Sonication Fenton reaktsiyalarini yaxshilaydi

Fenton reaksiyalari gidroksil •OH radikali va vodorod peroksid (H) kabi erkin radikallarni hosil qilishga asoslangan.₂O₂). Fenton reaktsiyasi ultratovush bilan birlashganda sezilarli darajada kuchayishi mumkin. Fenton reaktsiyasining kuchli ultratovush bilan oddiy, ammo yuqori samarali kombinatsiyasi kerakli radikal shakllanishni keskin yaxshilashi va shu tariqa kuchaytiruvchi effektlarni qayta ishlashi ko'rsatilgan.

Power ultratovush Fenton reaktsiyalarini qanday yaxshilaydi?

Yuqori quvvatli / yuqori samarali ultratovush suv kabi suyuqliklarga qo'shilganda, akustik kavitatsiya hodisasi kuzatilishi mumkin. Kavitatsion issiq nuqtada daqiqali vakuum pufakchalari paydo bo'ladi va kuchli ultratovush to'lqinlari tufayli yuzaga keladigan bir nechta yuqori bosimli / past bosimli tsikllar davomida o'sadi. Vakuum pufakchasi ko'proq energiyani o'zlashtira olmaydigan nuqtada, bo'shliq yuqori bosimli (siqilish) aylanish jarayonida shiddat bilan qulab tushadi. Ushbu qabariq portlashi 5000 K gacha harorat, 100 MPa gacha bosim va juda yuqori harorat va bosim farqlari yuzaga keladigan favqulodda ekstremal sharoitlarni keltirib chiqaradi. Portlash kavitatsiya pufakchalari, shuningdek, juda kuchli kesish kuchlari (sonomexanik ta'sirlar), shuningdek, suvning gidrolizlanishi (sonokimyoviy ta'sir) tufayli OH radikallari kabi erkin radikal turlari bilan yuqori tezlikda suyuq mikrojetlarni hosil qiladi. Erkin radikal hosil bo'lishining sonokimyoviy ta'siri ultratovushli kuchaygan Fenton reaktsiyalarining asosiy hissasi hisoblanadi, qo'zg'alishning sonomexanik ta'siri esa kimyoviy konversiya tezligini yaxshilaydigan massa uzatishni yaxshilaydi.
(Chapdagi rasmda sonotroda hosil bo'lgan akustik kavitatsiya ko'rsatilgan ultratovush qurilmasi UIP1000hd. Ko'rinishni yaxshilash uchun pastdan qizil chiroq ishlatiladi)

Sonchemically Kengaytirilgan Fenton reaktsiyalar uchun namunali Case Studies

Quvvatli ultratovushning Fenton reaktsiyalariga ijobiy ta'siri kimyoviy buzilish, zararsizlantirish va parchalanish kabi turli xil ilovalar uchun tadqiqot, uchuvchi va sanoat sharoitlarida keng o'rganilgan. Fenton va sono-Fenton reaktsiyasi temir katalizator yordamida vodorod peroksidning parchalanishiga asoslanadi, bu esa yuqori reaktiv gidroksil radikallarini hosil qiladi.
Gidroksil (•OH) radikallari kabi erkin radikallar ko'pincha oksidlanish reaktsiyalarini kuchaytirish, masalan, oqava suvdagi organik birikmalar kabi ifloslantiruvchi moddalarni parchalash uchun ataylab ishlab chiqariladi. Quvvatli ultratovush Fenton tipidagi reaktsiyalarda erkin radikal hosil bo'lishining yordamchi manbai bo'lganligi sababli, sonikatsiya Fenton reaktsiyalari bilan birgalikda ifloslantiruvchi moddalarni, xavfli birikmalarni va tsellyuloza materiallarini buzish uchun ifloslantiruvchi moddalarning parchalanish tezligini oshirdi. Bu shuni anglatadiki, ultratovush bilan kuchaytirilgan Fenton reaktsiyasi, sono-Fenton reaktsiyasi, Fenton reaktsiyasini sezilarli darajada samaraliroq qilish uchun gidroksil radikal ishlab chiqarishni yaxshilashi mumkin.

