Ултразвуков процес на утаяване

Частици, например наночастици, могат да се генерират отдолу нагоре в течности чрез утаяване. В този процес пренаситена смес започва да образува твърди частици от силно концентрирания материал, които ще растат и накрая ще се утаят. За да се контролира размерът и морфологията на частиците/кристалите, контролът върху факторите, влияещи на утаяването, е от съществено значение.

Фон на процеса на валежи

През последните години наночастиците придобиха значение в много области, като покрития, полимери, мастила, фармацевтични продукти или електроника. Един важен фактор, влияещ върху използването на наноматериали, е цената на наноматериалите. Поради това са необходими рентабилни начини за производство на наноматериали в насипни количества. Докато процесите, като емулгиране и обработката на стриване са Процеси отгоре надолу, утаяването е процес отдолу нагоре за синтез на наноразмерни частици от течности. Валежите включват:

• Смесване на най-малко две течности
• Пренасищане
• Нуклеация
• Растеж на частиците
• Агломерация (обикновено се избягва чрез ниска концентрация на твърдо вещество или чрез стабилизиращи агенти)

Смесване на валежи

Смесването е съществена стъпка в утаяването, тъй като при повечето процеси на утаяване, скоростта на химическата реакция е много висока. Обикновено за реакции на утаяване се използват реактори с разбъркване (партидни или непрекъснати), статични или роторно-статорни смесители. Нехомогенното разпределение на мощността и енергията на смесване в обема на процеса ограничава качеството на синтезираните наночастици. Този недостатък се увеличава с увеличаване на обема на реактора. Усъвършенстваната технология за смесване и добрият контрол върху влияещите параметри водят до по-малки частици и по-добра хомогенност на частиците.

Прилагането на ударни струи, микроканални смесители или използването на реактор на Тейлър-Кует подобряват интензивността и хомогенността на смесването. Това води до по-кратко време за смесване. И все пак тези методи са ограничени, потенциалът им да бъде разширен.

Ултразвукът е усъвършенствана технология за смесване, осигуряваща по-висока енергия на срязване и разбъркване без ограничения за мащабиране. Той също така позволява да се контролират независимо управляващите параметри, като входяща мощност, дизайн на реактора, време на престой, концентрация на частици или реагенти. Ултразвуковата кавитация предизвиква интензивно микросмесване и разсейва висока мощност локално.

Утаяване на магнетитни наночастици

Прилагането на ултразвука върху утаяването е демонстрирано в ICVT (TU Clausthal) чрез Banert et al. (2006) за магнетитни наночастици. Банерт използва оптимизиран сонохимичен реактор (дясна снимка, подаване 1: железен разтвор, подаване 2: утаяващ агент, Кликнете за по-голям изглед!) за производство на магнетитни наночастици “чрез съвместно утаяване на воден разтвор на железен (III) хлорид хексахидрат и железен (II) сулфатен хептахидрат с моларно съотношение на Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Тъй като хидродинамичното предварително смесване и макро смесването са важни и допринасят за ултразвуковото микросмесване, геометрията на реактора и позицията на захранващите тръби са важни фактори, определящи резултата от процеса. В работата си, Banert et al. сравни различни конструкции на реактори. Подобреният дизайн на камерата на реактора може да намали необходимата специфична енергия с пет пъти.

Железният разтвор се утаява съответно с концентриран амониев хидроксид и натриев хидроксид. За да се избегне градиент на pH, утаителят трябва да се изпомпва в излишък. Разпределението на частиците по размер на магнетита е измерено с помощта на фотонна корелационна спектроскопия (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Без ултразвук частици със среден размер на частиците от 45 nm се получават само чрез хидродинамично смесване. Ултразвуковото смесване намалява получения размер на частиците до 10 nm и по-малко. Графиката по-долу показва разпределението на размера на частиците на Fe₃O₄ частици, генерирани при непрекъсната ултразвукова реакция на утаяване (Banert et al., 2004).

Следващата графика (Banert et al., 2006) показва размера на частиците като функция на специфичната входяща енергия.

“Диаграмата може да бъде разделена на три основни режима. Под около 1000 kJ/kg_Fe3O4 смесването се контролира от хидродинамичния ефект. Размерът на частиците е около 40-50 nm. Над 1000 kJ/kg ефектът на ултразвуковото смесване става видим. Размерът на частиците намалява под 10 nm. При по-нататъшно увеличаване на специфичната входяща мощност размерът на частиците остава в същия порядък. Процесът на утаечно смесване е достатъчно бърз, за да позволи хомогенно зародишообразуване.”

---

Литература / Препратки

• 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.