Sonication cải thiện phản ứng Fenton

Phản ứng Sono-Fenton kết hợp hóa học Fenton với sóng siêu âm công suất cao để tăng cường sự hình thành gốc hydroxyl, cải thiện quá trình truyền khối và đẩy nhanh các quá trình phân hủy oxy hóa. Đối với các phòng thí nghiệm, nhà máy thí điểm và người dùng công nghiệp, các thiết bị siêu âm Hielscher cung cấp một phương pháp có thể điều khiển và mở rộng quy mô để cải thiện các quy trình oxy hóa nâng cao (AOPs) như xử lý nước thải, phân hủy thuốc nhuộm, phục hồi đất, tiền xử lý lignin và phân hủy hóa học.

Phản ứng Sono-Fenton là gì?

Phản ứng Fenton cổ điển sử dụng hydrogen peroxide (H₂O₂) và chất xúc tác sắt để tạo ra các gốc hydroxyl (•OH) có tính phản ứng cao. Các gốc này oxy hóa các chất ô nhiễm hữu cơ, thuốc nhuộm, dung môi, hydrocacbon, lignin và các hợp chất khó phân hủy khác. Khi thêm sóng siêu âm công suất cao, quá trình này được gọi là phản ứng sono-Fenton hoặc phản ứng Fenton siêu âm.

Quá trình siêu âm giúp tăng cường phản ứng Fenton theo hai cơ chế bổ sung cho nhau:

• Hiệu ứng sonochemical: Hiện tượng xâm thực âm thanh thúc đẩy quá trình phân hủy nước bằng sóng âm và tạo ra thêm các gốc tự do.
• Hiệu ứng cơ học âm thanh: Các tia vi phun do hiện tượng xâm thực và lực cắt giúp cải thiện quá trình trộn, sự phân tán chất xúc tác, diện tích bề mặt tiếp xúc và sự truyền khối.

Đối với các nhà nghiên cứu và kỹ sư quy trình, lợi ích thực tiễn là quá trình oxy hóa diễn ra mạnh mẽ hơn, giúp rút ngắn thời gian phản ứng, tăng cường khả năng phân hủy chất ô nhiễm, nâng cao hiệu quả sử dụng chất xúc tác và tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc mở rộng quy mô các phương pháp xử lý kiểu Fenton.

Cách siêu âm công suất cao cải thiện phản ứng Fenton

Khi sóng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng, hiện tượng xâm thực âm thanh sẽ xảy ra. Các bọt khí vi mô sẽ phát triển trong các chu kỳ áp suất thay đổi và sụp đổ mạnh mẽ khi bị nén. Quá trình sụp đổ này tạo ra các điểm nóng cục bộ với nhiệt độ và áp suất thoáng qua rất cao. Trong các hệ thống nước, hiện tượng xâm thực âm thanh có thể thúc đẩy sự hình thành các chất phản ứng như gốc hydroxyl và hydrogen peroxide.

Trong quy trình Fenton hoặc các quy trình tương tự Fenton, phản ứng hóa học do hiện tượng xâm thực gây ra diễn ra song song với quá trình phân hủy H₂O₂ được xúc tác bởi sắt. Đồng thời, lực cắt siêu âm giúp tăng cường sự tiếp xúc giữa các chất oxy hóa, chất xúc tác, chất rắn lơ lửng và các chất ô nhiễm hòa tan. Điều này khiến siêu âm trở nên đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng sau:

• các dòng nước thải chứa các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy sinh học;
• các chất xúc tác không đồng nhất như magnetit, goethit, TiO₂ hoặc các oxit sắt;
• hỗn hợp bùn, dung dịch đất, dung dịch sinh khối và chất lỏng chứa chất xúc tác;
• các quy trình oxy hóa nâng cao theo lô và liên tục đòi hỏi phải mở rộng quy mô một cách đáng tin cậy.

