Ультразвукова обробка покращує реакції Фентона

Сон-Фентон реакції поєднують хімію Фентона з високим потужним ультразвуком для інтенсифікації утворення гідроксильних радикалів, покращення масопереносу та прискорення процесів окиснювальної деградації. Для лабораторій, пілотних установок та промислових користувачів ультразвукові пристрої Hielscher забезпечують керований та масштабований спосіб покращення процесів передового окиснення (AOP), таких як очищення стічних вод, деградація барвників, ремедіація ґрунтів, попередня обробка лігніну та хімічне розкладання.

Що таке сон-Фентон реакція?

Класична реакція Фентона використовує пероксид водню (H₂O₂) та залізні каталізатори для генерації високоактивних гідроксильних радикалів (•OH). Ці радикали окиснюють органічні забруднювачі, барвники, розчинники, вуглеводні, лігнін та інші стійкі сполуки. Коли додається потужний ультразвук, процес називається сон-Фентон реакцією або ультразвуковою реакцією Фентона.

Ультразвукова обробка покращує хімію Фентона двома взаємодоповнюючими способами:

• Сонікохімічний ефект: акустична кавітація сприяє сонолізу води та додатковому утворенню радикалів.
• Сонікомеханічний ефект: кавітаційні мікрострумені та зсув покращують змішування, дисперсію каталізатора, міжфазну площу та масоперенос.

Для дослідників та процесних інженерів практична перевага полягає в більш інтенсивному процесі окиснення, який може скоротити час реакції, покращити деградацію забруднювачів, підвищити використання каталізатора та полегшити масштабування обробок типу Фентона.

Як потужний ультразвук покращує реакції Фентона

Коли високі потужності ультразвуку вводяться в рідину, виникає акустична кавітація. Мікроскопічні парові порожнини зростають під час циклів змінного тиску та різко колапсують під час стиснення. Цей колапс створює локальні гарячі точки з дуже високими перехідними температурами та тисками. У водних системах кавітація може сприяти утворенню реакційних частинок, таких як гідроксильні радикали та пероксид водню.

У процесі Фентона або подібному до Фентона, ця хімія, керована кавітацією, працює разом із розкладанням H₂O₂, каталізованим залізом. Водночас ультразвуковий зсув покращує контакт між окиснювачами, каталізаторами, зваженими твердими частинками та розчиненими забруднювачами. Це робить ультразвук особливо цінним для:

• потоків стічних вод з погано біорозкладними органічними забруднювачами;
• гетерогенних каталізаторів, таких як магнетит, гетит, TiO₂ або оксиди заліза;
• суспензій, суспензій ґрунту, суспензій біомаси та рідин, навантажених каталізатором;
• періодичних та інлайн процесів передового окиснення, що вимагають надійного масштабування.

Переваги ультразвукових сон-Фентон реакторів

• Вища інтенсивність окиснення: ультразвук збільшує утворення радикалів та покращує кінетику окиснювальної деградації.
• Краще використання каталізатора: кавітація диспергує каталізатори та покращує рідко-твердий контакт.
• Коротший час реакції: інтенсифікована генерація радикалів та змішування можуть скоротити час обробки.
• Масштабований дизайн реактора: Hielscher пропонує лабораторні, пілотні та промислові ультразвукові реактори з послідовним контролем амплітуди.
• Періодична або інлайн робота: процеси можна розробляти в склянках або періодичних баках і переносити на безперервні проточні реактори.
• Моніторинг процесу: цифрові ультразвукові пристрої Hielscher забезпечують контроль над амплітудою, введеною потужністю, температурою, тиском та часом обробки.
• Промислова робота 24/7: надміцні ультразвукові процесори розроблені для безперервної роботи на повному навантаженні.

Коли слід розглядати соно-Фентонівське оброблення?

Соно-Фентонівське оброблення є найбільш актуальним, коли звичайний процес Фентона є надто повільним, контакт каталізатора обмежений, забруднювачі важко окислюються або зважені тверді частинки знижують ефективність процесу. Воно також корисне, коли процес має бути розроблений від лабораторної доцільності до промислової пропускної здатності без зміни базової хімії окиснення.

Важливі параметри процесу для оптимізації соно-Фентонівської реакції

Ефективність соно-Фентонівської реакції залежить як від хімічних, так і від ультразвукових параметрів. Під час тестування доцільності Hielscher допомагає клієнтам оцінити відповідне робоче вікно для конкретних стічних вод, суспензій або реакційних сумішей.

• Ультразвукова амплітуда: основний параметр, що контролює інтенсивність кавітації на сонотроді.
• Щільність потужності та енерговитрати: визначають сонохімічну інтенсивність на одиницю оброблюваного об’єму.
• Концентрація H₂O₂: впливає на генерацію радикалів та залишковий попит на окиснювач.
• Тип та дозування залізного каталізатора: включає Fe²⁺, Fe³⁺, магнетит, гетит, системи з TiO₂-допомогою або іммобілізовані каталізатори.
• pH та температура: впливають на кінетику реакції Фентона, розчинність каталізатора та шляхи утворення радикалів.
• Час перебування: визначає конверсію в періодичних резервуарах або проточних реакторах.
• Тиск: ультразвукові реактори, що витримують тиск, можуть інтенсифікувати умови кавітації при безперервній роботі.

Кейс-стаді: ультразвуково посилена реакція Фентона

Позитивні впливи потужного ультразвуку на реакції Фентона та подібні до Фентона були досліджені для хімічної деградації, дезактивації, попередньої обробки біомаси та промислового очищення стічних вод. Наведені нижче приклади демонструють, як ультразвук може покращити утворення радикалів, швидкість деградації та ефективність процесу в різних системах.

Сонокаталітична–Фентонівська реакція для посиленої генерації гідроксильних радикалів

Ninomiya et al. (2013) продемонстрували, що поєднання ультразвукової обробки, TiO₂, H₂O₂ та залізного каталізатора значно посиліло генерацію гідроксильних радикалів. Процес був застосований для деградації лігніну як етап попередньої обробки лігноцелюлозної біомаси, підтримуючи подальший ферментативний гідроліз.

Експериментальна установка: До зразка суспензії були додані частинки TiO₂ (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) та FeSO₄·7H₂O (1 mM). Суспензію обробляли ультразвуком протягом 180 min за допомогою ультразвукового процесора класу Hielscher UP200S / UP200St, використовуючи зондовий сонотрод при ультразвуковій потужності 35 W. Ємність мала контроль температури на рівні 25 °C.

Результат: Сонокаталітична–Фентонівська реакція досягла концентрації DHBA 378 μM, порівняно з 115 μM для реакції Фентона без ультразвуку та TiO₂. Деградація лігніну протікала швидше за умов сонокаталітичного–Фентонівського оброблення, що свідчить про сильну синергію між ультразвуком, каталізатором та хімією Фентона.

Скануючі електронні мікрографії (SEM) біомаси кенафу: (A) необроблений контроль, (B) сонокаталітичне оброблення, (C) Фентонівське оброблення та (D) сонокаталітичне–Фентонівське оброблення. Час попередньої обробки: 360 min. Штрихи представляють 10 μm.
(Зображення та дослідження: ©Ninomiya et al., 2013)

Деградація нафталіну за допомогою соно-подібного до Фентона оброблення ґрунту

Virkutyte et al. (2009) досліджували деградацію нафталіну в ґрунті, поєднуючи ультразвук і перекис водню. Найвищу ефективність деградації було досягнуто за високої концентрації перекису водню та низької початкової концентрації нафталіну. При ультразвуковому опроміненні потужністю 100, 200 і 400 W ефективність деградації становила 78%, 94% і 97% відповідно.

У дослідженні використовувалися ультразвукові пристрої Hielscher UP100H, UP200St, та UP400St. Покращену деградацію пояснювали синергетичним ефектом ультразвуку та перекису водню, включаючи утворення радикалів та покращену взаємодію з оксидами заліза в ґрунтовій матриці.

Мікрографія SEM–EDS ґрунту до та після обробки ультразвуковим опроміненням.
(Зображення та дослідження: ©Virkutyte et al., 2009)

Сонохімічне окиснення дисульфиду вуглецю

Adewuyi та Appaw продемонстрували сонохімічне окиснення дисульфиду вуглецю (CS₂) у водному розчині при 20 kHz та 20°C. Видалення CS₂ зростало зі збільшенням інтенсивності ультразвуку, що було пов’язано з сильнішою кавітацією та підвищеним утворенням радикалів. Дослідження вказує на те, що сонохімічне окиснення може бути ефективним методом видалення дисульфиду вуглецю з водних потоків.

Соно-Фентон обробка для фарбувальних та текстильних стічних вод

Стічні води, що містять барвники, з текстильної та суміжних галузей можуть бути складними для обробки, оскільки багато барвників та побічних продуктів барвників є стійкими, забарвленими та погано біорозкладними. Процеси Фентона та Фентоноподібні процеси передового окиснення широко використовуються для деградації барвників. Ультразвук може покращити ці процеси, посилюючи генерацію радикалів, дисперсію каталізатора та масоперенос.

Деградація барвника Reactive Red 120

Garófalo-Villalta et al. (2020) досліджували деградацію барвника Reactive Red 120 (RR-120) у синтетичній воді. Порівнювали гомогенну соно-Фентон обробку з сульфатом заліза(II) та гетерогенну соно-Фентон обробку з каталізаторами на основі гетиту. За 60 хв гомогенний процес досяг 98,10% деградації барвника, тоді як гетерогенний процес з гетитом досяг 96,07% деградації при pH 3,0.

Дослідження також виявило, що модифіковані каталізатори покращували ефективність деградації порівняно з чистим гетитом. Вимірювання ХСК, ЗОВ та БСК/ХСК показали, що соно-Фентон обробка не лише знебарвлювала розчин, але й покращувала біорозкладність залишкових органічних сполук. На зображенні показано Hielscher UP100H , використаний в експериментах.