OH radikallarini ishlab chiqarishni kuchaytirish uchun sonokatalitik-Fenton reaktsiyasi

Ninomiya va boshqalar. (2013) sonokatalitik ravishda kuchaytirilgan Fenton reaktsiyasini muvaffaqiyatli namoyish etdi – katalizator sifatida titan dioksidi (TiO2) bilan birgalikda ultratovush yordamida – sezilarli darajada yaxshilangan gidroksil (•OH) radikal avlodini namoyish etadi. Yuqori samarali ultratovushni qo'llash ilg'or oksidlanish jarayonini (AOP) boshlashga imkon berdi. TiO2 zarralari yordamida sonokatalitik reaktsiya turli xil kimyoviy moddalarning degradatsiyasiga tatbiq etilgan bo'lsa-da, Ninomiya tadqiqot guruhi samarali hosil bo'lgan •OH radikallaridan ligninni (o'simlik hujayra devoridagi murakkab organik polimer) lignoselülozik materialni oldindan davolash sifatida parchalash uchun ishlatgan. keyingi fermentativ gidrolizni osonlashtirdi.
Natijalar shuni ko'rsatadiki, TiO2 ni sonokatalizator sifatida ishlatadigan sonokatalitik Fenton reaktsiyasi nafaqat ligninning degradatsiyasini kuchaytiradi, balki keyingi fermentativ shakarlanishni kuchaytirish uchun lignoselülozik biomassani samarali oldindan davolashdir.
Jarayon: Sonokatalitik-Fenton reaktsiyasi uchun namuna eritmasi yoki suspenziyasiga ikkala TiO2 zarralari (2 g/L) va Fenton reagenti (ya'ni, H2O2 (100 mM) va FeSO4 · 7H2O (1 mM)) qo'shildi. Sonokatalitik-Fenton reaktsiyasi uchun reaksiya idishidagi namuna suspenziyasi 180 daqiqa davomida ultratovush yordamida prob tipidagi ultratovushli protsessor UP200S (200 Vt, 24 kHz) sonotrode S14 bilan 35 Vt ultratovush quvvati bilan reaktsiya idishi sovutish sirkulyatori yordamida 25 ° C haroratda saqlanadigan suv hammomiga joylashtirildi. Ultrasonikatsiya yorug'lik ta'siridan qochish uchun qorong'ida amalga oshirildi.
Ta'siri: Fentonning sonokatalitik reaktsiyasi paytida OH radikalining hosil bo'lishining bu sinergik kuchayishi Fenton reaktsiyasi natijasida hosil bo'lgan Fe3 + ning sonokatalitik reaktsiya bilan reaksiya birlashishi natijasida Fe2 + ga qayta tiklanishi bilan bog'liq.
Natijalar: Fentonning sono-katalitik reaktsiyasi uchun DHBA kontsentratsiyasi sinergik tarzda 378 mkM ga oshirildi, ultratovushsiz va TiO2siz Fenton reaktsiyasi faqat 115 mkM DHBA kontsentratsiyasiga erishdi. Fenton reaktsiyasi ostida kenaf biomassasining lignin degradatsiyasi faqat lignin degradatsiyasi nisbatiga erishdi, u kD = 0,26 min-1 bilan 120 minutgacha chiziqli ravishda oshib, 180 daqiqada 49,9% ga yetdi; sonokatalitik-Fenton reaktsiyasi bilan birga, lignin degradatsiyasi nisbati kD = 0,57 min-1 bilan 60 minutgacha chiziqli ravishda oshdi va 180 daqiqada 60,0% ga etdi.

(B) sonokatalitik (US/TiO2), (C) Fenton (H2O2/Fe2+) va (D) sonokatalitik-Fenton (AQSh/TiO2 + H2O2) bilan oldindan ishlov berilgan kenaf biomassasining (A) tozalanmagan nazoratining elektron mikrografi (SEM) skanerlash. /Fe2+) reaksiyalari. Oldindan ishlov berish vaqti 360 minut. Barlar 10 mikronni bildiradi.
(Rasm va tadqiqot: ©Ninomiya va boshqalar, 2013)