Lợi ích của các thiết bị phản ứng Sono-Fenton siêu âm

• Mức độ oxy hóa cao hơn: Siêu âm làm tăng sự hình thành các gốc tự do và cải thiện động học của quá trình phân hủy oxy hóa.
• Tăng cường hiệu quả sử dụng chất xúc tác: Hiện tượng xâm thực giúp phân tán chất xúc tác và tăng cường sự tiếp xúc giữa chất lỏng và chất rắn.
• Thời gian phản ứng nhanh hơn: Việc tăng cường quá trình tạo gốc tự do và trộn lẫn có thể giúp rút ngắn thời gian xử lý.
• Thiết kế lò phản ứng có khả năng mở rộng: Hielscher cung cấp các thiết bị phản ứng siêu âm dùng trong phòng thí nghiệm, quy mô thử nghiệm và công nghiệp với khả năng kiểm soát biên độ ổn định.
• Hoạt động theo lô hoặc liên tục: Các quy trình có thể được phát triển trong cốc thủy tinh hoặc bể phản ứng theo mẻ và sau đó được chuyển sang các bình phản ứng dòng chảy liên tục.
• Giám sát quy trình: Các thiết bị siêu âm kỹ thuật số Hielscher cho phép điều chỉnh biên độ, công suất đầu vào, nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý.
• Hoạt động công nghiệp 24/7: Các máy xử lý siêu âm công suất lớn được thiết kế để hoạt động liên tục ở công suất tối đa.

Khi nào bạn nên xem xét phương pháp xử lý Sono-Fenton?

Phương pháp xử lý Sono-Fenton đặc biệt phù hợp trong các trường hợp quy trình Fenton truyền thống diễn ra quá chậm, diện tích tiếp xúc với chất xúc tác bị hạn chế, các chất ô nhiễm khó oxy hóa, hoặc chất rắn lơ lửng làm giảm hiệu suất quy trình. Phương pháp này cũng rất hữu ích khi cần phát triển quy trình từ giai đoạn thử nghiệm khả thi trong phòng thí nghiệm lên quy mô công nghiệp mà không làm thay đổi cơ chế hóa học oxy hóa cơ bản.

Các thông số quy trình quan trọng để tối ưu hóa phản ứng Sono-Fenton

Hiệu quả của phản ứng Sono-Fenton phụ thuộc vào cả các thông số hóa học lẫn các thông số siêu âm. Trong quá trình thử nghiệm khả thi, Hielscher hỗ trợ khách hàng đánh giá khoảng điều kiện vận hành phù hợp cho từng loại nước thải, bùn hoặc hỗn hợp phản ứng cụ thể.

• Biên độ siêu âm: tham số chính quyết định cường độ hiện tượng xâm thực tại đầu phát sóng siêu âm.
• Mật độ công suất và công suất đầu vào: xác định cường độ siêu âm hóa học trên mỗi đơn vị thể tích được xử lý.
• Nồng độ H₂O₂: ảnh hưởng đến quá trình tạo gốc tự do và nhu cầu oxy hóa còn lại.
• Loại và liều lượng chất xúc tác sắt: bao gồm Fe²⁺, Tôi³⁺, magnetit, goethit, các hệ thống có sự hỗ trợ của TiO₂ hoặc các chất xúc tác cố định.
• pH và nhiệt độ: ảnh hưởng đến động học phản ứng Fenton, độ hòa tan của chất xúc tác và các con đường phản ứng của các gốc tự do.
• Thời gian cư trú: quyết định quá trình chuyển hóa trong bể phản ứng theo mẻ hoặc trong các bình phản ứng dòng chảy liên tục.
• Áp lực: Các bình phản ứng siêu âm có thể điều chỉnh áp suất có thể làm tăng cường hiện tượng xâm thực trong quá trình vận hành liên tục.

Các trường hợp điển hình: Phản ứng Fenton được tăng cường bằng sóng siêu âm

Các tác động tích cực của siêu âm công suất cao đối với phản ứng Fenton và các phản ứng tương tự đã được nghiên cứu trong các lĩnh vực phân hủy hóa học, khử nhiễm, tiền xử lý sinh khối và xử lý nước thải công nghiệp. Các ví dụ dưới đây minh họa cách siêu âm có thể cải thiện quá trình hình thành gốc tự do, tốc độ phân hủy và hiệu quả quy trình trong các hệ thống khác nhau.

Phản ứng Sonocatalytic–Fenton nhằm tăng cường quá trình tạo ra gốc hydroxyl

Ninomiya và các cộng sự (2013) đã chứng minh rằng việc kết hợp siêu âm, TiO₂, H₂O₂ và chất xúc tác sắt đã làm tăng đáng kể quá trình tạo ra các gốc hydroxyl. Quy trình này đã được áp dụng để phân hủy lignin như một bước tiền xử lý đối với sinh khối lignocellulose, nhằm hỗ trợ quá trình thủy phân enzym sau đó.

Thiết lập thử nghiệm: Các hạt TiO₂ (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) và FeSO₄·7H₂O (1 mM) được thêm vào hỗn hợp mẫu. Hỗn hợp này được xử lý bằng sóng siêu âm trong 180 phút với Máy xử lý siêu âm dòng Hielscher UP200S / UP200St sử dụng đầu dò sonotrode với công suất siêu âm 35 W. Nhiệt độ của bình được duy trì ở mức 25 °C.

Kết quả: Phản ứng Fenton kết hợp xúc tác siêu âm đã đạt nồng độ DHBA là 378 μM, so với 115 μM đối với phản ứng Fenton không sử dụng siêu âm và TiO₂. Quá trình phân hủy lignin diễn ra nhanh hơn dưới điều kiện xử lý sonocatalytic–Fenton, cho thấy sự tương tác mạnh mẽ giữa sóng siêu âm, chất xúc tác và phản ứng Fenton.

Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét (SEM) của sinh khối cây kenaf: (A) mẫu đối chứng chưa xử lý, (B) xử lý bằng phương pháp xúc tác siêu âm, (C) xử lý bằng phương pháp Fenton, và (D) xử lý kết hợp xúc tác siêu âm–Fenton. Thời gian tiền xử lý: 360 phút. Các vạch chia tương ứng với 10 μm.
(Hình ảnh và nghiên cứu: ©Ninomiya et al., 2013)

Quá trình phân hủy naphthalene bằng phương pháp xử lý đất theo cơ chế tương tự phản ứng Sono-Fenton

Virkutyte và cộng sự (2009) đã nghiên cứu quá trình phân hủy naphthalene trong đất bằng cách kết hợp sóng siêu âm và hydrogen peroxide. Hiệu suất phân hủy cao nhất đạt được khi nồng độ hydrogen peroxide cao và nồng độ ban đầu của naphthalene thấp. Khi chiếu xạ siêu âm ở công suất 100, 200 và 400 W, hiệu suất phân hủy lần lượt là 78%, 94% và 97%.

Nghiên cứu đã sử dụng các thiết bị siêu âm Hielscher UP100H, UP200Stvà UP400ST. Sự phân hủy được cải thiện được cho là do tác dụng hiệp đồng giữa sóng siêu âm và hydrogen peroxide, bao gồm quá trình hình thành các gốc tự do và sự tương tác được cải thiện với các oxit sắt trong ma trận đất.

Hình ảnh vi mô SEM–EDS của đất trước và sau khi xử lý bằng sóng siêu âm.
(Hình ảnh và nghiên cứu: ©Virkutyte et al., 2009)

Quá trình oxy hóa bằng sóng siêu âm của disulfua carbon

Adewuyi và Appaw đã chứng minh quá trình oxy hóa sonochemical của disulfua carbon (CS₂) trong dung dịch nước ở tần số 20 kHz và nhiệt độ 20°C. Hiệu suất loại bỏ CS₂ tăng lên khi cường độ sóng siêu âm tăng, điều này liên quan đến hiện tượng cavitation mạnh hơn và sự hình thành các gốc tự do gia tăng. Nghiên cứu cho thấy quá trình oxy hóa bằng sóng siêu âm có thể là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ carbon disulfide khỏi các dòng nước.

Phương pháp xử lý Sono-Fenton đối với nước thải từ ngành nhuộm và dệt may

Nước thải chứa thuốc nhuộm từ ngành dệt may và các ngành liên quan thường khó xử lý do nhiều loại thuốc nhuộm và sản phẩm phụ của chúng có tính bền vững cao, có màu và khó phân hủy sinh học. Các quy trình oxy hóa tiên tiến như Fenton và các quy trình tương tự Fenton được sử dụng rộng rãi để phân hủy thuốc nhuộm. Siêu âm có thể cải thiện các quá trình này bằng cách tăng cường sự hình thành các gốc tự do, sự phân tán chất xúc tác và sự chuyển khối lượng.

