Ultralyd udfældningsproces

Partikler, f.eks. nanopartikler, kan genereres nedefra og op i væsker ved hjælp af udfældning. I denne proces begynder en overmættet blanding at danne faste partikler ud af det stærkt koncentrerede materiale, der vil vokse og til sidst udfældes. For at kontrollere partikel-/krystalstørrelsen og morfologien er det vigtigt at kontrollere de nedbørspåvirkende faktorer.

Baggrund for nedbørsprocessen

Inden for de seneste år har nanopartikler fået betydning på mange områder, såsom belægninger, polymerer, blæk, lægemidler eller elektronik. En vigtig faktor, der påvirker brugen af nanomaterialer, er omkostningerne ved nanomaterialer. Der er derfor behov for omkostningseffektive måder at fremstille nanomaterialer i store mængder på. Mens processer, som f.eks. emulgering og findelingsbehandling er Top-down processer, er udfældning en bottom-up-proces til syntese af partikler i nanostørrelse fra væsker. Nedbøren omfatter:

• Blanding af mindst to væsker
• overmætning
• Kimdannelse
• Partikelvækst
• Agglomeration (Undgås typisk ved lav koncentration af faste stoffer eller ved stabiliseringsmidler)

Blanding af nedbør

Blandingen er et vigtigt trin i nedbørningen, da hastigheden af den kemiske reaktion for de fleste nedbørsprocesser er meget høj. Almindeligvis bruges omrørte tankreaktorer (batch eller kontinuerlige), statiske eller rotor-statorblandere til udfældningsreaktioner. Den inhomogene fordeling af blandingskraften og energien i procesvolumenet begrænser kvaliteten af de syntetiserede nanopartikler. Denne ulempe øges, når reaktorvolumenet stiger. Avanceret blandingsteknologi og god kontrol over de påvirkende parametre resulterer i mindre partikler og bedre partikelhomogenitet.

Anvendelsen af støddyser, mikrokanalblandere eller brugen af en Taylor-Couette-reaktor forbedrer blandingsintensiteten og homogeniteten. Dette fører til kortere blandingstider. Alligevel er disse metoder begrænset til potentialet til at blive skaleret op.

Ultralydbehandling er en avanceret blandingsteknologi, der giver højere forskydning og omrøring energi uden opskaleringsbegrænsninger. Det gør det også muligt at kontrollere de styrende parametre, såsom strømindgang, reaktordesign, opholdstid, partikel- eller reaktantkoncentration uafhængigt. Ultralydskavitationen inducerer intens mikroblanding og spreder høj effekt lokalt.

Magnetit nanopartikel Udfældning

Anvendelsen af ultralydbehandling på udfældning blev påvist på ICVT (TU Clausthal) ved Banert et al. (2006) for magnetit-nanopartikler. Banert brugte en optimeret sono-kemisk reaktor (højre billede, foder 1: jernopløsning, foder 2: fældningsmiddel, Klik for større visning!) til fremstilling af magnetitnanopartikler “ved samtidig udfældning af en vandig opløsning af jern(III)chloridhexahydrat og jern(II)sulfatheptahydrat med et molært forhold af Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Da hydrodynamisk forblanding og makroblanding er vigtige og bidrager til ultralydsmikroblandingen, er reaktorgeometrien og placeringen af føderørene vigtige faktorer, der styrer procesresultatet. I deres arbejde Banert et al. sammenlignede forskellige reaktordesign. Et forbedret design af reaktorkammeret kan reducere den nødvendige specifikke energi med en faktor på fem.

Jernopløsningen udfældes med henholdsvis koncentreret ammoniumhydroxid og natriumhydroxid. For at undgå enhver pH-gradient skal bundfaldet pumpes for meget. Partikelstørrelsesfordelingen af magnetit er blevet målt ved hjælp af fotonkorrelationsspektroskopi (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Uden ultralydbehandling blev partikler med en gennemsnitlig partikelstørrelse på 45 nm produceret ved den hydrodynamiske blanding alene. Ultralydsblanding reducerede den resulterende partikelstørrelse til 10 nm og mindre. Grafikken nedenfor viser partikelstørrelsesfordelingen af Fe₃O₄ partikler, der genereres i en kontinuerlig ultralydsudfældningsreaktion (Banert et al., 2004).

Den næste grafik (Banert et al., 2006) viser partikelstørrelsen som en funktion af den specifikke energitilførsel.

“Diagrammet kan opdeles i tre hovedregimer. Under ca. 1000 kJ/kg_Fe3O4 Blandingen styres af den hydrodynamiske effekt. Partikelstørrelsen er ca. 40-50 nm. Over 1000 kJ/kg bliver effekten af ultralydsblandingen synlig. Partikelstørrelsen falder til under 10 nm. Med yderligere forøgelse af det specifikke effektinput forbliver partikelstørrelsen i samme størrelsesorden. Udfældningsblandingsprocessen er hurtig nok til at tillade homogen nukleation.”

---

Litteratur / Referencer

• 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.