Sonochemical Fenton orqali naftalin degradatsiyasi

naftalin degradatsiyasining eng yuqori foiziga qo'llaniladigan barcha ultratovush nurlanish intensivligi uchun ikkala omilning eng yuqori (600 mg L-1 vodorod peroksid konsentratsiyasi) va eng past (200 mg kg1 naftalin konsentratsiyasi) darajalari kesishmasida erishildi. 100, 200 va 400 Vt quvvatda sonikatsiya qo'llanilganda, naftalin degradatsiyasi samaradorligining 78%, 94% va 97% ga olib keldi. Qiyosiy tadqiqotda tadqiqotchilar Hielscher ultratovush apparatlaridan foydalanganlar UP100H, UP200St, va UP400St. Parchalanish samaradorligining sezilarli darajada oshishi ikkala oksidlovchi manbalarning (ultratovush va vodorod periks) sinergizmi bilan bog'liq bo'lib, u qo'llaniladigan ultratovush yordamida Fe oksidlarining sirt maydonining ortishiga va radikallarning yanada samarali ishlab chiqarilishiga olib keldi. Optimal qiymatlar (200 va 400 Vt quvvatda 600 mg L-1 vodorod periks va 200 mg kg1 naftalin konsentratsiyasi) 2 soatlik ishlov berishdan so'ng tuproqdagi naftalin kontsentratsiyasining maksimal 97% gacha pasayishini ko'rsatdi.
(Qarang: Virkutyte va boshqalar, 2009)

a) elementar xaritalash va b) tuproqdan oldingi va c) ultratovush nurlanishi bilan ishlov berishdan keyin SEM-EDS mikrogrammasi
(Rasm va tadqiqot: ©Virkutyte va boshqalar, 2009)

Sonokimyoviy uglerod disulfidining degradatsiyasi

Adewuyi va Appaw 20 kHz va 20 ° C chastotada ultratovush ostida sonokimyoviy partiyali reaktorda uglerod disulfidining (CS2) muvaffaqiyatli oksidlanishini ko'rsatdi. CS2 ning suvli eritmasidan olib tashlanishi ultratovush intensivligining oshishi bilan sezilarli darajada oshdi. Yuqori intensivlik akustik amplitudaning oshishiga olib keldi, bu esa kuchli kavitatsiyaga olib keladi. CS2 ning sulfatga sonokimyoviy oksidlanishi asosan •OH radikali va uning rekombinatsiya reaktsiyalari natijasida hosil bo'lgan H2O2 tomonidan oksidlanish orqali sodir bo'ladi. Bundan tashqari, ushbu tadqiqotda past va yuqori harorat oralig'ida past EA qiymatlari (42 kJ / mol dan past) diffuziya bilan boshqariladigan transport jarayonlari umumiy reaktsiyani talab qilishini ko'rsatadi. Ultrasonik kavitatsiya paytida, siqilish bosqichida H• va •OH radikallarini hosil qilish uchun bo'shliqlarda mavjud bo'lgan suv bug'ining parchalanishi allaqachon yaxshi o'rganilgan. •OH radikali gaz va suyuq fazada kuchli va samarali kimyoviy oksidlovchi bo'lib, uning noorganik va organik substratlar bilan reaksiyalari ko'pincha diffuziya bilan boshqariladigan tezlikka yaqin bo'ladi. Gidroksil radikallari va vodorod atomlari orqali H2O2 va vodorod gazini hosil qilish uchun suvning sonolizi yaxshi ma'lum va har qanday gaz, O2 yoki sof gazlar (masalan, Ar) ishtirokida sodir bo'ladi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, erkin radikallarning (masalan, •OH) fazalararo reaksiya zonasiga tarqalishining mavjudligi va nisbiy tezligi reaksiya tezligini cheklovchi bosqichni va reaksiyaning umumiy tartibini belgilaydi. Umuman olganda, sonokimyoviy kuchaytirilgan oksidlovchi degradatsiya uglerod disulfidini olib tashlashning samarali usuli hisoblanadi.
(Adewuyi va Appaw, 2002)

Ultrasonik Fentonga o'xshash bo'yoqning buzilishi

Ishlab chiqarishda bo'yoqlardan foydalanadigan sanoat korxonalarining oqava suvlari ekologik muammo bo'lib, chiqindi suvni qayta ishlash uchun samarali jarayonni talab qiladi. Fenton oksidlovchi reaktsiyalari bo'yoq oqava suvlarini tozalash uchun keng qo'llaniladi, shu bilan birga takomillashtirilgan Sono-Fenton jarayonlari samaradorligi va atrof-muhitga zarar etkazmasligi tufayli tobora ko'proq e'tiborni tortmoqda.

Reaktiv qizil 120 bo'yoqning degradatsiyasi uchun Sono-Fenton reaktsiyasi

Sintetik suvlarda Reactive Red 120 (RR-120) bo'yoqining parchalanishi o'rganildi. Ikki jarayon ko'rib chiqildi: temir (II) sulfatli bir hil Sono-Fenton va silika va kaltsit qumiga yotqizilgan sintetik goetit va goetitli heterojen Sono-Fenton (o'zgartirilgan katalizatorlar GS (silika qumiga yotqizilgan goetit) va GC (kaltsitga yotqizilgan goetit). ), mos ravishda). Reaksiyaning 60 daqiqasida bir hil Sono-Fenton jarayoni pH 3,0 da goetit bilan heterojen Sono-Fenton jarayoni uchun 96,07% dan farqli o'laroq, 98,10% degradatsiyaga yo'l qo'ydi. Yalang'och goetit o'rniga modifikatsiyalangan katalizatorlar ishlatilganda RR-120 ning chiqarilishi ortdi. Kimyoviy kislorodga bo'lgan talab (COD) va umumiy organik uglerod (TOC) o'lchovlari shuni ko'rsatdiki, bir hil Sono-Fenton jarayoni bilan eng yuqori TOC va COD olib tashlanishiga erishildi. Kislorodga bo'lgan biokimyoviy talab (BOD) o'lchovlari BOD / COD ning eng yuqori qiymatiga heterojen Sono-Fenton jarayoni (o'zgartirilgan katalizator GC bilan 0,88 ± 0,04) bilan erishilganligini aniqlashga imkon berdi, bu qoldiq organik birikmalarning biologik parchalanishi sezilarli darajada yaxshilanganligini ko'rsatdi. .
(Qarang: Garófalo-Villalta va boshq. 2020)
Chapdagi rasmda ko'rsatilgan ultratovush apparati UP100H sono-Fenton reaktsiyasi orqali qizil bo'yoq degradatsiyasi uchun tajribalarda qo'llaniladi. (O'rganish va rasm: ©Garófalo-Villalta va boshqalar, 2020.)

RO107 azo bo'yog'ining heterojen Sono-Fenton degradatsiyasi

Jaafarzoda va boshqalar. (2018) katalizator sifatida magnetit (Fe3O4) nanozarrachalari (MNP) yordamida sono-Fenton kabi parchalanish jarayoni orqali azo bo'yoq Reaktiv Orange 107 (RO107) muvaffaqiyatli olib tashlanishini namoyish etdi. Ular o'z tadqiqotlarida foydalanganlar Hielscher UP400S ultratovush apparati Kerakli radikal shakllanishni olish uchun akustik kavitasyon hosil qilish uchun 50% ish aylanishida (1 s yoqilgan / 1 s o'chirilgan) 7 mm sonotrode bilan jihozlangan. Magnitit nanozarrachalari peroksidazaga o'xshash katalizator vazifasini bajaradi, shuning uchun katalizator dozasini oshirish temirning faol joylarini ta'minlaydi, bu esa o'z navbatida H2O2 parchalanishini tezlashtiradi va reaktiv OH• hosil bo'lishiga olib keladi.
Natijalar: Azo bo'yog'ini to'liq olib tashlash 0,8 g / L MPN, pH = 5, 10 mM H2O2 konsentratsiyasi, 300 Vt / L ultratovush quvvati va 25 daqiqa reaktsiya vaqtida olingan. Ushbu ultratovushli Sono-Fenton kabi reaktsiya tizimi haqiqiy to'qimachilik oqava suvlari uchun ham baholandi. Natijalar shuni ko'rsatdiki, 180 minutlik reaktsiya vaqtida kimyoviy kislorodga bo'lgan ehtiyoj (COD) 2360 mg / L dan 489,5 mg / L gacha kamaydi. Bundan tashqari, xarajat tahlili US/Fe3O4/H2O2 bo'yicha ham o'tkazildi. Nihoyat, ultrasonik / Fe3O4 / H2O2 rangli oqava suvlarni rangsizlantirish va tozalashda yuqori samaradorlikni ko'rsatdi.
Ultrasonik quvvatning oshishi magnetit nanozarrachalarining reaktivligi va sirt maydonining oshishiga olib keldi, bu esa `Fe3+ ning `Fe2+ ga aylanish tezligini osonlashtirdi. Hosil bo'lgan `Fe2+ gidroksil radikallarini hosil qilish uchun H2O2 reaktsiyasini katalizladi. Natijada, ultratovush quvvatining oshishi qisqa vaqt oralig'ida dekolorizatsiya tezligini tezlashtirish orqali US / MNPs / H2O2 jarayonining ish faoliyatini yaxshilash uchun ko'rsatildi.
Tadqiqot mualliflari ultratovush kuchi heterojen Fentonga o'xshash tizimda RO107 bo'yog'ining parchalanish tezligiga ta'sir qiluvchi eng muhim omillardan biri ekanligini ta'kidlaydilar.
Sonikatsiya yordamida yuqori samarali magnetit sintezi haqida ko'proq bilib oling!
(Qarang: Jaafarzoda va boshqalar, 2018)

