Sonikasyon Fenton Reaksiyonlarını İyileştirir

Fenton reaksiyonları, hidroksil •OH radikali ve hidrojen peroksit (H₂O₂). Fenton reaksiyonu, ultrasonikasyon ile birleştirildiğinde önemli ölçüde yoğunlaştırılabilir. Fenton reaksiyonunun güç ultrasonu ile basit ama oldukça etkili kombinasyonunun, istenen radikal oluşumunu büyük ölçüde iyileştirdiği ve böylece yoğunlaştırıcı etkileri işlediği gösterilmiştir.

Power Ultrasound Fenton Reaksiyonlarını Nasıl İyileştirir?

Yüksek güçlü / yüksek performanslı ultrasonikasyon su gibi sıvılara bağlandığında, akustik kavitasyon olgusu gözlemlenebilir. Kavitasyonel sıcak noktada, küçük vakum kabarcıkları ortaya çıkar ve güç ultrason dalgalarının neden olduğu birkaç yüksek basınç / düşük basınç döngüsü boyunca büyür. Vakum kabarcığının daha fazla enerji ememediği noktada, boşluk yüksek basınç (sıkıştırma) döngüsü sırasında şiddetli bir şekilde çöker. Bu kabarcık patlaması, 5000 K kadar yüksek sıcaklıkların, 100 MPa'ya kadar yüksek basınçların ve çok yüksek sıcaklık ve basınç farklarının meydana geldiği olağanüstü aşırı koşullar yaratır. Patlayan kavitasyon kabarcıkları ayrıca çok yoğun kesme kuvvetlerine (sonomekanik etkiler) sahip yüksek hızlı sıvı mikrojetlerin yanı sıra suyun hidrolizine (sonokimyasal etki) bağlı OH radikalleri gibi serbest radikal türleri üretir. Serbest radikal oluşumunun sonokimyasal etkisi, ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış Fenton reaksiyonları için en önemli katkıda bulunurken, ajitasyonun sonomekanik etkileri, kimyasal dönüşüm oranlarını artıran kütle transferini iyileştirir.
(Soldaki resim, sonotrotta üretilen akustik kavitasyonu göstermektedir. ultrasonikatör UIP1000hd. Daha iyi görünürlük için alttan kırmızı ışık kullanılır)

Sonkimyasal Olarak Geliştirilmiş Fenton Reaksiyonları için Örnek Vaka Çalışmaları

Güç ultrasonunun Fenton reaksiyonları üzerindeki olumlu etkileri, kimyasal bozunma, dekontaminasyon ve ayrışma gibi çeşitli uygulamalar için araştırma, pilot ve endüstriyel ortamlarda geniş çapta incelenmiştir. Fenton ve sono-Fenton reaksiyonu, bir demir katalizörü kullanılarak hidrojen peroksit ayrışmasına dayanır, bu da yüksek oranda reaktif hidroksil radikallerinin oluşumuyla sonuçlanır.
Hidroksil (•OH) radikalleri gibi serbest radikaller genellikle oksidasyon reaksiyonlarını yoğunlaştırmak için yapılan işlemlerde, örneğin atık sudaki organik bileşikler gibi kirleticileri parçalamak için kasıtlı olarak üretilir. Güç ultrasonu, Fenton tipi reaksiyonlarda serbest radikal oluşumunun yardımcı bir kaynağı olduğundan, Fenton reaksiyonları ile kombinasyon halinde sonikasyon, kirleticileri, tehlikeli bileşikleri ve selüloz malzemeleri parçalamak için kirletici bozunma oranlarını arttırmıştır. Bu, sono-Fenton reaksiyonu olarak adlandırılan ultrasonik olarak yoğunlaştırılmış bir Fenton reaksiyonunun, Fenton reaksiyonunu önemli ölçüde daha verimli hale getiren hidroksil radikal üretimini iyileştirebileceği anlamına gelir.

