Процес на ултразвуково утаяване

Частици, например наночастици, могат да се получават в течности чрез утаяване по подхода „отдолу нагоре“. При този процес в преситена смес започват да се образуват твърди частици от материала с висока концентрация, които нарастват и накрая се утаяват. За да се контролират размерът и морфологията на частиците/кристалите, е необходимо да се контролират факторите, влияещи върху утаяването.

Основи на процеса на утаяване

През последните години наночастиците придобиха значение в много области, като покрития, полимери, мастила, фармацевтични продукти и електроника. Един важен фактор, влияещ върху използването на наноматериали, е тяхната цена. Ето защо са необходими икономически ефективни начини за производство на наноматериали в големи количества. Докато процеси като емулгирането и раздробяването са процеси „отгоре надолу“, утаяването е процес „отдолу нагоре“ за синтез на частици с наноразмери от течности. Утаяването включва:

• Смесване на поне две течности
• Пресищане
• Зародишообразуване
• Нарастване на частиците
• Агломерация (обикновено се избягва чрез ниска концентрация на твърдата фаза или чрез стабилизиращи агенти)

Смесване при утаяване

Смесването е съществен етап при утаяването, тъй като при повечето процеси на утаяване скоростта на химичната реакция е много висока. За реакциите на утаяване обикновено се използват резервоарни реактори с разбъркване (периодични или непрекъснати), статични или роторно-статорни смесители. Неравномерното разпределение на мощността и енергията за смесване в работния обем ограничава качеството на синтезираните наночастици. Този недостатък се засилва с увеличаването на обема на реактора. Усъвършенстваната технология за смесване и добрият контрол върху влияещите параметри водят до по-малки частици и по-добра еднородност на частиците.

Прилагането на сблъскващи се струи, микроканални смесители или използването на реактор на Taylor-Couette подобряват интензивността и еднородността на смесването. Това води до по-кратко време за смесване. Възможностите за увеличаване на мащаба на тези методи обаче са ограничени.

Ултразвуковата обработка е усъвършенствана технология за смесване, която осигурява по-интензивно срязване и по-висока енергия за разбъркване без ограничения при увеличаване на мащаба. Тя също така позволява независимо контролиране на определящите параметри, като подадена мощност, конструкция на реактора, време на престой, концентрация на частиците или на реагентите. Ултразвуковата кавитация предизвиква интензивно микросмесване и локално разсейва висока мощност.

Утаяване на магнетитни наночастици

Прилагането на ултразвукова обработка при утаяване е демонстрирано в ICVT (TU Clausthal) от Banert и съавт. (2006) за магнетитни наночастици. Banert използва оптимизиран сонохимичен реактор (изображението вдясно, входящ поток 1: разтвор на желязо, входящ поток 2: утаяващ агент, Щракнете за по-голямо изображение!) за получаване на магнетитните наночастици „чрез съвместно утаяване на воден разтвор на железен(III) хлорид хексахидрат и железен(II) сулфат хептахидрат с моларно съотношение Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Тъй като хидродинамичното предварително смесване и макросмесването са важни и допринасят за ултразвуковото микросмесване, геометрията на реактора и разположението на подаващите тръби са важни фактори, определящи резултата от процеса. В своята работа Banert и съавт. сравняват различни конструкции на реактори. Подобрена конструкция на реакторната камера може да намали необходимата специфична енергия петкратно.

Разтворът на желязо се утаява съответно с концентриран амониев хидроксид и натриев хидроксид. За да се избегне какъвто и да е градиент на pH, утаителят трябва да се подава с помпа в излишък. Разпределението по размер на магнетитните частици е измерено чрез фотонна корелационна спектроскопия (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).“

Без ултразвукова обработка, само чрез хидродинамично смесване, са получени частици със среден размер 45nm. Ултразвуковото смесване намалява размера на получените частици до 10nm и по-малко. Графиката по-долу показва разпределението по размер на частиците от Fe₃O₄ , получени при непрекъсната реакция на ултразвуково утаяване (Banert и съавт., 2004).

Следващата графика (Banert и съавт., 2006) показва размера на частиците като функция на специфичната подадена енергия.

„Диаграмата може да бъде разделена на три основни режима. Под приблизително 1000 kJ/kg_Fe3O4 смесването се определя от хидродинамичния ефект. Размерът на частиците е приблизително 40–50 nm. Над 1000 kJ/kg ефектът на ултразвуковото смесване става видим. Размерът на частиците намалява под 10 nm. При допълнително увеличаване на специфичната подадена мощност размерът на частиците остава в същия порядък. Процесът на смесване при утаяване е достатъчно бърз, за да позволи хомогенно зародишообразуване.“

---

Литература / Източници

• 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.