5 pH da turli kombinatsiyalarda RO107 degradatsiyasi, MNPs dozasi 0,8 g / L, H2O2 kontsentratsiyasi 10 mM, RO107 konsentratsiyasi 50 mg / L, ultratovush kuchi 300 Vt va reaktsiya vaqti 30 minut.
Tadqiqot va rasm: ©Jaafarzadeh va boshqalar, 2018.

OG'IR MAKLI ULTRASONIKATORLAR

Hielscher Ultrasonics ilg'or oksidlanish jarayonlari (AOP), Fenton reaktsiyasi, shuningdek, boshqa sonokimyoviy, sono-foto-kimyoviy va sono-elektro-kimyoviy reaktsiyalar kabi og'ir ilovalar uchun yuqori samarali ultratovushli protsessorlar va reaktorlarni loyihalashtiradi, ishlab chiqaradi va tarqatadi. . Ultrasonikatorlar, ultratovushli zondlar (sonotrotlar), oqim xujayralari va reaktorlar har qanday o'lchamda mavjud – ixcham laboratoriya sinov uskunasidan katta hajmdagi sonokimyoviy reaktorlargacha. Hielscher ultrasonikatorlari laboratoriya va dastgoh qurilmalaridan soatiga bir necha tonna ishlov berishga qodir sanoat tizimlariga qadar ko'plab quvvat sinflari mavjud.

Aniq amplituda nazorati

Amplituda har qanday ultratovush jarayonining natijalariga ta'sir qiluvchi eng muhim jarayon parametrlaridan biridir. Ultrasonik amplitudani aniq sozlash Hielscher ultrasonikatorlarini past va juda yuqori amplitudalarda ishlashga va amplitudani dispersiya, ekstraktsiya va sonokimyo kabi ilovalarning talab qilinadigan ultratovush jarayoni shartlariga aniq sozlash imkonini beradi.
To'g'ri sonotrod o'lchamini tanlash va ixtiyoriy ravishda kuchaytiruvchi shoxdan foydalanish va amplitudani qo'shimcha oshirish yoki kamaytirish ma'lum bir dastur uchun ideal ultratovush tizimini o'rnatishga imkon beradi. Old yuzasi kattaroq bo'lgan zond / sonotroddan foydalanish ultratovush energiyasini katta maydon va pastroq amplitudaga tarqatadi, oldingi sirt maydoni kichikroq bo'lgan sonotrod esa yuqori amplitudalarni yaratishi mumkin, bu esa ko'proq yo'naltirilgan kavitatsion issiq nuqta hosil qiladi.

Hielscher Ultrasonics juda yuqori mustahkamlikdagi yuqori samarali ultratovush tizimlarini ishlab chiqaradi va og'ir sharoitlarda kuchli ultratovush to'lqinlarini etkazib berishga qodir. Barcha ultratovushli protsessorlar 24/7 ish rejimida to'liq quvvatni etkazib berish uchun qurilgan. Maxsus sonotrodlar yuqori haroratli muhitda sonikatsiya jarayonlariga imkon beradi.

Quyidagi jadvalda ultrasonikatorlarimizning taxminiy qayta ishlash quvvati ko'rsatilgan: