Xử lý siêu âm cải thiện phản ứng Fenton

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

Phản ứng sono-Fenton là gì?

Phản ứng Fenton cổ điển sử dụng hydro peroxit (H₂O₂) và chất xúc tác sắt để tạo ra các gốc hydroxyl (•OH) có hoạt 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 bổ sung siêu âm công suất cao, quá trình này được gọi là phản ứng sono-Fenton hoặc phản ứng Fenton có hỗ trợ siêu âm.

Xử lý siêu âm cải thiện hóa học Fenton theo hai cơ chế bổ trợ nhau:

• Hiệu ứng hóa siêu âm: hiện tượng xâm thực âm thúc đẩy sự phân ly nước bằng siêu âm và hình thành thêm các gốc tự do.
• Hiệu ứng cơ học siêu âm: các vi tia do xâm thực và lực cắt cải thiện sự trộn, phân tán chất xúc tác, diện tích bề mặt phân cách và truyền khối.

Đối với các nhà nghiên cứu và kỹ sư quy trình, lợi ích thực tiễn là một quá trình oxy hóa có cường độ cao hơn, có thể rút ngắn thời gian phản ứng, cải thiện sự phân hủy chất ô nhiễm, nâng cao hiệu quả sử dụng chất xúc tác và giúp việc mở rộng quy mô các phương pháp xử lý kiểu Fenton trở nên dễ dàng hơn.

Siêu âm công suất cao cải thiện phản ứng Fenton như thế nào

Khi năng lượng siêu âm công suất cao được truyền vào chất lỏng, hiện tượng xâm thực âm xảy ra. Các khoang hơi vi mô phát triển trong các chu kỳ áp suất luân phiên và sụp đổ dữ dội trong pha nén. Sự sụp đổ này tạo ra các điểm nóng cục bộ với nhiệt độ và áp suất tức thời rất cao. Trong các hệ nước, hiện tượng xâm thực có thể thúc đẩy sự hình thành các tiểu phân hoạt tính như gốc hydroxyl và hydro peroxit.

Trong quy trình Fenton hoặc tương tự Fenton, các phản ứng hóa học do xâm thực thúc đẩy này kết hợp với sự phân hủy H₂O₂ được xúc tác bởi sắt. Đồng thời, lực cắt do siêu âm cải thiện sự tiếp xúc giữa chất oxy hóa, chất xúc tác, chất rắn lơ lửng và chất ô nhiễm hòa tan. Điều này khiến siêu âm đặc biệt có giá trị đối với:

• các dòng nước thải chứa chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy sinh học;
• các chất xúc tác dị thể như magnetit, goethit, TiO₂ hoặc oxit sắt;
• các loại bùn, huyền phù đất, huyền phù sinh khối và chất lỏng chứa chất xúc tác;
• các quy trình oxy hóa nâng cao theo mẻ và trên đường ống cần khả năng mở rộng quy mô đáng tin cậy.

Lợi ích của thiết bị phản ứng siêu âm sono-Fenton

• Cường độ oxy hóa cao hơn: siêu âm làm tăng sự hình thành gốc tự do và cải thiện động học phân hủy oxy hóa.
• Sử dụng chất xúc tác hiệu quả hơn: hiện tượng xâm thực phân tán chất xúc tác và cải thiện sự tiếp xúc giữa chất lỏng và chất rắn.
• Thời gian phản ứng ngắn hơn: việc tăng cường tạo gốc tự do và trộn có thể rút ngắn thời gian xử lý.
• Thiết kế thiết bị phản ứng có thể mở rộng quy mô: Hielscher cung cấp các thiết bị phản ứng siêu âm ở quy mô phòng thí nghiệm, thí điểm và công nghiệp với khả năng kiểm soát biên độ nhất quán.
• Vận hành theo mẻ hoặc trên đường ống: các quy trình có thể được phát triển trong cốc thí nghiệm hoặc bồn xử lý theo mẻ và chuyển sang thiết bị phản ứng dòng chảy liên tục.
• Giám sát quy trình: máy siêu âm kỹ thuật số Hielscher cho phép kiểm soát biên độ, công suất đầu vào, nhiệt độ, áp suất và thời gian xử lý.
• Vận hành công nghiệp 24/7: các thiết bị xử lý siêu âm chịu tải nặng được thiết kế để vận hành liên tục ở mức đầy tải.

Khi nào nên cân nhắc xử lý sono-Fenton?

Xử lý sono-Fenton phù hợp nhất khi quá trình Fenton thông thường diễn ra quá chậm, sự tiếp xúc với chất xúc tác bị hạn chế, các chất ô nhiễm khó bị oxy hóa hoặc chất rắn lơ lửng làm giảm hiệu quả quá trình. Phương pháp này cũng hữu ích khi cần phát triển một quy trình từ thử nghiệm tính khả thi trong phòng thí nghiệm đến năng suất xử lý công nghiệp mà không thay đổi cơ chế hóa học oxy hóa cơ bản.

Các thông số quá trình quan trọng để tối ưu hóa sono-Fenton

Hiệu quả của phản ứng sono-Fenton phụ thuộc vào cả thông số hóa học và thông số siêu âm. Trong quá trình thử nghiệm tính khả thi, Hielscher giúp khách hàng đánh giá khoảng điều kiện vận hành phù hợp với từng loại nước thải, huyền phù hoặc hỗn hợp phản ứng cụ thể.

• Biên độ siêu âm: thông số chính kiểm soát cường độ xâm thực tại đầu sonotrode.
• Mật độ công suất và năng lượng đầu vào: quyết định cường độ hóa siêu âm trên mỗi đơn vị thể tích được xử lý.
• Nồng độ H₂O₂: ảnh hưởng đến sự hình thành gốc tự do và nhu cầu chất oxy hóa còn lại.
• Loại và liều lượng chất xúc tác sắt: bao gồm Fe²⁺, Fe³⁺, magnetit, goethit, các hệ có TiO₂ hỗ trợ hoặc các chất xúc tác được cố định.
• pH và nhiệt độ: ảnh hưởng đến động học phản ứng Fenton, độ tan của chất xúc tác và các con đường phản ứng của gốc tự do.
• Thời gian lưu: quyết định độ chuyển hóa trong bồn xử lý theo mẻ hoặc thiết bị phản ứng dòng chảy lắp trên đường ống.
• Áp suất: các thiết bị phản ứng siêu âm có thể tăng áp có thể tăng cường các điều kiện xâm thực khi vận hành liên tục.

Các nghiên cứu điển hình: Phản ứng Fenton được tăng cường bằng siêu âm

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

Phản ứng xúc tác siêu âm–Fenton để tăng cường tạo gốc hydroxyl

Ninomiya và cộng sự (2013) đã chứng minh rằng việc kết hợp xử lý siêu âm, TiO₂, H₂O₂ và chất xúc tác sắt làm tăng đáng kể sự hình thành gốc hydroxyl. Quá trình này được áp dụng để phân hủy lignin như một bước tiền xử lý sinh khối lignocellulose, hỗ trợ quá trình thủy phân bằng enzyme tiếp theo.

Bố trí thí nghiệm: Các hạt TiO₂ (2 g/L), H₂O₂ (100 mM) và FeSO₄·7H₂O (1 mM) được thêm vào huyền phù mẫu. Huyền phù được xử lý siêu âm trong 180 min bằng thiết bị xử lý siêu âm thuộc dòng Hielscher UP200S / UP200St sử dụng đầu sonotrode dạng đầu dò ở công suất siêu âm 35 W. Nhiệt độ của bình được kiểm soát ở 25 °C.

Kết quả: Phản ứng xúc tác siêu âm–Fenton đạt nồng độ DHBA 378 μM, so với 115 μM của phản ứng Fenton không có siêu âm và TiO₂. Mức độ phân hủy lignin tăng nhanh hơn khi xử lý bằng xúc tác siêu âm–Fenton, cho thấy hiệu ứng hiệp đồng mạnh giữa siêu âm, chất xúc tác và cơ chế hóa học Fenton.

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) của sinh khối cây kenaf: (A) mẫu đối chứng không xử lý, (B) xử lý bằng xúc tác siêu âm, (C) xử lý Fenton và (D) xử lý bằng xúc tác siêu âm–Fenton. Thời gian tiền xử lý: 360 min. Các thanh tỷ lệ biểu thị 10 μm.
(Hình ảnh và nghiên cứu: ©Ninomiya và cộng sự, 2013)

Phân hủy naphthalen bằng phương pháp xử lý đất tương tự Fenton kết hợp siêu âm

Virkutyte và cộng sự (2009) đã nghiên cứu sự phân hủy naphthalen trong đất bằng cách kết hợp siêu âm và hydro peroxit. Hiệu suất phân hủy cao nhất đạt được ở nồng độ hydro peroxit cao và nồng độ naphthalen ban đầu thấp. Khi chiếu siêu âm ở công suất 100, 200 và 400 W, hiệu suất phân hủy được báo cáo lần lượt là 78%, 94% và 97%.

Nghiên cứu sử dụng các máy siêu âm Hielscher UP100H, UP200St, và UP400St. Sự cải thiện khả năng phân hủy được cho là nhờ hiệu ứng hiệp đồng của siêu âm và hydro peroxit, bao gồm sự hình thành gốc tự do và sự tương tác được cải thiện với các oxit sắt trong nền đất.

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

Oxy hóa cacbon đisunfua bằng hóa siêu âm

Adewuyi và Appaw đã chứng minh quá trình oxy hóa cacbon đisunfua (CS₂) bằng hóa siêu âm trong dung dịch nước ở 20 kHz và 20°C. Khả năng loại bỏ CS₂ tăng theo cường độ siêu âm, có liên quan đến hiện tượng xâm thực mạnh hơn và sự hình thành gốc tự do gia tăng. Nghiên cứu cho thấy oxy hóa bằng hóa siêu âm có thể là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ cacbon đisunfua khỏi các dòng nước.

Xử lý sono-Fenton cho nước thải chứa thuốc nhuộm và nước thải dệt may

Nước thải chứa thuốc nhuộm từ ngành dệt may và các ngành liên quan có thể khó xử lý vì nhiều loại thuốc nhuộm và sản phẩm phụ của thuốc nhuộm khó phân hủy, có màu và có khả năng phân hủy sinh học kém. Các quá trình oxy hóa nâng cao Fenton và 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 tạo thành gốc tự do, sự phân tán chất xúc tác và sự truyền khối.

Phân hủy thuốc nhuộm Reactive Red 120

Garófalo-Villalta và cộng sự (2020) đã nghiên cứu sự phân hủy thuốc nhuộm Reactive Red 120 (RR-120) trong nước pha chế tổng hợp. Nghiên cứu so sánh xử lý sono-Fenton đồng thể sử dụng sắt(II) sunfat với xử lý sono-Fenton dị thể sử dụng các chất xúc tác trên cơ sở goethit. Trong 60 min, quá trình đồng thể đạt mức phân hủy thuốc nhuộm 98,10%, trong khi quá trình dị thể sử dụng goethit đạt mức phân hủy 96,07% ở pH 3,0.

Nghiên cứu cũng cho thấy các chất xúc tác biến tính cải thiện hiệu quả phân hủy so với goethit chưa biến tính. Các phép đo COD, TOC và BOD/COD cho thấy xử lý sono-Fenton không chỉ khử 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.

Phân hủy thuốc nhuộm azo RO107 bằng sono-Fenton dị thể

Jaafarzadeh và cộng sự (2018) đã chứng minh khả năng loại bỏ thuốc nhuộm azo Reactive Orange 107 (RO107) bằng quy trình tương tự sono-Fenton sử dụng magnetit (Fe₃O₄) dạng hạt nano làm chất xúc tác. Máy siêu âm thuộc dòng Hielscher UP400S / UP400St được trang bị đầu dò siêu âm 7 mm đã được sử dụng để tạo ra hiện tượng xâm thực âm.

Kết quả: Thuốc nhuộm azo được loại bỏ hoàn toàn ở nồng độ hạt nano magnetit 0,8 g/L, pH 5, H₂O₂ 10 mM, công suất siêu âm 300 W/L và thời gian phản ứng 25 min. Trong nước thải dệt may thực tế, COD giảm từ 2360 mg/L xuống 489,5 mg/L trong 180 min. Các tác giả xác định công suất siêu âm là một trong những yếu tố thiết yếu ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy RO107 trong hệ tương tự Fenton dị thể.

Tìm hiểu thêm về phương pháp tổng hợp magnetit hiệu quả cao bằng siêu âm!

Phân hủy RO107 ở pH 5, MNPs 0,8 g/L, H₂O₂ 10 mM, RO107 50 mg/L, công suất siêu âm 300 W và thời gian phản ứng 30 min.
Nghiên cứu và hình ảnh: ©Jaafarzadeh et al., 2018.

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

Hielscher Ultrasonics thiết kế và sản xuất các thiết bị xử lý và thiết bị phản ứng siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng hóa siêu âm cường độ cao, bao gồm phản ứng Fenton, phản ứng sono-Fenton, phản ứng kết hợp siêu âm và quang hóa cùng các quá trình oxy hóa nâng cao khác. Các hệ thống có nhiều quy mô, từ thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp phục vụ sản xuất liên tục và xử lý các dòng lưu chất.

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

Bảng dưới đây cung cấp hướng dẫn sơ bộ về các máy siêu âm Hielscher phù hợp với thể tích mẻ và lưu lượng điển hình. Việc lựa chọn thiết bị cuối cùng phụ thuộc vào đặc điểm hóa học của quy trình, mức chuyển hóa mục tiêu, thời gian lưu, hàm lượng chất rắn, nhiệt độ, áp suất và năng lượng đầu vào cần thiết.

Cách bắt đầu thử nghiệm tính khả thi của quy trình sono-Fenton

Để đưa ra khuyến nghị thiết bị đáng tin cậy, Hielscher thường xem xét đặc điểm hóa học, các chất ô nhiễm mục tiêu, thể tích xử lý, lưu lượng, liều lượng chất oxy hóa, loại chất xúc tác, khoảng pH, giới hạn nhiệt độ và mức chuyển hóa cần đạt. Trong các thử nghiệm tại phòng thí nghiệm, máy siêu âm dạng đầu dò dùng trong phòng thí nghiệm hoặc loại để bàn như UP200Ht, UP400St hoặc UIP1000hdT thường được sử dụng để xác định năng lượng đầu vào cần thiết và phạm vi điều kiện vận hành của quy trình.

Đối với vận hành liên tục, Hielscher có thể cấu hình các buồng dòng chảy siêu âm và thiết bị phản ứng lắp trực tiếp trên đường ống với thời gian lưu, áp suất, nhiệt độ và công suất đầu vào được kiểm soát. Điều này cho phép so sánh trực tiếp hiệu quả xử lý ở các biên độ và lưu lượng khác nhau.

Các câu hỏi thường gặp về phản ứng sono-Fenton

Xử lý Fenton và sono-Fenton khác nhau như thế nào?

Xử lý Fenton sử dụng hydro peroxit và chất xúc tác sắt để tạo ra các gốc hydroxyl. Xử lý sono-Fenton bổ sung siêu âm công suất cao. Hiện tượng xâm thực siêu âm làm tăng sự hình thành gốc tự do và cải thiện quá trình trộn, sự tiếp xúc với chất xúc tác và quá trình truyền khối.

Có thể sử dụng xử lý sono-Fenton cho nước thải công nghiệp không?

Có. Xử lý sono-Fenton được sử dụng trong phát triển quy trình cho nước thải công nghiệp, nước thải chứa thuốc nhuộm, nước thải hóa dầu, huyền phù bị ô nhiễm và các dòng khác chứa hợp chất hữu cơ khó phân hủy. Tính khả thi ở quy mô công nghiệp phụ thuộc vào tải lượng chất ô nhiễm, nhu cầu chất oxy hóa, hệ xúc tác, mục tiêu xử lý và cân bằng năng lượng.

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

Siêu âm có thể cải thiện hiệu quả sử dụng chất oxy hóa và chất xúc tác bằng cách tăng cường sự hình thành gốc tự do và quá trình truyền khối. Khả năng giảm lượng hóa chất tiêu thụ phải được xác nhận thông qua thử nghiệm với nước thải hoặc hỗn hợp phản ứng thực tế.

Quy trình này có thể mở rộng quy mô không?

Có. Các máy siêu âm Hielscher được thiết kế để phát triển quy trình có thể mở rộng quy mô. Kết quả thử nghiệm trong phòng thí nghiệm có thể được chuyển sang các hệ thống thí điểm và công nghiệp bằng cách kiểm soát biên độ, năng lượng đầu vào, thời gian lưu, nhiệt độ, áp suất và hình học của thiết bị phản ứng.

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

Máy xử lý phù hợp phụ thuộc vào thể tích mẫu, lưu lượng, mức chuyển hóa mục tiêu, hàm lượng chất rắn, độ nhớt, nhiệt độ vận hành và áp suất. Hielscher cung cấp máy siêu âm phòng thí nghiệm, hệ thống thí điểm và thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp để xử lý liên tục.

Quy trình ozon hóa kết hợp siêu âm là gì?

Ozon hóa kết hợp siêu âm là một quá trình oxy hóa nâng cao kết hợp xử lý bằng ozone với siêu âm công suất cao để tạo ra nhiều gốc tự do hoạt tính hơn và cải thiện sự truyền khối trong chất lỏng. Tác dụng hiệp đồng này 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 chỉ ozon hóa.

Khám phá những ưu điểm của ozon hóa kết hợp siêu âm!

Tài liệu / Tài liệu tham khảo

• 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.