Ultrasəs ilə çökdürmə prosesi

Hissəciklər, məsələn, nanohissəciklər mayelərdə çökdürmə vasitəsilə aşağıdan yuxarıya üsulla yaradıla bilər. Bu prosesdə ifrat doymuş qarışıq yüksək konsentrasiyalı maddədən böyüyərək sonda çökəcək bərk hissəciklər əmələ gətirməyə başlayır. Hissəciklərin/kristalların ölçüsünü və morfologiyasını idarə etmək üçün çökdürməyə təsir edən amillərə nəzarət vacibdir.

Çökdürmə prosesi haqqında ümumi məlumat

Son illərdə nanohissəciklər örtüklər, polimerlər, mürəkkəblər, əczaçılıq və ya elektronika kimi bir çox sahədə əhəmiyyət qazanmışdır. Nanomaterialların istifadəsinə təsir edən mühüm amillərdən biri onların maya dəyəridir. Buna görə də nanomaterialların böyük miqdarda istehsalı üçün iqtisadi cəhətdən səmərəli üsullar tələb olunur. Məsələn, emulsiyalaşdırma və xırdalama kimi proseslər yuxarıdan aşağıya proseslər olduğu halda, çökdürmə mayelərdən nanoölçülü hissəciklərin sintezi üçün aşağıdan yuxarıya prosesdir. Çökdürmə aşağıdakı mərhələləri əhatə edir:

• Ən azı iki mayenin qarışdırılması
• İfrat doyma
• Nüvələşmə
• Hissəciklərin böyüməsi
• Aqlomerasiya (adətən bərk maddənin konsentrasiyasını aşağı saxlamaqla və ya stabilləşdirici maddələr vasitəsilə qarşısı alınır)

Çökdürmə zamanı qarışdırma

Qarışdırma çökdürmənin vacib mərhələsidir, çünki əksər çökdürmə proseslərində kimyəvi reaksiyanın sürəti çox yüksəkdir. Çökdürmə reaksiyaları üçün adətən qarışdırıcılı çən reaktorları (dövri və ya fasiləsiz), statik və ya rotor-stator qarışdırıcıları istifadə olunur. Qarışdırma gücünün və enerjisinin prosesin aparıldığı həcmdə qeyri-bircins paylanması sintez olunan nanohissəciklərin keyfiyyətini məhdudlaşdırır. Reaktorun həcmi artdıqca bu çatışmazlıq daha da güclənir. Qabaqcıl qarışdırma texnologiyası və təsiredici parametrlərə yaxşı nəzarət daha kiçik hissəciklərin alınmasına və hissəciklərin daha yüksək bircinsliyinə gətirib çıxarır.

Toqquşan şırnaqların, mikrokanallı qarışdırıcıların və ya Taylor-Couette reaktorunun tətbiqi qarışdırmanın intensivliyini və bircinsliyini artırır. Bu, qarışdırma müddətini qısaldır. Bununla belə, bu üsulların miqyasının böyüdülməsi imkanları məhduddur.

Ultrasəs ilə emal miqyasın böyüdülməsinə məhdudiyyət qoymadan daha yüksək kəsilmə təsiri və qarışdırma enerjisi təmin edən qabaqcıl qarışdırma texnologiyasıdır. Bu texnologiya həmçinin daxil edilən güc, reaktorun konstruksiyası, qalma müddəti, hissəciklərin və ya reagentlərin konsentrasiyası kimi prosesi müəyyən edən parametrləri bir-birindən asılı olmayaraq idarə etməyə imkan verir. Ultrasəs kavitasiyası intensiv mikroqarışdırma yaradır və lokal olaraq yüksək güc dissipasiya edir.

Maqnetit nanohissəciklərinin çökdürülməsi

Ultrasəs ilə emalın çökdürmədə tətbiqi ICVT-də (TU Clausthal) Banert və b. (2006) tərəfindən maqnetit nanohissəcikləri üçün nümayiş etdirilmişdir. Banert optimallaşdırılmış sonokimyəvi reaktordan (sağdakı şəkil, qidalandırma 1: dəmir məhlulu, qidalandırma 2: çökdürücü maddə, Daha böyük görünüş üçün klikləyin!) istifadə edərək maqnetit nanohissəciklərini “dəmir(III) xlorid heksahidrat və dəmir(II) sulfat heptahidratın sulu məhlulunun Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1 mol nisbətində birgə çökdürülməsi yolu ilə istehsal etmişdir. Hidrodinamik ilkin qarışdırma və makroqarışdırma mühüm olduğundan və ultrasəs mikroqarışdırmasına töhfə verdiyindən, reaktorun həndəsəsi və qidalandırma borularının yerləşməsi prosesin nəticəsini müəyyən edən mühüm amillərdir. Öz işlərində Banert və b. müxtəlif reaktor konstruksiyalarını müqayisə etmişlər. Reaktor kamerasının təkmilləşdirilmiş konstruksiyası tələb olunan xüsusi enerjini beş dəfə azalda bilər.

Dəmir məhlulu müvafiq olaraq qatı ammonium hidroksid və natrium hidroksid ilə çökdürülür. Hər hansı pH qradiyentinin qarşısını almaq üçün çökdürücü maddə nasosla artıq miqdarda verilməlidir. Maqnetit hissəciklərinin ölçü paylanması foton korrelyasiya spektroskopiyası ilə ölçülmüşdür (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Ultrasəs ilə emal olmadan, yalnız hidrodinamik qarışdırma vasitəsilə orta ölçüsü 45nm olan hissəciklər alınmışdır. Ultrasəs ilə qarışdırma nəticəsində alınan hissəciklərin ölçüsü 10nm və daha aşağı səviyyəyə enmişdir. Aşağıdakı qrafik fasiləsiz ultrasəs ilə çökdürmə reaksiyasında əmələ gələn Fe₃O₄ hissəciklərinin ölçü paylanmasını göstərir (Banert və b., 2004).

Növbəti qrafik (Banert və b., 2006) hissəcik ölçüsünün daxil edilən xüsusi enerjidən asılılığını göstərir.

“Diaqram üç əsas rejimə bölünə bilər. Təxminən 1000 kJ/kg_Fe3O4 səviyyəsindən aşağıda qarışdırma hidrodinamik təsirlə idarə olunur. Hissəciklərin ölçüsü təxminən 40–50 nm təşkil edir. 1000 kJ/kg səviyyəsindən yuxarıda ultrasəs ilə qarışdırmanın təsiri nəzərə çarpır. Hissəciklərin ölçüsü 10 nm-dən aşağı enir. Daxil edilən xüsusi güc daha da artırıldıqda hissəciklərin ölçüsü eyni böyüklük tərtibində qalır. Çökdürmə zamanı qarışdırma prosesi bircins nüvələşməyə imkan verəcək qədər sürətlidir.”

---

Ədəbiyyat / İstinadlar

• 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.