Sự phân hủy của thuốc nhuộm Reactive Red 120

Garófalo-Villalta và cộng sự (2020) đã nghiên cứu quá trình phân hủy thuốc nhuộm Reactive Red 120 (RR-120) trong nước tổng hợp. Phương pháp xử lý sono-Fenton đồng nhất với sunfat sắt (II) và phương pháp xử lý sono-Fenton dị thể với chất xúc tác dựa trên goethite đã được so sánh. Trong 60 phút, quá trình đồng nhất đã đạt được 98,10% mức độ phân hủy thuốc nhuộm, trong khi quá trình dị thể với goethite đạt được 96,07% mức độ phân hủy ở pH 3,0.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng các chất xúc tác đã được biến đổi có hiệu suất phân hủy cao hơn so với goethite nguyên chất. Các kết quả đo lường COD, TOC và BOD/COD cho thấy phương pháp xử lý sono-Fenton không chỉ làm mất màu dung dịch mà còn cải thiện khả năng phân hủy sinh học của các hợp chất hữu cơ còn lại. Hình ảnh cho thấy Hielscher UP100H được sử dụng trong các thí nghiệm.

Sự thoái hóa Sono-Fenton không đồng nhất của thuốc nhuộm azo RO107

Jaafarzadeh và cộng sự (2018) đã chứng minh khả năng loại bỏ chất nhuộm azo Reactive Orange 107 (RO107) bằng phương pháp tương tự Fenton kết hợp sóng siêu âm với magnetit (Fe₃O₄) các hạt nano làm chất xúc tác. Các Máy siêu âm dòng Hielscher UP400S / UP400St được trang bị một đầu dò âm thanh 7 mm đã được sử dụng để tạo ra hiện tượng xâm thực âm thanh.

Kết quả: Việc loại bỏ hoàn toàn thuốc nhuộm azo đã đạt được ở nồng độ 0,8 g/L hạt nano magnetite, pH 5, 10 mM H₂O₂, công suất siêu âm 300 W/L và thời gian phản ứng 25 phút. Trong nước thải dệt may thực tế, COD đã giảm từ 2360 mg/L xuống 489,5 mg/L trong vòng 180 phút. Các tác giả đã xác định công suất siêu âm là một trong những yếu tố thiết yếu ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy RO107 trong hệ thống giống Fenton không đồng nhất.

Tìm hiểu thêm về tổng hợp magnetit hiệu quả cao bằng cách sử dụng siêu âm!

Quá trình phân hủy RO107 ở pH 5, nồng độ MNPs 0,8 g/L, nồng độ H₂O₂ 10 mM, nồng độ RO107 50 mg/L, công suất siêu âm 300 W và thời gian phản ứng 30 phút.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Jaafarzadeh và cộng sự, 2018.

Máy siêu âm Hielscher cho quá trình Sono-Fenton và các quá trình oxy hóa nâng cao

Hielscher Ultrasonics thiết kế và sản xuất các thiết bị xử lý và bình phản ứng siêu âm hiệu suất cao dành cho các ứng dụng sonochemical công suất lớn, bao gồm phản ứng Fenton, phản ứng sono-Fenton, phản ứng sono-photochemical và các quy trình oxy hóa tiên tiến khác. Các hệ thống này bao gồm từ thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến các bình phản ứng siêu âm công nghiệp dành cho sản xuất liên tục và xử lý dòng chất lỏng.

Lựa chọn thiết bị siêu âm cho các quy trình Sono-Fenton

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về các thiết bị siêu âm Hielscher phù hợp với các thể tích mẻ và lưu lượng điển hình. Việc lựa chọn thiết bị cuối cùng phụ thuộc vào đặc tính hóa học của quy trình, tỷ lệ chuyển hóa mục tiêu, thời gian lưu, hàm lượng chất rắn, nhiệt độ, áp suất và lượng năng lượng đầu vào cần thiết.

Cách tiến hành thử nghiệm khả thi phương pháp Sono-Fenton

Để đưa ra khuyến nghị về thiết bị đáng tin cậy, Hielscher thường xem xét các yếu tố như phản ứng hóa học, các chất gây ô nhiễm cần xử lý, thể tích xử lý, lưu lượng, liều lượng chất oxy hóa, loại chất xúc tác, dải pH, giới hạn nhiệt độ và mức độ chuyển hóa cần đạt được. Đối với các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, người ta thường sử dụng máy siêu âm dạng đầu dò để bàn hoặc phòng thí nghiệm như UP200Ht, UP400St hoặc UIP1000hdT để xác định mức năng lượng đầu vào cần thiết và khoảng điều kiện quá trình.

Để đảm bảo hoạt động liên tục, Hielscher có thể thiết kế các buồng dòng chảy siêu âm và các bình phản ứng nội tuyến với thời gian lưu, áp suất, nhiệt độ và công suất đầu vào được điều khiển. Điều này cho phép so sánh trực tiếp hiệu suất xử lý ở các mức biên độ và lưu lượng khác nhau.

Các câu hỏi thường gặp về phản ứng Sono-Fenton

Sự khác biệt giữa phương pháp xử lý Fenton và sono-Fenton là gì?

Phương pháp xử lý Fenton sử dụng hydro peroxide và chất xúc tác sắt để tạo ra các gốc hydroxyl. Phương pháp xử lý Sono-Fenton kết hợp thêm sóng siêu âm công suất cao. Hiện tượng xâm thực do siêu âm làm tăng quá trình hình thành các gốc tự do, đồng thời cải thiện quá trình trộn, sự tiếp xúc của chất xúc tác và sự truyền khối.

Phương pháp xử lý Sono-Fenton có thể được áp dụng cho nước thải công nghiệp không?

Đúng vậy. Công nghệ xử lý Sono-Fenton được áp dụng trong quá trình phát triển quy trình xử lý nước thải công nghiệp, nước thải từ nhà máy nhuộm, nước thải hóa dầu, bùn nhiễm bẩn và các dòng chất thải khác chứa các hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Khả năng áp dụng trong công nghiệp phụ thuộc vào tải lượng chất ô nhiễm, nhu cầu chất oxy hóa, hệ thống xúc tác, mục tiêu xử lý và cân bằng năng lượng.

Siêu âm có thể giúp giảm lượng hóa chất tiêu thụ không?

Siêu âm có thể nâng cao hiệu quả sử dụng các chất oxy hóa và chất xúc tác bằng cách tăng cường quá trình hình thành các gốc tự do và quá trình truyền khối. Việc liệu có thể giảm lượng hóa chất tiêu thụ hay không cần phải được xác nhận thông qua các thí nghiệm sử dụng nước thải thực tế hoặc hỗn hợp phản ứng.

Quy trình này có thể mở rộng được không?

Đúng vậy. Các thiết bị siêu âm Hielscher được thiết kế để phát triển quy trình có thể mở rộng. Kết quả từ các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể được áp dụng cho các hệ thống thí điểm và công nghiệp thông qua việc điều chỉnh biên độ, công suất đầu vào, thời gian lưu, nhiệt độ, áp suất và hình dạng của bình phản ứng.

Máy xử lý siêu âm nào phù hợp với quy trình của tôi?

Việc lựa chọn máy xử lý phù hợp phụ thuộc vào thể tích mẫu, tốc độ dòng chảy, tỷ lệ chuyển hóa mục tiêu, hàm lượng chất rắn, độ nhớt, nhiệt độ hoạt động và áp suất. Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm, hệ thống thí điểm và lò phản ứng siêu âm công nghiệp dành cho quy trình xử lý liên tục.

Quy trình khử trùng bằng sóng âm và ozone là gì?

Quá trình ozon hóa bằng sóng siêu âm là một quy trình oxy hóa tiên tiến kết hợp xử lý bằng ozone với sóng siêu âm công suất cao để tạo ra nhiều gốc tự do phản ứng hơn và cải thiện quá trình truyền khối trong chất lỏng. Sự kết hợp này giúp đẩy nhanh quá trình phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ, thuốc nhuộm, vi sinh vật và các hợp chất khó phân hủy trong nước hoặc nước thải so với việc chỉ sử dụng ozon hóa đơn thuần.

Khám phá những lợi ích của công nghệ khử trùng bằng sóng âm và ozone!

Văn học / Tài liệu tham khảo