OH Radikal Oluşumunu Arttırmak için Sonokatalitik-Fenton Reaksiyonu

Ninomiya ve ark. (2013), sonokatalitik olarak geliştirilmiş bir Fenton reaksiyonunun başarılı bir şekilde olduğunu göstermiştir. – katalizör olarak titanyum dioksit (TiO2) ile birlikte ultrasonikasyon kullanma – önemli ölçüde geliştirilmiş bir hidroksil (•OH) radikal üretimi sergiler. Yüksek performanslı ultrason uygulaması, gelişmiş bir oksidasyon işleminin (AOP) başlatılmasına izin verdi. Çeşitli kimyasalların bozunmasına TiO2 parçacıkları kullanılarak sonokatalitik reaksiyon uygulanmış olsa da, Ninomiya'nın araştırma ekibi, lignoselülozik materyalin bir ön işlemi olarak lignin'i (bitkinin hücre duvarlarında karmaşık bir organik polimer) parçalamak için verimli bir şekilde üretilen •OH radikallerini kullandı.
Sonuçlar, sonokatalizör olarak TiO2 kullanan bir sonokatalitik Fenton reaksiyonunun, yalnızca ligninin bozunmasını arttırmakla kalmayıp, aynı zamanda müteakip enzimatik sakarifikasyonu arttırmak için lignoselülozik biyokütlenin verimli bir ön işlemi olduğunu göstermektedir.
Prosedür: Sonokatalitik-Fenton reaksiyonu için, hem TiO2 partikülleri (2 g / L) hem de Fenton reaktifi (yani, H2O2 (100 mM) ve FeSO4·7H2O (1 mM)) numune çözeltisine veya süspansiyona eklendi. Sonokatalitik-Fenton reaksiyonu için, reaksiyon kabındaki numune süspansiyonu, 180 dakika boyunca sonikleştirildi. prob tipi ultrasonik işlemci UP200S (200W, 24kHz) 35 W ultrason gücünde sonotrot S14 ile. Reaksiyon kabı, bir soğutma sirkülatörü kullanılarak 25 ° C'lik bir sıcaklıkta bir su banyosuna yerleştirildi. Ultrasonikasyon, ışığın neden olduğu etkilerden kaçınmak için karanlıkta gerçekleştirildi.
Etki: Sonotalitik Fenton reaksiyonu sırasında OH radikal oluşumunun bu sinerjik artışı, Fe'ye atfedilir3 + Fenton reaksiyonu tarafından oluşturulan Fe2 + sonokatalitik reaksiyon ile reaksiyon eşleşmesi ile indüklenen Fe2 +.
Bulgular: Sono-katalitik Fenton reaksiyonu için, DHBA konsantrasyonu sinerjik olarak 378 μM'ye yükseltilirken, ultrason ve TiO2 olmadan Fenton reaksiyonu sadece 115 μM'lik DHBA konsantrasyonuna ulaştı. Fenton reaksiyonu altında kenaf biyokütlesinin lignin bozunması, yalnızca bir lignin bozunma oranı elde etti, bu da kD = 0.26 dk-1 ile doğrusal olarak 120 dakikaya kadar arttı ve 180 dk'da I.9'a ulaştı; sonokatalitik-Fenton reaksiyonu ile lignin bozunma oranı kD = 0.57 dk-1 ile doğrusal olarak 60 dk'ya kadar arttı ve 180 dk'da `.0'a ulaştı.

