Proces ultrazvukového srážení

Částice, např. nanočástice, mohou být generovány zdola nahoru v kapalinách pomocí srážení. V tomto procesu začne přesycená směs tvořit pevné částice z vysoce koncentrovaného materiálu, které porostou a nakonec se vysráží. Aby bylo možné kontrolovat velikost a morfologii částic/krystalů, je nezbytná kontrola nad faktory ovlivňujícími srážky.

Pozadí srážecího procesu

Nanočástice v posledních letech získaly na významu v mnoha oborech, jako jsou nátěrové hmoty, polymery, inkousty, léčiva nebo elektronika. Jedním z důležitých faktorů ovlivňujících používání nanomateriálů jsou náklady na nanomateriály. Proto jsou zapotřebí nákladově efektivní způsoby výroby nanomateriálů ve velkých množstvích. Zatímco procesy, jako je Emulgace a zpracování drcení jsou Procesy shora dolůje proces syntézy nanočástic z kapalin zdola nahoru. Srážky zahrnují:

• Smíchání alespoň dvou kapalin
• přesycení
• Nukleace
• Růst částic
• Aglomerace (obvykle se jí zabrání nízkou koncentrací pevných látek nebo stabilizačními činidly)

Míchání srážek

Míchání je nezbytným krokem při srážení, stejně jako u většiny srážecích procesů je rychlost chemické reakce velmi vysoká. Běžně se pro srážecí reakce používají míchané tankové reaktory (vsádkové nebo kontinuální), statické nebo rotor-statorové míchačky. Nehomogenní rozložení směšovací síly a energie v rámci objemu procesu omezuje kvalitu syntetizovaných nanočástic. Tato nevýhoda se zvyšuje se zvětšujícím se objemem reaktoru. Pokročilá technologie míchání a dobrá kontrola nad ovlivňujícími parametry vedou k menším částicím a lepší homogenitě částic.

Intenzita a homogenita se zlepšují použitím impingových trysek, mikrokanálových směšovačů nebo použitím Taylor-Couetteho reaktoru. To vede ke kratším dobám míchání. Tyto metody jsou však omezené, protože jejich potenciál je třeba rozšířit.

Ultrazvuku je pokročilá technologie míchání, která poskytuje vyšší smykovou a míchací energii bez omezení škálování. Umožňuje také nezávisle ovládat rozhodující parametry, jako je příkon, konstrukce reaktoru, doba zdržení, koncentrace částic nebo reaktantů. Ultrazvuková kavitace vyvolává intenzivní mikromíchání a lokálně rozptyluje vysoký výkon.

Srážení nanočástic magnetitu

Aplikace ultrazvuku na srážení byla demonstrována na ICVT (TU Clausthal) Banert et al. (2006) pro nanočástice magnetitu. Banert použil optimalizovaný sono-chemický reaktor (pravý obrázek, vstup 1: roztok železa, vstup 2: srážecí činidlo, Klikněte pro zvětšení!) k výrobě nanočástic magnetitu “spolusrážením vodného roztoku hexahydrátu chloridu železitého a heptahydrátu síranu železnatého s molárním poměrem Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Vzhledem k tomu, že hydrodynamické předmíchání a makro míchání jsou důležité a přispívají k ultrazvukovému mikromíchání, jsou geometrie reaktoru a poloha přívodních trubek důležitými faktory ovlivňujícími výsledek procesu. Ve své práci Banert et al. porovnávali různé konstrukce reaktorů. Vylepšená konstrukce komory reaktoru může snížit potřebnou měrnou energii pětinásobně.

Roztok železa se vysráží koncentrovaným hydroxidem amonným a hydroxidem sodným. Aby se zabránilo jakémukoli gradientu pH, musí být srážedlo čerpáno v nadměrném množství. Distribuce velikosti částic magnetitu byla měřena pomocí fotonové korelační spektroskopie (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Bez ultrazvuku byly částice střední velikosti částic 45 nm produkovány samotným hydrodynamickým mícháním. Ultrazvukové míchání snížilo výslednou velikost částic na 10 nm a méně. Níže uvedený graf ukazuje distribuci velikosti částic Fe₃O₄ částice vznikající při kontinuální ultrazvukové srážecí reakci (Banert et al., 2004).

Další obrázek (Banert et al., 2006) ukazuje velikost částic jako funkci specifického příkonu energie.

“Diagram lze rozdělit do tří hlavních režimů. Pod cca 1000 kJ/kg_Fe3O4 míchání je řízeno hydrodynamickým efektem. Velikost částic je přibližně 40-50 nm. Nad 1000 kJ/kg se projevuje účinek ultrazvukového míchání. Velikost částic klesá pod 10 nm. Při dalším zvyšování měrného příkonu zůstává velikost částic řádově stejná. Proces srážecího míchání je dostatečně rychlý, aby umožnil homogenní nukleaci.”

---

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.