Ultratovush bilan ishlov berish Fenton reaksiyalarini yaxshilaydi

Sono-Fenton reaksiyalari gidroksil radikallari hosil boʻlishini kuchaytirish, massa almashinuvini yaxshilash va oksidlanish orqali parchalanish jarayonlarini tezlashtirish uchun Fenton kimyosini yuqori quvvatli ultratovush bilan birlashtiradi. Laboratoriyalar, tajriba-sinov qurilmalari va sanoat foydalanuvchilari uchun Hielscher ultratovush qurilmalari oqova suvlarni tozalash, boʻyoqlarni parchalash, tuproqni tiklash, ligninga dastlabki ishlov berish va kimyoviy parchalanish kabi ilgʻor oksidlanish jarayonlarini (AOP) yaxshilashning boshqariladigan va koʻlamini kengaytirish mumkin boʻlgan usulini taqdim etadi.

Sono-Fenton reaksiyasi nima?

Klassik Fenton reaksiyasida yuqori reaktiv gidroksil radikallarini (•OH) hosil qilish uchun vodorod peroksidi (H₂O₂) va temir katalizatorlaridan foydalaniladi. Bu radikallar organik ifloslantiruvchilar, boʻyoqlar, erituvchilar, uglevodorodlar, lignin va boshqa parchalanishga chidamli birikmalarni oksidlaydi. Quvvatli ultratovush qoʻshilganda, jarayon sono-Fenton reaksiyasi yoki ultratovushli Fenton reaksiyasi deb ataladi.

Ultratovush bilan ishlov berish Fenton kimyosini bir-birini toʻldiruvchi ikki yoʻl bilan yaxshilaydi:

• Sonokimyoviy taʼsir: akustik kavitatsiya suv sonolizi va qoʻshimcha radikallar hosil boʻlishiga yordam beradi.
• Sonomexanik taʼsir: kavitatsiya mikrooqimlari va siljish kuchlari aralashtirishni, katalizator dispersiyasini, fazalararo sirt maydonini va massa almashinuvini yaxshilaydi.

Tadqiqotchilar va texnologik jarayon muhandislari uchun amaliy foyda yanada jadal oksidlanish jarayonidir; u reaksiya vaqtini qisqartirishi, ifloslantiruvchilar parchalanishini yaxshilashi, katalizatordan foydalanish samaradorligini oshirishi va Fenton turidagi ishlov berish jarayonlari koʻlamini kengaytirishni osonlashtirishi mumkin.

Quvvatli ultratovush Fenton reaksiyalarini qanday yaxshilaydi

Yuqori quvvatli ultratovush suyuqlikka uzatilganda, akustik kavitatsiya yuz beradi. Mikroskopik bugʻ boʻshliqlari almashinuvchi bosim sikllari davomida oʻsadi va siqilish paytida shiddat bilan qulaydi. Bu qulash juda yuqori qisqa muddatli harorat va bosimga ega mahalliy issiq nuqtalarni hosil qiladi. Suvli tizimlarda kavitatsiya gidroksil radikallari va vodorod peroksidi kabi reaktiv zarrachalar hosil boʻlishiga yordam berishi mumkin.

Fenton yoki Fentonga oʻxshash jarayonda kavitatsiya taʼsiridagi bu kimyoviy jarayonlar temir katalizlaydigan H₂O₂ parchalanishi bilan birgalikda kechadi. Shu bilan birga, ultratovush taʼsiridagi siljish kuchlari oksidlovchilar, katalizatorlar, muallaq qattiq moddalar va erigan ifloslantiruvchilar oʻrtasidagi kontaktni yaxshilaydi. Bu ultratovushni quyidagilar uchun ayniqsa foydali qiladi:

• biologik parchalanishi qiyin boʻlgan organik ifloslantiruvchilarni oʻz ichiga olgan oqova suv oqimlari;
• magnetit, gyotit, TiO₂ yoki temir oksidlari kabi geterogen katalizatorlar;
• shlamlar, tuproq suspenziyalari, biomassa suspenziyalari va katalizator qoʻshilgan suyuqliklar;
• koʻlamini ishonchli kengaytirish talab etiladigan davriy va oqim liniyasidagi ilgʻor oksidlanish jarayonlari.