Kenaf biyokütlesinin taramalı elektron mikrografları (SEM) (A) işlenmemiş kontrol, (B) sonokatalitik (US / TiO2), (C) Fenton (H2O2 / Fe2 +) ve (D) sonokatalitik-Fenton (US / TiO2 + H2O2 / Fe2 +) reaksiyonlar. Ön tedavi süresi 360 dakika idi. Çubuklar 10 μm'yi temsil eder.
(Resim ve çalışma: ©Ninomiya ve ark., 2013)

Sonochemical Fenton ile Naftalen Bozunması

en yüksek naftalin bozunma yüzdesi, uygulanan tüm ultrason ışınlama yoğunlukları için her iki faktörün en yüksek (600 mg L-1 hidrojen peroksit konsantrasyonu) ve en düşük (200 mg kg1 naftalin konsantrasyonu) seviyelerinin kesişiminde elde edildi. Sırasıyla 100, 200 ve 400 W'ta sonikasyon uygulandığında naftalin bozunma verimliliğinin% 78,% 94 ve% 97'si ile sonuçlandı. Karşılaştırmalı çalışmalarında, araştırmacılar Hielscher ultrasonicators kullandılar UP100H, UP200Stve UP400St. Bozunma verimliliğindeki önemli artış, uygulanan ultrason ile Fe oksitlerin artan yüzey alanına ve radikallerin daha verimli üretimine dönüşen her iki oksitleyici kaynağın (ultrasonikasyon ve hidrojen peroksit) sinerjisine bağlandı. Optimum değerler (200 ve 400 W'ta 600 mg L-1 hidrojen peroksit ve 200 mg kg1 naftalin konsantrasyonları), 2 saatlik işlemden sonra topraktaki naftalin konsantrasyonunda maksimum% 97'ye kadar azalma olduğunu göstermiştir.
(bkz. Virkutyte ve diğerleri, 2009)

A) elementel haritalama ve b) ultrason ışınlama işleminden önce ve c) sonra toprağın SEM-EDS mikrogramı
(Resim ve çalışma: ©Virkutyte ve ark., 2009)

Sonokimyasal Karbon Disülfür Bozunması

Adewuyi ve Appaw, 20 kHz ve 20 ° C frekansında sonikasyon altında bir sonokimyasal toplu reaktörde karbon disülfidin (CS2) başarılı oksidasyonunu gösterdi. CS2'nin sulu çözeltiden uzaklaştırılması, ultrason yoğunluğundaki bir artışla önemli ölçüde artmıştır. Daha yüksek yoğunluk, akustik genlikte bir artışa neden oldu ve bu da daha yoğun bir kavitasyona neden oldu. CS2'nin sülfata sonokimyasal oksidasyonu, esas olarak rekombinasyon reaksiyonlarından üretilen •OH radikali ve H2O2 tarafından oksidasyon yoluyla ilerler. Ek olarak, bu çalışmada hem düşük hem de yüksek sıcaklık aralığındaki düşük EA değerleri (42 kJ / mol'den düşük), difüzyon kontrollü taşıma işlemlerinin genel reaksiyonu belirlediğini göstermektedir. Ultrasonik kavitasyon sırasında, sıkıştırma fazı sırasında H• ve •OH radikalleri üretmek için boşluklarda bulunan su buharının ayrışması zaten iyi çalışılmıştır. •OH radikali, hem gaz hem de sıvı fazda güçlü ve verimli bir kimyasal oksidandır ve inorganik ve organik substratlarla reaksiyonları genellikle difüzyon kontrollü hıza yakındır. Hidroksil radikalleri ve hidrojen atomları yoluyla H2O2 ve hidrojen gazı üretmek için suyun sonolizi iyi bilinmektedir ve herhangi bir gaz, O2 veya saf gazın (örneğin Ar) varlığında meydana gelir. Sonuçlar, serbest radikallerin (örneğin, •OH) arayüzey reaksiyon bölgesine mevcudiyeti ve nispi difüzyon oranlarının, hız sınırlayıcı adımı ve reaksiyonun genel sırasını belirlediğini göstermektedir. Genel olarak, sonokimyasal olarak geliştirilmiş oksidatif bozunma, karbon disülfidin uzaklaştırılması için etkili bir yöntemdir.
(Adewuyi ve Appaw, 2002)

Ultrasonik Fenton Benzeri Boya Bozulması

Üretiminde boya kullanan endüstrilerden çıkan atık sular, atık suyun iyileştirilmesi için verimli bir süreç gerektiren bir çevre sorunudur. Oksidatif Fenton reaksiyonları, boya atıklarının arıtılmasında yaygın olarak kullanılırken, geliştirilmiş Sono-Fenton prosesleri, gelişmiş verimliliği ve çevre dostu olması nedeniyle giderek daha fazla dikkat çekmektedir.

Reaktif Kırmızı 120 Boyanın Bozunması için Sono-Fenton Reaksiyonu

Reaktif Kırmızı 120 boyasının (RR-120) sentetik sularda bozunması incelenmiştir. İki işlem düşünüldü: demir (II) sülfatlı homojen Sono-Fenton ve silika ve kalsit kumu üzerine çökeltilmiş sentetik götit ve götit ile heterojen Sono-Fenton (modifiye katalizörler GS (silika kumu üzerine çökeltilmiş götit) ve GC (kalsit kumu üzerine biriken götit), sırasıyla). 60 dakikalık reaksiyonda, homojen Sono-Fenton işlemi, pH 3.0'da götit ile heterojen Sono-Fenton işlemi için �.07'nin aksine, �.10'luk bir bozunmaya izin verdi. RR-120'nin uzaklaştırılması, çıplak götit yerine modifiye katalizörler kullanıldığında artmıştır. Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) ve Toplam Organik Karbon (TOC) ölçümleri, homojen Sono-Fenton prosesi ile en yüksek TOC ve KOİ giderimlerinin elde edildiğini göstermiştir. Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı (BOİ) ölçümleri, en yüksek BOİ/KOİ değerinin heterojen bir Sono-Fenton prosesi (modifiye katalizör GC ile 0.88±0.04) ile elde edildiğini bulmaya izin verdi ve bu da artık organik bileşiklerin biyolojik olarak parçalanabilirliğinin önemli ölçüde iyileştirildiğini gösterdi.
(bkz. Garófalo-Villalta ve ark. 2020)
Soldaki resim şunları göstermektedir: ultrasonikatör UP100H sono-Fenton reaksiyonu yoluyla kırmızı boya bozunması deneylerinde kullanılır. (Çalışma ve resim: ©Garófalo-Villalta ve diğerleri, 2020.)

Azo boya RO107'nin heterojen Sono-Fenton bozunması

Jaafarzadeh ve ark. (2018), azo boya Reaktif Turuncu 107'nin (RO107) katalizör olarak manyetit (Fe3O4) nanopartikülleri (MNP) kullanılarak sono-Fenton benzeri bozunma işlemi yoluyla başarılı bir şekilde uzaklaştırıldığını gösterdi. Çalışmalarında, Hielscher UP400S ultrasonicator İstenilen radikal oluşumunu elde etmek için akustik kavitasyon oluşturmak için% 50 görev döngüsünde (1 s açık / 1 s kapalı) 7 mm sonotrot ile donatılmıştır. Manyetit nanopartikülleri peroksidaz benzeri katalizör olarak işlev görür, bu nedenle katalizör dozajındaki bir artış daha aktif demir bölgeleri sağlar, bu da H2O2'nin ayrışmasını hızlandırır ve reaktif OH • üretimine yol açar.
Sonuç -ları: Azo boyanın tamamen uzaklaştırılması, 0.8 g / L MPN, pH = 5, 10 mM H2O2 konsantrasyonunda, 300 W / L ultrasonik güçte ve 25 dakika reaksiyon süresinde elde edildi. Bu ultrasonik Sono-Fenton benzeri reaksiyon sistemi, gerçek tekstil atık suları için de değerlendirildi. Sonuçlar, kimyasal oksijen ihtiyacının (KOİ) 180 dakikalık bir reaksiyon süresi boyunca 2360 mg / L'den 489.5 mg / L'ye düşürüldüğünü gösterdi. Ayrıca, US/Fe3O4/H2O2 üzerinde maliyet analizi de yapılmıştır. Son olarak, ultrasonik / Fe3O4 / H2O2, renkli atık suların renk giderme ve arıtılmasında yüksek verimlilik gösterdi.
Ultrasonik güçteki bir artış, manyetit nanopartiküllerinin reaktivitesinde ve yüzey alanında bir artışa yol açtı ve bu da 'Fe3 + ' Fe2 + 'ya dönüşüm oranını kolaylaştırdı. Üretilen 'Fe2+, hidroksil radikalleri üretmek için bir H2O2 reaksiyonunu katalize etti. Sonuç olarak, ultrasonik gücün artmasının, kısa bir temas süresi içinde renk giderme oranını hızlandırarak US / MNP'ler / H2O2 işleminin performansını arttırdığı gösterilmiştir.
Çalışmanın yazarları, ultrasonik gücün, heterojen Fenton benzeri sistemde RO107 boyasının bozunma oranını etkileyen en önemli faktörlerden biri olduğunu belirtmektedir.
Sonikasyon kullanarak yüksek verimli manyetit sentezi hakkında daha fazla bilgi edinin!
(bkz. Jaafarzadeh ve diğerleri, 2018)

5 pH 'da RO107 bozunması, 0.8 g / L MNP dozajı, 10 mM H2O2 konsantrasyonu, 50 mg / L RO107 konsantrasyonu, 300 W ultrasonik güç ve 30 dakika reaksiyon süresi.
Çalışma ve resim: ©Jaafarzadeh ve ark., 2018.

AĞIR HIZMET TIPI ULTRASONICATORS

Hielscher Ultrasonics, gelişmiş oksidatif süreçler (AOP), Fenton reaksiyonu ve diğer sonokimyasal, sono-foto-kimyasal ve sono-elektro-kimyasal reaksiyonlar gibi ağır hizmet uygulamaları için yüksek performanslı ultrasonik işlemciler ve reaktörler tasarlar, üretir ve dağıtır. Ultrasonikatörler, ultrasonik problar (sonotrodlar), akış hücreleri ve reaktörler her boyutta mevcuttur – kompakt laboratuvar test ekipmanlarından büyük ölçekli sonokimyasal reaktörlere kadar. Hielscher ultrasonicators, laboratuvar ve tezgah üstü cihazlardan saatte birkaç ton işleyebilen endüstriyel sistemlere kadar çok sayıda güç sınıfı mevcuttur.

Hassas Genlik Kontrolü

Genlik, herhangi bir ultrasonik işlemin sonuçlarını etkileyen en önemli işlem parametrelerinden biridir. Ultrasonik genliğin hassas bir şekilde ayarlanması, Hielscher ultrasonicators'ı düşük ila çok yüksek genliklerde çalıştırmaya ve genliği tam olarak dispersiyon, ekstraksiyon ve sonokimya gibi uygulamaların gerekli ultrasonik işlem koşullarına ince ayar yapmaya izin verir.
Doğru sonotrot boyutunun seçilmesi ve isteğe bağlı olarak genliğin artırılması veya azaltılması için bir güçlendirici korna kullanılması, belirli bir uygulama için ideal bir ultrasonik sistemin kurulmasına izin verir. Daha büyük bir ön yüzey alanına sahip bir prob / sonotrot kullanmak, ultrasonik enerjiyi geniş bir alana ve daha düşük bir genliğe yayarken, daha küçük ön yüzey alanına sahip bir sonotrot, daha odaklanmış bir kavitasyonel sıcak nokta oluşturarak daha yüksek genlikler oluşturabilir.

Hielscher Ultrasonics, çok yüksek sağlamlığa sahip yüksek performanslı ultrasonik sistemler üretir ve zorlu koşullar altında ağır hizmet uygulamalarında yoğun ultrason dalgaları sunabilmektedir. Tüm ultrasonik işlemciler 7/24 çalışmada tam güç sağlamak için üretilmiştir. Özel sonotrodlar, yüksek sıcaklıktaki ortamlarda sonikasyon işlemlerine izin verir.

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: