عملية هطول الأمطار بالموجات فوق الصوتية

الجسيمات ، على سبيل المثال الجسيمات النانوية يمكن أن تتولد من أسفل إلى أعلى في السوائل عن طريق هطول الأمطار. في هذه العملية، يبدأ خليط فائق التشبع في تكوين جسيمات صلبة من المادة عالية التركيز التي تنمو وتترسب في النهاية. من أجل التحكم في حجم الجسيمات / البلورات والتشكل ، من الضروري التحكم في العوامل المؤثرة على هطول الأمطار.

خلفية عملية هطول الأمطار

خلال السنوات الأخيرة ، اكتسبت الجسيمات النانوية أهمية في العديد من المجالات ، مثل الطلاء أو البوليمرات أو الأحبار أو الأدوية أو الإلكترونيات. أحد العوامل المهمة التي تؤثر على استخدام المواد النانوية هو تكلفة المواد النانوية. لذلك ، هناك حاجة إلى طرق فعالة من حيث التكلفة لتصنيع المواد النانوية بكميات كبيرة. في حين أن العمليات ، مثل الاستحلاب ومعالجة الاتصال هي العمليات من أعلى إلى أسفل، الترسيب هو عملية من أسفل إلى أعلى لتخليق جزيئات بحجم النانو من السوائل. يشمل هطول الأمطار:

• خلط سائلين على الأقل
• فرط التشبع
• التنوي
• نمو الجسيمات
• التكتل (عادة ما يتم تجنبه عن طريق التركيز الصلب المنخفض أو عن طريق عوامل التثبيت)

خلط الترسيب

يعد الخلط خطوة أساسية في هطول الأمطار ، كما هو الحال بالنسبة لمعظم عمليات هطول الأمطار ، فإن سرعة التفاعل الكيميائي عالية جدا. بشكل عام ، يتم استخدام مفاعلات الخزانات المقلوبة (دفعة أو مستمرة) أو الخلاطات الثابتة أو الدوارة الثابتة لتفاعلات الترسيب. التوزيع غير المتجانس لقوة الخلط والطاقة داخل حجم العملية يحد من جودة الجسيمات النانوية المركبة. يزداد هذا العيب مع زيادة حجم المفاعل. تؤدي تقنية الخلط المتقدمة والتحكم الجيد في المعلمات المؤثرة إلى جزيئات أصغر وتجانس أفضل للجسيمات.

يؤدي تطبيق نفاثات الاصطدام أو خلاطات القنوات الدقيقة أو استخدام مفاعل Taylor-Couette إلى تحسين كثافة الخلط والتجانس. هذا يؤدي إلى أوقات خلط أقصر. ومع ذلك ، فإن هذه الأساليب محدودة بحيث يمكن توسيع نطاقها.

Ultrasonication هي تقنية خلط متقدمة توفر طاقة قص وتحريك أعلى دون قيود على التوسع. كما يسمح بالتحكم في المعلمات الحاكمة ، مثل مدخلات الطاقة أو تصميم المفاعل أو وقت الإقامة أو الجسيمات أو تركيز المواد المتفاعلة بشكل مستقل. يحفز التجويف بالموجات فوق الصوتية الخلط الدقيق المكثف ويبدد الطاقة العالية محليا.

المغنتيت الجسيمات النانوية هطول الأمطار

تم إثبات تطبيق الموجات فوق الصوتية على هطول الأمطار في ICVT (TU Clausthal) بواسطة بانيرت وآخرون (2006) للجسيمات النانوية المغنتيت. استخدم Banert مفاعل سونوكيميائي محسن (الصورة اليمنى ، التغذية 1: محلول الحديد ، التغذية 2: عامل الترسيب ، انقر للحصول على عرض أكبر!) لإنتاج جسيمات المغنتيت النانوية “عن طريق الترسيب المشترك لمحلول مائي من سداسي هيدرات كلوريد الحديد الثلاثي وسباعي هيدرات كبريتات الحديد الثنائي مع النسبة المولية من الحديد³⁺/في²⁺ = 2: 1. نظرا لأن الخلط الهيدروديناميكي المسبق والخلط الكلي مهمان ويساهمان في الخلط الدقيق بالموجات فوق الصوتية ، فإن هندسة المفاعل وموضع أنابيب التغذية من العوامل المهمة التي تحكم نتيجة العملية. في عملهم، بانرت وآخرون. مقارنة تصاميم المفاعلات المختلفة. يمكن أن يقلل التصميم المحسن لغرفة المفاعل من الطاقة المحددة المطلوبة بعامل خمسة.

يترسب محلول الحديد بهيدروكسيد الأمونيوم المركز وهيدروكسيد الصوديوم على الترتيب. لتجنب أي تدرج في الأس الهيدروجيني ، يجب ضخ المرسب بشكل زائد. تم قياس توزيع حجم جسيمات المغنتيت باستخدام التحليل الطيفي لارتباط الفوتون (PCS, مالفيرن نانو سيزر ZS ، شركة مالفيرن).”

بدون الموجات فوق الصوتية ، تم إنتاج جزيئات متوسط حجم الجسيمات 45 نانومتر عن طريق الخلط الهيدروديناميكي وحده. أدى الخلط بالموجات فوق الصوتية إلى تقليل حجم الجسيمات الناتجة إلى 10 نانومتر وأقل. يوضح الرسم أدناه توزيع حجم الجسيمات ل Fe₃O₄ الجسيمات المتولدة في تفاعل هطول الأمطار بالموجات فوق الصوتية المستمر (بانيرت وآخرون، 2004).

الرسم التالي (بانيرت وآخرون، 2006) حجم الجسيمات كدالة لمدخلات الطاقة المحددة.

“يمكن تقسيم الرسم البياني إلى ثلاثة أنظمة رئيسية. أقل من حوالي 1000 كيلو جول / كجم_Fe3O4 يتم التحكم في الخلط عن طريق التأثير الهيدروديناميكي. حجم الجسيمات يصل إلى حوالي 40-50 نانومتر. فوق 1000 كيلو جول / كجم يصبح تأثير الخلط بالموجات فوق الصوتية مرئيا. ينخفض حجم الجسيمات إلى أقل من 10 نانومتر. مع زيادة إضافية في مدخلات الطاقة المحددة ، يظل حجم الجسيمات بنفس ترتيب الحجم. عملية خلط الترسيب سريعة بما يكفي للسماح بنواة متجانسة.”

---

الأدب / 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.