Ultratovushli sono-Fenton reaktorlarining afzalliklari

• Yuqoriroq oksidlanish jadalligi: ultratovush radikallar hosil boʻlishini oshiradi va oksidlanish orqali parchalanish kinetikasini yaxshilaydi.
• Katalizatordan samaraliroq foydalanish: kavitatsiya katalizatorlarni disperslaydi va suyuqlik bilan qattiq modda oʻrtasidagi kontaktni yaxshilaydi.
• Qisqaroq reaksiya vaqti: radikallar hosil boʻlishi va aralashtirishning jadallashuvi ishlov berish vaqtini qisqartirishi mumkin.
• Koʻlamini kengaytirish mumkin boʻlgan reaktor konstruksiyasi: Hielscher amplitudani barqaror boshqarish imkonini beruvchi laboratoriya, tajriba-sinov va sanoat ultratovushli reaktorlarini taklif etadi.
• Davriy yoki oqim liniyasida ishlash: jarayonlar laboratoriya stakanlarida yoki davriy ishlov berish baklarida ishlab chiqilib, uzluksiz oqim reaktorlariga oʻtkazilishi mumkin.
• Jarayon monitoringi: raqamli Hielscher ultratovush qurilmalari amplituda, kiritiladigan quvvat, harorat, bosim va ishlov berish vaqtini boshqarish imkonini beradi.
• 24/7 sanoat rejimida ishlash: ogʻir ish sharoitlariga moʻljallangan ultratovushli protsessorlar toʻliq yuklama ostida uzluksiz ishlash uchun ishlab chiqilgan.

Sono-Fenton bilan ishlov berishni qachon koʻrib chiqish kerak?

Sono-Fenton bilan ishlov berish anʼanaviy Fenton jarayoni juda sekin kechganda, katalizator kontakti cheklanganda, ifloslantiruvchilarni oksidlash qiyin boʻlganda yoki muallaq qattiq moddalar jarayon samaradorligini pasaytirganda eng dolzarb hisoblanadi. Asosiy oksidlanish kimyosini oʻzgartirmasdan jarayonni laboratoriyada amalga oshirish imkoniyatini tekshirishdan sanoat miqyosidagi ishlov berish unumdorligigacha rivojlantirish zarur boʻlganda ham u foydalidir.

Sono-Fenton jarayonini optimallashtirish uchun muhim jarayon parametrlari

Sono-Fenton reaksiyasining samaradorligi ham kimyoviy, ham ultratovush parametrlariga bogʻliq. Amalga oshirish imkoniyatini tekshirish davomida Hielscher mijozlarga muayyan oqova suv, shlam yoki reaksiya aralashmasi uchun tegishli ish sharoitlari oraligʻini baholashga yordam beradi.

• Ultratovush amplitudasi: sonotroddagi kavitatsiya jadalligini boshqaruvchi asosiy parametr.
• Quvvat zichligi va kiritiladigan energiya: ishlov beriladigan hajm birligiga toʻgʻri keladigan sonokimyoviy jadallikni belgilaydi.
• H₂O₂ konsentratsiyasi: radikallar hosil boʻlishiga va oksidlovchiga qolgan ehtiyojga taʼsir qiladi.
• Temir katalizatorining turi va dozasi: Fe²⁺, Fe³⁺, magnetit, gyotit, TiO₂ yordamidagi tizimlar yoki immobilizatsiyalangan katalizatorlarni oʻz ichiga oladi.
• pH va harorat: Fenton reaksiyasi kinetikasiga, katalizator eruvchanligiga va radikal reaksiyalar yoʻllariga taʼsir qiladi.
• Reaktorda qolish vaqti: davriy ishlov berish baklarida yoki oqim liniyasidagi oqim reaktorlarida konversiyani belgilaydi.
• Bosim: bosim ostida ishlatilishi mumkin boʻlgan ultratovushli reaktorlar uzluksiz ishlashda kavitatsiya sharoitlarini kuchaytirishi mumkin.

Tadqiqot misollari: ultratovush bilan kuchaytirilgan Fenton reaksiyalari

Quvvatli ultratovushning Fenton va Fentonga oʻxshash reaksiyalarga ijobiy taʼsiri kimyoviy parchalanish, ifloslanishdan tozalash, biomassaga dastlabki ishlov berish va sanoat oqova suvlarini tozalash uchun oʻrganilgan. Quyidagi misollar ultratovush turli tizimlarda radikallar hosil boʻlishini, parchalanish tezligini va jarayon samaradorligini qanday yaxshilashi mumkinligini koʻrsatadi.

Gidroksil radikallari hosil boʻlishini kuchaytirish uchun sonokatalitik–Fenton reaksiyasi

Ninomiya va boshq. (2013) ultratovush bilan ishlov berish, TiO₂, H₂O₂ va temir katalizatorini birlashtirish gidroksil radikallari hosil boʻlishini sezilarli darajada kuchaytirganini koʻrsatdi. Jarayon lignosellyulozali biomassaga dastlabki ishlov berish bosqichi sifatida ligninni parchalash uchun qoʻllanib, keyingi fermentativ gidrolizga yordam bergan.

Tajriba qurilmasi va sharoitlari: TiO₂ zarrachalari (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) va FeSO₄·7H₂O (1 mM) namuna suspenziyasiga qoʻshildi. Suspenziyaga 180 min davomida Hielscher UP200S / UP200St sinfidagi ultratovushli protsessor yordamida zondli sonotrodda 35 W ultratovush quvvatida ultratovush bilan ishlov berildi. Idish harorati 25 °C da boshqarib turildi.

Natija: Sonokatalitik–Fenton reaksiyasida DHBA konsentratsiyasi 378 μM ga yetdi, ultratovush va TiO₂siz oʻtkazilgan Fenton reaksiyasida esa u 115 μM boʻldi. Sonokatalitik–Fenton bilan ishlov berishda lignin parchalanishi tezroq ortdi; bu ultratovush, katalizator va Fenton kimyosi oʻrtasidagi kuchli sinergiyani koʻrsatadi.

Kenaf biomassasining skanerlovchi elektron mikroskop tasvirlari (SEM): (A) ishlov berilmagan nazorat namunasi, (B) sonokatalitik ishlov berish, (C) Fenton bilan ishlov berish va (D) sonokatalitik–Fenton bilan ishlov berish. Dastlabki ishlov berish vaqti: 360 min. Masshtab chiziqlari 10 μm ni bildiradi.
(Rasm va tadqiqot: ©Ninomiya et al., 2013)

Tuproqqa sono-Fentonga oʻxshash ishlov berish orqali naftalinni parchalash

Virkutyte va boshq. (2009) ultratovush va vodorod peroksidini birlashtirib, tuproqdagi naftalin parchalanishini oʻrgandi. Eng yuqori parchalanish samaradorligiga vodorod peroksidi konsentratsiyasi yuqori va naftalinning boshlangʻich konsentratsiyasi past boʻlganda erishildi. 100, 200 va 400 W da ultratovush taʼsir ettirilganda, parchalanish samaradorligi mos ravishda 78%, 94% va 97% boʻlgani qayd etildi.

Tadqiqotda quyidagi Hielscher ultratovush qurilmalaridan foydalanildi: UP100H, UP200St, va UP400St. Parchalanishning yaxshilanishi ultratovush va vodorod peroksidining sinergik taʼsiri, jumladan radikallar hosil boʻlishi va tuproq matritsasidagi temir oksidlari bilan oʻzaro taʼsirning yaxshilanishi bilan izohlandi.

Ultratovush taʼsiri bilan ishlov berishdan oldingi va keyingi tuproqning SEM–EDS mikrotasviri.
(Rasm va tadqiqot: ©Virkutyte et al., 2009)

Uglerod disulfidining sonokimyoviy oksidlanishi

Adewuyi va Appaw suvli eritmada 20 kHz va 20°C da uglerod disulfidining (CS₂) sonokimyoviy oksidlanishini koʻrsatdi. Ultratovush jadalligi oshishi bilan CS₂ ning chiqarib tashlanishi ortdi; bu kuchliroq kavitatsiya va radikallar hosil boʻlishining ortishi bilan bogʻliq edi. Tadqiqot sonokimyoviy oksidlanish suvli oqimlardan uglerod disulfidini chiqarib tashlashning samarali usuli boʻlishi mumkinligini koʻrsatadi.

Boʻyoqli va toʻqimachilik oqova suvlariga sono-Fenton bilan ishlov berish

Toʻqimachilik va unga aloqador sanoat tarmoqlarining boʻyoq saqlovchi oqova suvlarini tozalash qiyin boʻlishi mumkin, chunki koʻplab boʻyoqlar va boʻyoqning yon mahsulotlari parchalanishga chidamli, rangli va biologik parchalanishi qiyin boʻladi. Fenton va Fentonga oʻxshash ilgʻor oksidlanish jarayonlari boʻyoqlarni parchalash uchun keng qoʻllanadi. Ultratovush radikallar hosil boʻlishini, katalizator dispersiyasini va massa almashinuvini kuchaytirib, bu jarayonlarni yaxshilashi mumkin.

Reactive Red 120 boʻyogʻining parchalanishi

Garófalo-Villalta va boshq. (2020) sunʼiy tayyorlangan suvda Reactive Red 120 boʻyogʻining (RR-120) parchalanishini oʻrgandi. Temir(II) sulfat bilan gomogen sono-Fenton ishlovi va gyotit asosidagi katalizatorlar bilan geterogen sono-Fenton ishlovi taqqoslandi. 60 min ichida gomogen jarayonda boʻyoqning 98,10% parchalanishiga erishildi, gyotitli geterogen jarayonda esa pH 3,0 da 96,07% parchalanishga erishildi.

Tadqiqotda modifikatsiyalangan katalizatorlar ishlov berilmagan gyotitga nisbatan parchalanish samaradorligini yaxshilagani ham aniqlandi. COD, TOC va BOD/COD oʻlchovlari sono-Fenton bilan ishlov berish eritmani nafaqat rangsizlantirganini, balki qoldiq organik birikmalarning biologik parchalanish qobiliyatini ham yaxshilaganini koʻrsatdi. Rasmda tajribalarda ishlatilgan Hielscher UP100H koʻrsatilgan.

RO107 azoboʻyogʻining geterogen sono-Fenton orqali parchalanishi

Jaafarzadeh va boshq. (2018) Reactive Orange 107 (RO107) azoboʻyogʻining magnetit (Fe₃O₄) nanozarrachalaridan katalizator sifatida foydalaniladigan sono-Fentonga oʻxshash jarayon yordamida chiqarib tashlanishini koʻrsatdi. Hielscher UP400S / UP400St sinfidagi ultratovush qurilmasi 7 mm sonotrod bilan jihozlanib, akustik kavitatsiya hosil qilish uchun ishlatildi.

Natija: Azoboʻyoqni toʻliq chiqarib tashlashga 0,8 g/L magnetit nanozarrachalari, pH 5, 10 mM H₂O₂, 300 W/L ultratovush quvvati va 25 min reaksiya vaqtida erishildi. Haqiqiy toʻqimachilik oqova suvlarida COD 180 min davomida 2360 mg/L dan 489,5 mg/L gacha kamaytirildi. Mualliflar ultratovush quvvatini geterogen Fentonga oʻxshash tizimda RO107 parchalanish tezligiga taʼsir qiluvchi muhim omillardan biri deb belgiladi.

Ultratovush bilan ishlov berish yordamida yuqori samarali magnetit sintezi haqida koʻproq bilib oling!

pH 5, 0,8 g/L MNPs, 10 mM H₂O₂, 50 mg/L RO107, 300 W ultratovush quvvati va 30 min reaksiya vaqtida RO107 parchalanishi.
Tadqiqot va rasm: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

Sono-Fenton va ilgʻor oksidlanish jarayonlari uchun Hielscher ultratovush qurilmalari

Hielscher Ultrasonics ogʻir ish sharoitlaridagi sonokimyoviy qoʻllanishlar, jumladan Fenton reaksiyalari, sono-Fenton reaksiyalari, sono-fotokimyoviy reaksiyalar va boshqa ilgʻor oksidlanish jarayonlari uchun yuqori samarali ultratovushli protsessorlar va reaktorlarni loyihalaydi hamda ishlab chiqaradi. Tizimlar ixcham laboratoriya uskunalaridan tortib, uzluksiz ishlab chiqarish va ishlov beriladigan oqimlar uchun sanoat ultratovushli reaktorlarigacha mavjud.

Sono-Fenton jarayonlari uchun ultratovush uskunalarini tanlash

Quyidagi jadval odatiy davriy ishlov berish hajmlari va hajmiy oqim tezliklari uchun mos Hielscher ultratovush qurilmalari haqida yoʻnalish beradi. Uskunaning yakuniy tanlovi jarayon kimyosi, maqsadli konversiya, reaktorda qolish vaqti, qattiq moddalar miqdori, harorat, bosim va talab etiladigan energiya kiritilishiga bogʻliq.

Sono-Fenton jarayonini amalga oshirish imkoniyatini tekshirishni qanday boshlash kerak

Uskuna boʻyicha ishonchli tavsiya berish uchun Hielscher odatda kimyoviy jarayonni, maqsadli ifloslantiruvchilarni, ishlov berish hajmini, hajmiy oqim tezligini, oksidlovchi dozasini, katalizator turini, pH oraligʻini, harorat chegaralarini va talab etiladigan konversiyani koʻrib chiqadi. Laboratoriya sinovlarida kerakli energiya kiritilishini va jarayon sharoitlari oraligʻini aniqlash uchun odatda UP200Ht, UP400St yoki UIP1000hdT kabi laboratoriya yoki stol usti zondli ultratovush qurilmasidan foydalaniladi.

Uzluksiz ishlash uchun Hielscher reaktorda qolish vaqti, bosim, harorat va kiritiladigan quvvat boshqariladigan ultratovushli oqim hujayralari va oqim liniyasidagi reaktorlarni konfiguratsiyalashi mumkin. Bu turli amplitudalar va hajmiy oqim tezliklarida ishlov berish samaradorligini bevosita taqqoslash imkonini beradi.

Sono-Fenton reaksiyalari haqida tez-tez beriladigan savollar

Fenton va sono-Fenton bilan ishlov berish oʻrtasidagi farq nima?

Fenton bilan ishlov berishda gidroksil radikallarini hosil qilish uchun vodorod peroksidi va temir katalizatorlaridan foydalaniladi. Sono-Fenton bilan ishlov berishda quvvatli ultratovush qoʻshiladi. Ultratovushli kavitatsiya radikallar hosil boʻlishini oshiradi va aralashtirishni, katalizator kontaktini hamda massa almashinuvini yaxshilaydi.

Sono-Fenton bilan ishlov berish sanoat oqova suvlari uchun qoʻllanishi mumkinmi?

Ha. Sono-Fenton bilan ishlov berish sanoat oqova suvlari, boʻyoqli oqova suvlar, neft-kimyo oqova suvlari, ifloslangan shlamlar va parchalanishga chidamli organik birikmalarni oʻz ichiga olgan boshqa oqimlar uchun jarayonlarni ishlab chiqishda qoʻllanadi. Sanoatda amalga oshirish imkoniyati ifloslantiruvchi yuklamasi, oksidlovchiga ehtiyoj, katalizator tizimi, ishlov berish maqsadi va energiya balansiga bogʻliq.

Ultratovush kimyoviy moddalar sarfini kamaytirishi mumkinmi?

Ultratovush radikallar hosil boʻlishini va massa almashinuvini jadallashtirib, oksidlovchilar va katalizatorlardan foydalanish samaradorligini yaxshilashi mumkin. Kimyoviy moddalar sarfini kamaytirish mumkinligini haqiqiy oqova suv yoki reaksiya aralashmasidan foydalaniladigan sinovlarda tasdiqlash kerak.

Jarayon koʻlamini kengaytirish mumkinmi?

Ha. Hielscher ultratovush qurilmalari koʻlamini kengaytirish mumkin boʻlgan jarayonlarni ishlab chiqish uchun moʻljallangan. Laboratoriya sinovlari natijalarini amplituda, kiritiladigan energiya, reaktorda qolish vaqti, harorat, bosim va reaktor geometriyasini boshqarish orqali tajriba-sinov va sanoat tizimlariga oʻtkazish mumkin.

Jarayonim uchun qaysi ultratovushli protsessor mos?

Mos protsessor namuna hajmi, hajmiy oqim tezligi, maqsadli konversiya, qattiq moddalar miqdori, qovushoqlik, ish harorati va bosimga bogʻliq. Hielscher uzluksiz ishlov berish uchun laboratoriya ultratovush qurilmalari, tajriba-sinov tizimlari va sanoat ultratovushli reaktorlarini taklif etadi.

Sono-ozonlash jarayoni nima?

Sono-ozonlash yanada reaktiv radikallarni hosil qilish va suyuqliklarda massa almashinuvini yaxshilash uchun ozon bilan ishlov berishni yuqori quvvatli ultratovush bilan birlashtiradigan ilgʻor oksidlanish jarayonidir. Bu sinergiya faqat ozonlashga nisbatan suv yoki oqova suvdagi organik ifloslantiruvchilar, boʻyoqlar, mikroblar va parchalanishga chidamli birikmalar parchalanishini tezlashtiradi.

Sono-ozonlashning afzalliklari bilan tanishing!

Adabiyotlar / Manbalar

• 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.