Гетерогенна соно-Фентон деградація азобарвника RO107

Jaafarzadeh et al. (2018) продемонстрували видалення азобарвника Reactive Orange 107 (RO107) за допомогою соно-Фентоноподібного процесу з наночастинками магнетиту (Fe₃O₄) як каталізатора. Ультразвуковий пристрій класу Hielscher UP400S / UP400St з обладнаним сонотродом 7 mm використовувався для генерації акустичної кавітації.

Результат: Повне видалення азобарвника було досягнуто за 0,8 g/L наночастинок магнетиту, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/L ультразвукової потужності та 25 хв часу реакції. У реальних текстильних стічних водах ХСК знизилася з 2360 mg/L до 489,5 mg/L за 180 хв. Автори визначили ультразвукову потужність як один із суттєвих факторів, що впливають на швидкість деградації RO107 у гетерогенній Фентоноподібній системі.

Дізнайтеся більше про високоефективний синтез магнетиту за допомогою ультразвукової обробки!

Деградація RO107 при pH 5, 0,8 g/L НЧМ, 10 mM H₂O₂, 50 mg/L RO107, 300 W ультразвукової потужності та 30 хв часу реакції.
Дослідження та зображення: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Ультразвукові пристрої Hielscher для соно-Фентон та процесів передового окиснення

Hielscher Ultrasonics розробляє та виробляє високоефективні ультразвукові процесори та реактори для важких сонохімічних застосувань, включаючи реакції Фентона, соно-Фентон реакції, соно-фотохімічні реакції та інші процеси передового окиснення. Системи доступні від компактних лабораторних приладів до промислових ультразвукових реакторів для безперервного виробництва та потоків обробки.

Вибір ультразвукового обладнання для соно-Фентонівських процесів

Наведена нижче таблиця дає уявлення про відповідні ультразвукові гомогенізатори Hielscher для типових об’ємів партій та об’ємних витрат. Остаточний вибір обладнання залежить від хімії процесу, цільової конверсії, часу перебування, вмісту твердих речовин, температури, тиску та необхідної енергії.

Як розпочати тест на доцільність соно-Фентонівського процесу

Для надійної рекомендації щодо обладнання Hielscher зазвичай аналізує хімію, цільові забруднювачі, об’єм обробки, об’ємну витрату, дозування окиснювача, тип каталізатора, діапазон pH, температурні обмеження та необхідну конверсію. Для лабораторних випробувань зазвичай використовують лабораторний або настільний зондовий ультразвуковий гомогенізатор, такий як UP200Ht, UP400St або UIP1000hdT, для визначення необхідної енергії та вікна процесу.

Для безперервної роботи Hielscher може налаштувати ультразвукові проточні комірки та інлайн-реактори з контрольованим часом перебування, тиском, температурою та потужністю. Це дозволяє безпосередньо порівнювати ефективність обробки при різних амплітудах та об’ємних витратах.

Часто задавані питання про соно-Фентонівські реакції

У чому різниця між Фентонівською та соно-Фентонівською обробкою?

Фентонівська обробка використовує перекис водню та залізні каталізатори для генерації гідроксильних радикалів. Соно-Фентонівська обробка додає потужний ультразвук. Ультразвукова кавітація збільшує утворення радикалів і покращує змішування, контакт каталізатора та масоперенесення.

Чи можна використовувати соно-Фентонівську обробку для промислових стічних вод?

Так. Соно-Фентонівська обробка використовується в розробці процесів для промислових стічних вод, барвникових скидів, нафтохімічних стічних вод, забруднених суспензій та інших потоків, що містять стійкі органічні сполуки. Промислова доцільність залежить від навантаження забруднювачами, потреби в окиснювачі, системи каталізаторів, цілі обробки та енергетичного балансу.

Чи може ультразвук зменшити споживання хімікатів?

Ультразвук може покращити використання окиснювачів і каталізаторів, інтенсифікуючи утворення радикалів і масоперенесення. Чи можна зменшити споживання хімікатів, слід підтвердити у випробуваннях із використанням фактичних стічних вод або реакційної суміші.

Чи масштабується процес?

Так. Ультразвукові гомогенізатори Hielscher розроблені для масштабованого розвитку процесів. Результати лабораторних тестів можна перенести на пілотні та промислові системи, контролюючи амплітуду, енергію, час перебування, температуру, тиск і геометрію реактора.

Який ультразвуковий процесор підходить для мого процесу?

Правильний процесор залежить від об’єму зразка, об’ємної витрати, цільової конверсії, вмісту твердих речовин, в’язкості, робочої температури та тиску. Hielscher пропонує лабораторні ультразвукові гомогенізатори, пілотні системи та промислові ультразвукові реактори для безперервної обробки.

Що таке процес соно-озонування?

Соно-озонування – це передовий процес окиснення, який поєднує обробку озоном з високим потужним ультразвуком для генерації більш реакційноздатних радикалів та покращення масопереносу в рідинах. Ця синергія прискорює деградацію органічних забруднювачів, барвників, мікробів та стійких сполук у воді або стічних водах порівняно з лише озонуванням.

Дослідіть переваги соно-озонування!

Література / Посилання

• 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.