је Фентонова реакција без ултразвука и ТиО2 постигла само концентрацију ДХБА од 115 μМ. Деградација лигнина биомасе кенаф-а под Фентоновом реакцијом постигла је само однос разградње лигнина, који се линеарно повећавао до 120 мин са кД = 0,26 мин-1, достижући 49,9% на 180 мин.; док се са сонокаталитичко-Фентоновом реакцијом, однос разградње лигнина повећавао линеарно до 60 мин са кД = 0,57 мин-1, достижући 60,0% на 180 мин.

Скенирање електронским микрофотографијама (СЕМ) кенаф биомасе (А) необрађене контроле, претходно третиране (Б) сонокаталитичким (УС/ТиО2), (Ц) Фентоном (Х2О2/Фе2+) и (Д) сонокаталитичким – Фентоном (УС/ТиО2 + Х2О2 /Фе2+) реакције. Време предтретмана је 360 мин. Шипке представљају 10 μм.(Слика и студија: ©Ниномииа ет ал., 2013)

Разградња нафталена преко сонохемијског Фентона

највећи проценат разградње нафталена је постигнут на пресеку највишег (600 мг Л-1 концентрација водоник пероксида) и најнижег (200 мг кг1 концентрација нафталена) нивоа оба фактора за све примењене интензитете ултразвучног зрачења. Резултат је био 78%, 94% и 97% ефикасности деградације нафталена када је примењена соникација на 100, 200 и 400 В, респективно. У својој упоредној студији, истраживачи су користили Хиелсцхер ултрасоникаторе УП100Х, УП200Ст, и УП400Ст. Значајно повећање ефикасности деградације приписано је синергизму оба извора оксидације (ултразвук и водоник-пероксид) који је довео до повећања површине Фе оксида применом ултразвука и ефикасније производње радикала. Оптималне вредности (600 мг Л-1 водоник-пероксида и 200 мг кг1 концентрације нафталена на 200 и 400 В) указују на максимално смањење концентрације нафталена у земљишту од 97% након 2 х третмана.
(уп. Виркутите ет ал., 2009)

СЕМ-ЕДС микрограм а) мапирања елемената и б) земљишта пре и ц) после третмана ултразвучним зрачењем(Слика и студија: ©Виркутите ет ал., 2009)

Сонохемијска деградација угљен-дисулфида

Адевуии и Аппав су демонстрирали успешну оксидацију угљен-дисулфида (ЦС2) у сонохемијском шаржном реактору под соникацијом на фреквенцији од 20 кХз и 20°Ц. Уклањање ЦС2 из воденог раствора значајно се повећава са повећањем интензитета ултразвука. Већи интензитет је резултирао повећањем акустичне амплитуде, што резултира интензивнијом кавитацијом. Сонохемијска оксидација ЦС2 у сулфат се одвија углавном кроз оксидацију •ОХ радикала и Х2О2 који настаје из његових реакција рекомбинације. Поред тога, ниске вредности ЕА (ниже од 42 кЈ/мол) у опсегу ниских и високих температура у овој студији сугеришу да дифузно контролисани транспортни процеси диктирају укупну реакцију. Током ултразвучне кавитације, разлагање водене паре присутне у шупљинама за производњу Х• и •ОХ радикала током фазе компресије је већ добро проучено. •ОХ радикал је моћан и ефикасан хемијски оксидант иу гасној иу течној фази, а његове реакције са неорганским и органским супстратима су често близу брзине контролисане дифузијом. Сонолиза воде за производњу Х2О2 и гасовитог водоника преко хидроксилних радикала и атома водоника је добро позната и дешава се у присуству било ког гаса, О2 или чистих гасова (нпр. Ар). Резултати сугеришу да доступност и релативне брзине дифузије слободних радикала (нпр. •ОХ) у међуфазну реакциону зону одређују корак који ограничава брзину и укупан редослед реакције. Све у свему, сонохемијска појачана оксидативна деградација је ефикасан метод за уклањање угљен-дисулфида.
(Адевуии и Аппав, 2002)

Ултразвучна деградација боје налик Фентону

Ефлуенти из индустрија које користе боје у својој производњи представљају еколошки проблем, који захтева ефикасан процес за санацију отпадних вода. Оксидативне Фентон реакције се широко користе за третирање ефлуента боја, док побољшани Соно-Фентон процеси добијају све већу пажњу због своје побољшане ефикасности и еколошке прихватљивости.

Соно-Фентон реакција за деградацију реактивне црвене 120 боје

Проучавана је деградација Реацтиве Ред 120 боје (РР-120) у синтетичким водама. Разматрана су два процеса: хомогени Соно-Фентон са гвожђем (ИИ) сулфатом и хетерогени Соно-Фентон са синтетичким гетитом и гетитом нанесеним на силицијум диоксид и калцитни песак (модификовани катализатори ГС (гетит депонован на силицијум песак) и ГЦ (гетит песак депонован на каменац). ), редом). За 60 минута реакције, хомогени Соно-Фентон процес је омогућио деградацију од 98,10 %, за разлику од 96,07 % за хетерогени Соно-Фентон процес са гетитом на пХ 3,0. Уклањање РР-120 се повећало када су коришћени модификовани катализатори уместо голог гетита. Мерење хемијске потражње за кисеоником (ЦОД) и укупног органског угљеника (ТОЦ) показало је да су највећа уклањања ТОЦ и ЦОД постигнута хомогеним Соно-Фентон процесом. Мерења биохемијске потражње кисеоником (БОД) су омогућила да се открије да је највећа вредност БПК/ЦОД постигнута хетерогеним Соно-Фентон процесом (0,88±0,04 са модификованим катализатором ГЦ), показујући да је биоразградивост заосталих органских једињења значајно побољшана .
(уп. Гарофало-Виллалта ет ал. 2020)
Слика лево приказује ултрасоникатор УП100Х коришћено у експериментима за разградњу црвене боје путем соно-Фентонове реакције. (Студија и слика: ©Гарофало-Виллалта ет ал., 2020.)

Хетерогена Соно-Фентон деградација азо боје РО107

Јаафарзадех ет ал. (2018) су демонстрирали успешно уклањање азо-боје Реацтиве Оранге 107 (РО107) путем процеса деградације сличног соно-Фентону користећи наночестице магнетита (Фе3О4) (МНП) као катализатор. У својој студији користили су Хиелсцхер УП400С ултрасоникатор опремљен сонотродом од 7 мм при 50% радног циклуса (1 с укључено/1 с искључено) за стварање акустичне кавитације како би се добила жељена формација радикала. Наночестице магнетита функционишу као катализатор сличан пероксидази, стога повећање дозе катализатора обезбеђује активнија места гвожђа, што заузврат убрзава разлагање Х2О2 што доводи до производње реактивног ОХ•.
Резултати: Потпуно уклањање азо боје је добијено при 0,8 г/Л МПНс, пХ = 5, концентрацији 10 мМ Х2О2, ултразвучној снази 300 В/Л и времену реакције 25 мин. Овај ултразвучни реакциони систем сличан Соно-Фентону је такође процењен за стварну текстилну отпадну воду. Резултати су показали да је хемијска потражња за кисеоником (ЦОД) смањена са 2360 мг/Л на 489,5 мг/Л током реакционог времена од 180 минута. Штавише, анализа трошкова је такође спроведена на УС/Фе3О4/Х2О2. Коначно, ултразвучни/Фе3О4/Х2О2 показао је високу ефикасност у деколоризацији и третману обојених отпадних вода.
Повећање ултразвучне снаге довело је до повећања реактивности и површине наночестица магнетита, што је олакшало брзину трансформације `Фе3+ у `Фе2+. Као створени `Фе2+ катализовао је реакцију Х2О2 да би се произвели хидроксилни радикали. Као резултат, показало се да повећање ултразвучне снаге побољшава перформансе УС/МНПс/Х2О2 процеса убрзавањем стопе деколоризације у кратком периоду контакта.
Аутори студије примећују да је ултразвучна снага један од најважнијих фактора који утичу на брзину деградације РО107 боје у хетерогеном систему сличном Фентону.
Сазнајте више о високоефикасној синтези магнетита помоћу соникације!
(уп. Јаафарзадех ет ал., 2018)

Разградња РО107 у различитим комбинацијама при пХ 5, дози МНП од 0,8 г/Л, концентрацији Х2О2 од 10 мМ, концентрацији РО107 од 50 мг/Л, ултразвучној снази од 300 В и времену реакције од 30 мин.Студија и слика: ©Јаафарзадех ет ал., 2018.

ТЕШКИ УЛТРАЗВУЧНИ УРЕЂАЈИ

Хиелсцхер Ултрасоницс дизајнира, производи и дистрибуира ултразвучне процесоре и реакторе високих перформанси за тешке примене као што су напредни оксидативни процеси (АОП), Фентонова реакција, као и друге сонохемијске, соно-фото-хемијске и соно-електрохемијске реакције . Ултрасоникатори, ултразвучне сонде (сонотроде), проточне ћелије и реактори су доступни у било којој величини – од компактне лабораторијске опреме за испитивање до великих сонохемијских реактора. Хиелсцхер ултрасоникатори су доступни у бројним класама снаге од лабораторијских и стоних уређаја до индустријских система који могу да обраде неколико тона на сат.

Прецизна контрола амплитуде

Амплитуда је један од најважнијих параметара процеса који утиче на резултате било ког ултразвучног процеса. Прецизно подешавање ултразвучне амплитуде омогућава рад Хиелсцхер ултрасоникаторима при малим до веома високим амплитудама и фино подешавање амплитуде тачно према потребним условима ултразвучног процеса у апликацијама као што су дисперзија, екстракција и сонохемија.
Одабир праве величине сонотроде и коришћење опционог појачавача за и додатно повећање или смањење амплитуде омогућава постављање идеалног ултразвучног система за одређену примену. Коришћење сонде? сонотроде са већом предњом површином ће дисипирати ултразвучну енергију на великој површини и нижој амплитуди, док сонотрода са мањом предњом површином може створити веће амплитуде стварајући фокусираније кавитационо жариште.

Хиелсцхер Ултрасоницс производи ултразвучне системе високих перформанси веома високе робусности и способне да испоруче интензивне ултразвучне таласе у тешким апликацијама под захтевним условима. Сви ултразвучни процесори су направљени да испоручују пуну снагу у раду 24/7. Специјалне сонотроде омогућавају процесе соникације у окружењима са високим температурама.

Табела у наставку даје вам индикацију приближних капацитета обраде наших ултразвучних апарата: