عملية الترسيب بالموجات فوق الصوتية

يمكن توليد الجسيمات، مثل الجسيمات النانوية، في السوائل بالترسيب وفق نهج من أسفل إلى أعلى. في هذه العملية، يبدأ مزيج فائق الإشباع بتكوين جسيمات صلبة من المادة عالية التركيز، ثم تنمو هذه الجسيمات وتترسب في النهاية. وللتحكم في حجم الجسيمات/البلورات وشكلها، من الضروري التحكم في العوامل المؤثرة في الترسيب.

خلفية عملية الترسيب

اكتسبت الجسيمات النانوية أهمية خلال السنوات الأخيرة في مجالات عديدة، مثل الطلاءات والبوليمرات والأحبار والمستحضرات الصيدلانية والإلكترونيات. وتُعد تكلفة المواد النانوية أحد العوامل المهمة المؤثرة في استخدامها. لذلك، يلزم توفير طرق مجدية اقتصاديًا لتصنيع المواد النانوية بكميات كبيرة. وبينما تُعد عمليات مثل الاستحلاب والمعالجة بالتفتيت عمليات من أعلى إلى أسفل، فإن الترسيب عملية من أسفل إلى أعلى لتخليق جسيمات بحجم نانوي من السوائل. ويشمل الترسيب:

• خلط سائلين على الأقل
• فرط الإشباع
• التنوي
• نمو الجسيمات
• التكتل (يُتجنب عادةً بخفض تركيز المواد الصلبة أو باستخدام عوامل تثبيت)

الخلط في عملية الترسيب

يُعد الخلط خطوة أساسية في الترسيب، إذ تكون سرعة التفاعل الكيميائي عالية جدًا في معظم عمليات الترسيب. وتُستخدم عادةً مفاعلات الخزانات المزودة بتقليب (على دفعات أو بصورة مستمرة)، أو الخلاطات الساكنة، أو خلاطات الدوار والعضو الثابت في تفاعلات الترسيب. ويحد التوزيع غير المتجانس لقدرة الخلط وطاقته ضمن حجم العملية من جودة الجسيمات النانوية المُخلَّقة. ويزداد هذا العيب مع زيادة حجم المفاعل. وتؤدي تقنية الخلط المتقدمة والتحكم الجيد في المعلمات المؤثرة إلى جسيمات أصغر وتجانس أفضل للجسيمات.

يؤدي استخدام النفاثات المتصادمة أو خلاطات القنوات الدقيقة أو مفاعل Taylor-Couette إلى تحسين شدة الخلط وتجانسه. وينتج عن ذلك تقصير أزمنة الخلط. ومع ذلك، فإن إمكانات توسيع النطاق لهذه الطرق محدودة.

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية خلط متقدمة توفر قصًا أعلى وطاقة تقليب أكبر دون قيود على توسيع النطاق. كما تتيح التحكم بصورة مستقلة في المعلمات الحاكمة، مثل القدرة المدخلة وتصميم المفاعل وزمن المكوث وتركيز الجسيمات أو المواد المتفاعلة. ويُحدث التجويف بالموجات فوق الصوتية خلطًا دقيقًا مكثفًا ويبدد قدرة عالية موضعيًا.

ترسيب جسيمات المغنيتيت النانوية

أثبت Banert et al. (2006) في ICVT (TU Clausthal) تطبيق المعالجة بالموجات فوق الصوتية في ترسيب جسيمات المغنيتيت النانوية. واستخدم Banert مفاعلًا كيميائيًا محسنًا يعمل بالموجات فوق الصوتية (الصورة على اليمين، التغذية 1: محلول الحديد، التغذية 2: عامل الترسيب، انقر لعرض صورة أكبر!) لإنتاج جسيمات المغنيتيت النانوية “بالترسيب المشترك لمحلول مائي من كلوريد الحديد(III) سداسي الهيدرات وكبريتات الحديد(II) سباعية الهيدرات بنسبة مولية Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. ونظرًا إلى أهمية الخلط الأولي الهيدروديناميكي والخلط على النطاق الكبير وإسهامهما في الخلط الدقيق بالموجات فوق الصوتية، فإن هندسة المفاعل ومواضع أنابيب التغذية عوامل مهمة تتحكم في نتيجة العملية. وفي عملهم، قارن Banert et al. بين تصاميم مختلفة للمفاعل. ويمكن لتصميم محسن لحجرة المفاعل أن يخفض الطاقة النوعية المطلوبة إلى خُمس قيمتها.

يُرسَّب محلول الحديد باستخدام هيدروكسيد الأمونيوم المركز وهيدروكسيد الصوديوم، على التوالي. ولتجنب أي تدرج في الأس الهيدروجيني، يجب ضخ عامل الترسيب بكمية فائضة. وقد قيس توزيع أحجام جسيمات المغنيتيت باستخدام مطيافية ارتباط الفوتونات (PCS، Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

دون المعالجة بالموجات فوق الصوتية، أُنتجت جسيمات بمتوسط حجم قدره 45nm باستخدام الخلط الهيدروديناميكي وحده. وخفض الخلط بالموجات فوق الصوتية حجم الجسيمات الناتجة إلى 10nm وأقل. ويوضح الرسم أدناه توزيع أحجام جسيمات Fe₃O₄ المتولدة في تفاعل ترسيب مستمر بالموجات فوق الصوتية (Banert et al., 2004).

يوضح الرسم التالي (Banert et al., 2006) حجم الجسيمات بدلالة الطاقة النوعية المدخلة.

“يمكن تقسيم المخطط إلى ثلاثة أنظمة رئيسية. عند قيم أقل من نحو 1000 kJ/kg_Fe3O4 يتحكم التأثير الهيدروديناميكي في الخلط. ويبلغ حجم الجسيمات نحو 40–50 nm. وعند قيم أعلى من 1000 kJ/kg، يصبح تأثير الخلط بالموجات فوق الصوتية ظاهرًا. وينخفض حجم الجسيمات إلى أقل من 10 nm. ومع زيادة القدرة النوعية المدخلة، يبقى حجم الجسيمات ضمن رتبة المقدار نفسها. وتكون عملية الخلط أثناء الترسيب سريعة بما يكفي لإتاحة التنوي المتجانس.”

---

المؤلفات / المراجع

• Banert, T., Horst, C., Kunz, U., Peuker, U. A. (2004): Kontinuierliche Fällung im Ultraschalldurchflußreaktor am Beispiel von Eisen-(II,III) Oxid, ICVT, TU-Clausthal, Poster presented at GVC Annual Meeting 2004.
• Banert, T., Brenner, G., Peuker, U. A.(2006): Operating parameters of a continuous sono-chemical precipitation reactor. Proc. 5. WCPT, Orlando Fl., 23.-27. April 2006.
• Priyanka Roy, Nandini Das (2017): Ultrasonic assisted synthesis of Bikitaite zeolite: A potential material for hydrogen storage application. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 36, 2017. 466-473.
• Szabados, Márton; Ádám, Adél Anna; Kónya, Zoltán; Kukovecz, Ákos; Carlson, Stefan; Sipos, Pál; Pálinkó, István (2019): Effects of ultrasonic irradiation on the synthesis, crystallization, thermal and dissolution behaviour of chloride-intercalated, co-precipitated CaFe-layered double hydroxide. Ultrasonics Sonochemistry 2019.