Sonication cải thiện phản ứng Fenton

Phản ứng Fenton dựa trên việc tạo ra các gốc tự do như gốc hydroxyl • OH và hydrogen peroxide (H₂O₂). Phản ứng Fenton có thể được tăng cường đáng kể khi kết hợp với siêu âm. Sự kết hợp đơn giản nhưng hiệu quả cao giữa phản ứng Fenton với siêu âm công suất đã được chứng minh là cải thiện đáng kể sự hình thành gốc mong muốn và do đó xử lý các hiệu ứng tăng cường.

Làm thế nào để siêu âm sức mạnh cải thiện phản ứng của Fenton?

Khi siêu âm công suất cao / hiệu suất cao được ghép vào các chất lỏng như nước, có thể quan sát thấy hiện tượng xâm thực âm thanh. Trong điểm nóng xâm thực, các bong bóng chân không nhỏ phát sinh và phát triển qua một số chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp do sóng siêu âm công suất gây ra. Tại thời điểm này, khi bong bóng chân không không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn, khoảng trống sẽ sụp đổ dữ dội trong chu trình áp suất cao (nén). Sự nổ bong bóng này tạo ra các điều kiện cực đoan đặc biệt trong đó nhiệt độ cao tới 5000 K, áp suất cao tới 100 MPa và xảy ra sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất rất cao. Các bong bóng xâm thực vỡ cũng tạo ra các vi tia lỏng tốc độ cao với lực cắt rất mạnh (hiệu ứng siêu âm) cũng như các loại gốc tự do như gốc OH do thủy phân nước (hiệu ứng siêu âm). Hiệu ứng siêu âm của sự hình thành gốc tự do là yếu tố đóng góp chính cho các phản ứng Fenton tăng cường siêu âm, trong khi hiệu ứng siêu âm của sự khuấy động cải thiện sự truyền khối lượng, giúp cải thiện tốc độ chuyển đổi hóa học.
(Hình bên trái cho thấy sự xâm thực âm thanh được tạo ra tại sonotrode của máy siêu âm UIP1000hd. Đèn đỏ từ phía dưới được sử dụng để cải thiện tầm nhìn)

Các nghiên cứu điển hình điển hình cho các phản ứng Fenton tăng cường sonchemical

Tác động tích cực của siêu âm công suất đối với phản ứng Fenton đã được nghiên cứu rộng rãi trong các cơ sở nghiên cứu, thí điểm và công nghiệp cho các ứng dụng khác nhau như phân hủy hóa học, khử nhiễm và phân hủy. Phản ứng Fenton và sono-Fenton dựa trên sự phân hủy hydrogen peroxide bằng chất xúc tác sắt, dẫn đến sự hình thành các gốc hydroxyl có phản ứng cao.
Các gốc tự do như gốc hydroxyl (• OH) thường được tạo ra có chủ đích trong các quá trình tăng cường phản ứng oxy hóa, ví dụ: để phân hủy các chất ô nhiễm như hợp chất hữu cơ trong nước thải. Vì siêu âm công suất là một nguồn phụ trợ của sự hình thành gốc tự do trong các phản ứng kiểu Fenton, quá trình siêu âm kết hợp với phản ứng Fenton làm tăng tốc độ phân hủy chất ô nhiễm để phân hủy các chất ô nhiễm, các hợp chất độc hại cũng như vật liệu cellulose. Điều này có nghĩa là phản ứng Fenton tăng cường siêu âm, được gọi là phản ứng sono-Fenton, có thể cải thiện sản xuất gốc hydroxyl làm cho phản ứng Fenton hiệu quả hơn đáng kể.

Phản ứng Sonocatalytic–Fenton để tăng cường tạo gốc OH

Ninomiya et al. (2013) đã chứng minh thành công rằng phản ứng Fenton được tăng cường bằng sóng âm – sử dụng siêu âm kết hợp với titanium dioxide (TiO2) làm chất xúc tác – thể hiện sự tạo gốc hydroxyl (• OH) được tăng cường đáng kể. Việc áp dụng siêu âm hiệu suất cao cho phép bắt đầu quá trình oxy hóa tiên tiến (AOP). Trong khi phản ứng sonocatalytic sử dụng các hạt TiO2 đã được áp dụng để phân hủy các hóa chất khác nhau, nhóm nghiên cứu của Ninomiya đã sử dụng các gốc •OH được tạo ra hiệu quả để phân hủy lignin (một polyme hữu cơ phức tạp trong thành tế bào của thực vật) như một tiền xử lý vật liệu lignocellulosic để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thủy phân enzym tiếp theo.
Kết quả cho thấy phản ứng Fenton xúc tác bằng cách sử dụng TiO2 làm chất xúc tác âm thanh, không chỉ tăng cường sự phân hủy lignin mà còn là một quá trình tiền xử lý hiệu quả sinh khối lignocellulosic để tăng cường quá trình đường hóa enzyme tiếp theo.
Thủ tục: Đối với phản ứng sonocatalytic-Fenton, cả hai hạt TiO2 (2 g / L) và thuốc thử Fenton (tức là H2O2 (100 mM) và FeSO4 · 7H2O (1 mM)) đã được thêm vào dung dịch mẫu hoặc huyền phù. Đối với phản ứng sonocatalytic-Fenton, huyền phù mẫu trong bình phản ứng được siêu âm trong 180 phút với Bộ xử lý siêu âm kiểu đầu dò UP200S (200W, 24kHz) với sonotrode S14 ở công suất siêu âm 35 W. Bình phản ứng được đặt trong nồi cách thủy duy trì nhiệt độ 25 ° C bằng cách sử dụng bộ tuần hoàn làm mát. Quá trình siêu âm được thực hiện trong bóng tối để tránh bất kỳ tác động nào do ánh sáng gây ra.
Hiệu lực: Sự tăng cường hiệp đồng này của việc tạo gốc OH trong phản ứng Fenton xúc tác siêu âm được cho là do Fe3 + được hình thành bởi phản ứng Fenton được tái tạo thành Fe2 + do kết hợp phản ứng với phản ứng xúc tác son.
Kết quả: Đối với phản ứng Fenton xúc tác sono, nồng độ DHBA được tăng cường hiệp đồng lên 378 μM, trong khi phản ứng Fenton không cần siêu âm và TiO2 chỉ đạt được nồng độ DHBA là 115 μM. Sự thoái hóa lignin của sinh khối kenaf dưới phản ứng Fenton chỉ đạt được tỷ lệ thoái hóa lignin, tăng tuyến tính lên đến 120 phút với kD = 0,26 phút−1, đạt 49,9% sau 180 phút; trong khi với phản ứng sonocatalytic-Fenton, tỷ lệ thoái hóa lignin tăng tuyến tính lên đến 60 phút với kD = 0,57 min−1, đạt 60,0% sau 180 phút.

Quét kính hiển vi điện tử (SEM) của sinh khối kenaf (A) đối chứng chưa được xử lý, được xử lý trước bằng (B) soncatalytic (US / TiO2), (C) Fenton (H2O2 / Fe2 +) và (D) phản ứng sonocatalytic–Fenton (US / TiO2 + H2O2 / Fe2 +). Thời gian tiền xử lý là 360 phút. Các thanh đại diện cho 10 μm.
(Hình ảnh và nghiên cứu: ©Ninomiya et al., 2013)

Phân hủy Naphtalene thông qua Fenton Sonochemical

tỷ lệ phân hủy naphthalene cao nhất đạt được ở giao điểm của nồng độ hydro peroxide cao nhất (600 mg L-1) và thấp nhất (nồng độ naphthalene 200 mg kg1) của cả hai yếu tố cho tất cả các cường độ chiếu xạ siêu âm được áp dụng. Nó dẫn đến 78%, 94% và 97% hiệu quả thoái hóa naphthalene khi sonication ở 100, 200 và 400 W, tương ứng, được áp dụng. Trong nghiên cứu so sánh của họ, các nhà nghiên cứu đã sử dụng máy siêu âm Hielscher UP100H, UP200Stvà UP400ST. Sự gia tăng đáng kể về hiệu quả suy thoái là do sự hiệp đồng của cả hai nguồn oxy hóa (siêu âm và hydro peroxide) được dịch thành diện tích bề mặt tăng của oxit Fe bằng siêu âm ứng dụng và sản xuất các gốc hiệu quả hơn. Các giá trị tối ưu (600 mg L−1 hydro peroxide và 200 mg kg1 nồng độ naphthalene ở 200 và 400 W) cho thấy giảm tối đa 97% nồng độ naphthalene trong đất sau 2 giờ xử lý.
(xem Virkutyte và cộng sự, 2009)

SEM–EDS microgram của a) lập bản đồ nguyên tố và b) đất trước và c) sau khi xử lý chiếu xạ siêu âm
(Hình ảnh và nghiên cứu: ©Virkutyte et al., 2009)

Phân hủy carbon disulfide Sonochemical

Adewuyi và Appaw đã chứng minh quá trình oxy hóa thành công carbon disulfide (CS2) trong lò phản ứng lô siêu âm dưới quá trình siêu âm ở tần số 20 kHz và 20 ° C. Việc loại bỏ CS2 khỏi dung dịch nước tăng lên đáng kể khi cường độ siêu âm tăng lên. Cường độ cao hơn dẫn đến sự gia tăng biên độ âm thanh, dẫn đến sự xâm thực mạnh hơn. Quá trình oxy hóa siêu âm của CS2 thành sunfat tiến hành chủ yếu thông qua quá trình oxy hóa bởi gốc •OH và H2O2 được tạo ra từ các phản ứng tái tổ hợp của nó. Ngoài ra, các giá trị EA thấp (thấp hơn 42 kJ / mol) ở cả phạm vi nhiệt độ thấp và cao trong nghiên cứu này cho thấy rằng các quá trình vận chuyển được kiểm soát bởi khuếch tán quyết định phản ứng tổng thể. Trong quá trình xâm thực siêu âm, sự phân hủy hơi nước có trong các khoang để tạo ra các gốc H• và •OH trong giai đoạn nén đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Gốc OH là một chất oxy hóa hóa học mạnh mẽ và hiệu quả ở cả pha khí và lỏng, và các phản ứng của nó với chất nền vô cơ và hữu cơ thường gần với tốc độ kiểm soát khuếch tán. Sự siêu âm của nước để tạo ra H2O2 và khí hydro thông qua các gốc hydroxyl và nguyên tử hydro đã được nhiều người biết đến và xảy ra khi có bất kỳ khí, O2 hoặc khí tinh khiết nào (ví dụ: Ar). Kết quả cho thấy rằng tính khả dụng và tốc độ khuếch tán tương đối của các gốc tự do (ví dụ: •OH) đến vùng phản ứng bề mặt xác định bước giới hạn tốc độ và thứ tự tổng thể của phản ứng. Nhìn chung, phân hủy oxy hóa tăng cường sonochemical là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ carbon disulfide.
(Adewuyi và Appaw, 2002)

Siêu âm Fenton-like Dye Degradation

Nước thải từ các ngành công nghiệp sử dụng thuốc nhuộm trong sản xuất là một vấn đề môi trường, đòi hỏi một quy trình hiệu quả để xử lý nước thải. Phản ứng Fenton oxy hóa được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải thuốc nhuộm, trong khi các quy trình Sono-Fenton cải tiến ngày càng được chú ý do hiệu quả nâng cao và thân thiện với môi trường.

Phản ứng Sono-Fenton để phân hủy thuốc nhuộm 120 màu đỏ phản ứng

Sự xuống cấp của thuốc nhuộm Reactive Red 120 (RR-120) trong nước tổng hợp đã được nghiên cứu. Hai quá trình đã được xem xét: Sono-Fenton đồng nhất với sắt (II) sulfate và Sono-Fenton không đồng nhất với goethite tổng hợp và goethite lắng đọng trên cát silica và canxit (chất xúc tác biến đổi GS (goethite lắng đọng trên cát silica) và GC (goethite lắng đọng trên cát canxit), tương ứng). Trong 60 phút phản ứng, quy trình Sono-Fenton đồng nhất cho phép suy thoái 98,10%, trái ngược với 96,07% đối với quy trình Sono-Fenton không đồng nhất với goethite ở pH 3,0. Việc loại bỏ RR-120 tăng lên khi các chất xúc tác biến đổi được sử dụng thay vì goethite trần. Các phép đo Nhu cầu oxy hóa học (COD) và Tổng lượng carbon hữu cơ (TOC) cho thấy việc loại bỏ TOC và COD cao nhất đã đạt được với quy trình Sono-Fenton đồng nhất. Các phép đo nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) cho phép phát hiện ra rằng giá trị cao nhất của BOD / COD đã đạt được với quy trình Sono-Fenton không đồng nhất (0,88±0,04 với chất xúc tác biến đổi GC), chứng minh rằng khả năng phân hủy sinh học của các hợp chất hữu cơ còn lại đã được cải thiện đáng kể.
(xem Garófalo-Villalta et al. 2020)
Hình bên trái cho thấy máy siêu âm UP100H được sử dụng trong các thí nghiệm phân hủy thuốc nhuộm đỏ thông qua phản ứng sono-Fenton. (Nghiên cứu và hình ảnh: ©Garófalo-Villalta và cộng sự, 2020.)

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

Jaafarzadeh et al. (2018) đã chứng minh việc loại bỏ thành công thuốc nhuộm azo Reactive Orange 107 (RO107) thông qua quá trình phân hủy giống như sono-Fenton bằng cách sử dụng các hạt nano magnetit (Fe3O4) (MNP) làm chất xúc tác. Trong nghiên cứu của mình, họ đã sử dụng Máy siêu âm Hielscher UP400S Được trang bị SONOTRODE 7mm ở chu kỳ làm việc 50% (1 giây bật / 1 giây tắt) để tạo ra sự xâm thực âm thanh để có được sự hình thành gốc mong muốn. Các hạt nano magnetit hoạt động như chất xúc tác giống như peroxidase, do đó sự gia tăng liều lượng chất xúc tác cung cấp các vị trí sắt hoạt động mạnh hơn, từ đó đẩy nhanh quá trình phân hủy H2O2 dẫn đến việc sản xuất OH • phản ứng.
Kết quả: Loại bỏ hoàn toàn thuốc nhuộm azo thu được ở 0,8 g / L MPN, pH = 5, nồng độ 10 mM H2O2, công suất siêu âm 300 W / L và thời gian phản ứng 25 phút. Hệ thống phản ứng giống như Sono-Fenton siêu âm này cũng được đánh giá đối với nước thải dệt thực sự. Kết quả cho thấy nhu cầu oxy hóa học (COD) đã giảm từ 2360 mg / L xuống 489,5 mg / L trong thời gian phản ứng 180 phút. Hơn nữa, phân tích chi phí cũng được thực hiện trên US/Fe3O4/H2O2. Cuối cùng, siêu âm / Fe3O4 / H2O2 cho thấy hiệu quả cao trong việc khử màu và xử lý nước thải màu.
Sự gia tăng công suất siêu âm dẫn đến sự tăng cường phản ứng và diện tích bề mặt của các hạt nano magnetit, tạo điều kiện thuận lợi cho tốc độ biến đổi từ 'Fe3+ thành 'Fe2+. 'Fe2+ được tạo ra đã xúc tác phản ứng H2O2 để tạo ra các gốc hydroxyl. Kết quả là, sự gia tăng công suất siêu âm đã được chứng minh là nâng cao hiệu suất của quá trình US / MNP / H2O2 bằng cách tăng tốc độ khử màu trong một khoảng thời gian tiếp xúc ngắn.
Các tác giả của nghiên cứu lưu ý rằng công suất siêu âm là một trong những yếu tố thiết yếu nhất ảnh hưởng đến tốc độ suy thoái của thuốc nhuộm 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!
(xem Jaafarzadeh và cộng sự, 2018)

Sự suy thoái RO107 trong các kết hợp khác nhau ở pH 5, liều lượng MNP 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.

ultrasonicators hạng nặng

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối bộ xử lý và lò phản ứng siêu âm hiệu suất cao cho các ứng dụng hạng nặng như quy trình oxy hóa tiên tiến (AOP), phản ứng Fenton, cũng như các phản ứng sonochemical, sono-photo-chemical và sono-electro-chemical khác. Máy siêu âm, đầu dò siêu âm (sonotrodes), tế bào dòng chảy và lò phản ứng có sẵn ở mọi kích thước – từ thiết bị thử nghiệm trong phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến các lò phản ứng sonchemical quy mô lớn. Máy siêu âm Hielscher có sẵn nhiều loại công suất từ phòng thí nghiệm và thiết bị để bàn đến các hệ thống công nghiệp có khả năng xử lý vài tấn mỗi giờ.

Kiểm soát biên độ chính xác

Biên độ là một trong những thông số quy trình quan trọng nhất ảnh hưởng đến kết quả của bất kỳ quá trình siêu âm nào. Điều chỉnh chính xác biên độ siêu âm cho phép vận hành máy siêu âm Hielscher ở biên độ thấp đến rất cao và tinh chỉnh biên độ chính xác theo các điều kiện quy trình siêu âm cần thiết của các ứng dụng như phân tán, chiết xuất và siêu âm.
Chọn kích thước sonotrode phù hợp và sử dụng còi tăng áp tùy chọn và tăng hoặc giảm biên độ bổ sung cho phép thiết lập một hệ thống siêu âm lý tưởng cho một ứng dụng cụ thể. Sử dụng đầu dò / sonotrode có diện tích bề mặt phía trước lớn hơn sẽ tiêu tán năng lượng siêu âm trên một diện tích lớn và biên độ thấp hơn, trong khi sonotrode có diện tích bề mặt trước nhỏ hơn có thể tạo ra biên độ cao hơn tạo ra điểm nóng xâm thực tập trung hơn.

Hielscher Ultrasonics sản xuất các hệ thống siêu âm hiệu suất cao có độ bền rất cao và có khả năng cung cấp sóng siêu âm cường độ cao trong các ứng dụng hạng nặng trong các điều kiện khắt khe. Tất cả các bộ xử lý siêu âm đều được chế tạo để cung cấp đầy đủ năng lượng trong hoạt động 24/7. Các sonotrodes đặc biệt cho phép các quá trình siêu âm trong môi trường nhiệt độ cao.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: