Proces ultrazvučne precipitacije

Čestice, npr. nanočestice mogu se generisati odozdo prema gore u tečnostima pomoću taloženja. U ovom procesu, prezasićena mješavina počinje formirati čvrste čestice iz visoko koncentriranog materijala koji će rasti i konačno se taložiti. Da bi se kontrolisala veličina i morfologija čestica/kristala, neophodna je kontrola nad faktorima koji utiču na padavine.

Pozadina procesa padavina

Poslednjih godina, nanočestice su dobile na značaju u mnogim oblastima, kao što su premazi, polimeri, mastila, farmaceutski proizvodi ili elektronika. Jedan važan faktor koji utiče na upotrebu nanomaterijala je cena nanomaterijala. Stoga su potrebni isplativi načini proizvodnje nanomaterijala u velikim količinama. Dok procesi, kao emulgiranje i usitnjavanje su procesi odozgo prema dolje, precipitacija je proces odozdo prema gore za sintezu čestica nano veličine iz tekućina. Padavine uključuju:

• Mešanje najmanje dve tečnosti
• prezasićenost
• nukleacija
• Rast čestica
• Aglomeracija (obično se izbjegava niskom koncentracijom krutih tvari ili stabilizirajućim agensima)

Precipitation Mixing

Miješanje je bitan korak u taloženju, kao i za većinu taložnih procesa, brzina kemijske reakcije je vrlo velika. Obično se za reakcije taloženja koriste reaktori sa miješanjem (serijski ili kontinuirani), statički ili rotor-statorski mikseri. Nehomogena distribucija snage miješanja i energije unutar zapremine procesa ograničava kvalitet sintetiziranih nanočestica. Ovaj nedostatak se povećava kako se povećava zapremina reaktora. Napredna tehnologija miješanja i dobra kontrola utjecajnih parametara rezultiraju manjim česticama i boljom homogenošću čestica.

Primjena udarnih mlaznica, mikrokanalnih miješalica ili korištenje Taylor-Couette reaktora poboljšavaju intenzitet i homogenost miješanja. To dovodi do kraćeg vremena miješanja. Ipak, ove metode su ograničene potencijalom za povećanje.

Ultrasonication je napredna tehnologija miješanja koja pruža veću energiju smicanja i miješanja bez ograničenja povećanja. Takođe omogućava da se nezavisno kontrolišu glavni parametri, kao što su ulazna snaga, dizajn reaktora, vreme zadržavanja, čestica ili koncentracija reaktanata. Ultrazvučna kavitacija izaziva intenzivno mikro miješanje i lokalno raspršuje veliku snagu.

Precipitacija nanočestica magnetita

Primjena ultrazvučne obrade padavinama demonstrirana je na ICVT-u (TU Clausthal) od strane Banert i dr. (2006) za nanočestice magnetita. Banert je koristio optimizovani sono-hemijski reaktor (desna slika, izvor 1: rastvor gvožđa, napajanje 2: agens za taloženje, Kliknite za veći prikaz!) za proizvodnju nanočestica magnetita “koprecipitacijom vodenog rastvora gvožđe(III)hlorid heksahidrata i gvožđe(II)sulfat heptahidrata sa molarnim odnosom Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Kako su hidrodinamičko prethodno miješanje i makro miješanje važni i doprinose ultrazvučnom mikro miješanju, geometrija reaktora i položaj dovodnih cijevi su važni faktori koji upravljaju rezultatom procesa. u svom radu, Banert i dr. uporedili različite dizajne reaktora. Poboljšani dizajn reaktorske komore može smanjiti potrebnu specifičnu energiju za faktor pet.

Rastvor gvožđa se istaloži koncentrovanim amonijum hidroksidom, odnosno natrijum hidroksidom. Da bi se izbjegao bilo kakav pH gradijent, taložnik se mora pumpati u višku. Raspodjela veličine čestica magnetita je izmjerena pomoću fotonske korelacijske spektroskopije (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Bez ultrazvučne obrade, čestice srednje veličine čestica od 45 nm proizvedene su samo hidrodinamičkim miješanjem. Ultrazvučno miješanje smanjilo je rezultujuću veličinu čestica na 10 nm i manje. Grafik ispod prikazuje raspodjelu veličine čestica Fe₃O₄ čestice nastale u kontinuiranoj reakciji ultrazvučne precipitacije (Banert et al., 2004).

Sljedeća grafika (Banert et al., 2006) prikazuje veličinu čestica kao funkciju specifičnog unosa energije.

“Dijagram se može podijeliti u tri glavna režima. Ispod oko 1000 kJ/kg_Fe3O4 Miješanje je kontrolirano hidrodinamičkim efektom. Veličina čestica iznosi oko 40-50 nm. Iznad 1000 kJ/kg efekat ultrazvučnog miješanja postaje vidljiv. Veličina čestica se smanjuje ispod 10 nm. Sa daljnjim povećanjem specifične ulazne snage, veličina čestica ostaje u istom redoslijedu veličine. Proces miješanja taloženja je dovoljno brz da omogući homogenu nukleaciju.”

---

Literatura / Reference

• 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.