Διαδικασία καθίζησης υπερήχων

Σωματίδια, π.χ. νανοσωματίδια μπορούν να παραχθούν από κάτω προς τα πάνω σε υγρά μέσω καθίζησης. Σε αυτή τη διαδικασία, ένα υπερκορεσμένο μίγμα αρχίζει να σχηματίζει στερεά σωματίδια από το εξαιρετικά συμπυκνωμένο υλικό που θα αναπτυχθεί και τελικά θα κατακρημνιστεί. Προκειμένου να ελεγχθεί το μέγεθος και η μορφολογία των σωματιδίων/κρυστάλλων, ο έλεγχος των παραγόντων που επηρεάζουν τις βροχοπτώσεις είναι απαραίτητος.

Ιστορικό διαδικασίας βροχόπτωσης

Τα τελευταία χρόνια, τα νανοσωματίδια απέκτησαν σημασία σε πολλούς τομείς, όπως οι επιστρώσεις, τα πολυμερή, τα μελάνια, τα φαρμακευτικά ή τα ηλεκτρονικά. Ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει τη χρήση νανοϋλικών είναι το κόστος των νανοϋλικών. Ως εκ τούτου, απαιτούνται οικονομικά αποδοτικοί τρόποι παραγωγής νανοϋλικών σε μεγάλες ποσότητες. Ενώ οι διαδικασίες, όπως Γαλακτωματοποίησης και η επεξεργασία μείωσης μεγέθους είναι Διαδικασίες από πάνω προς τα κάτω, η καθίζηση είναι μια διαδικασία από κάτω προς τα πάνω για τη σύνθεση σωματιδίων νανομεγέθους από υγρά. Η βροχόπτωση περιλαμβάνει:

• Ανάμιξη τουλάχιστον δύο υγρών
• υπερκορεσμός
• πυρήνωση
• Ανάπτυξη σωματιδίων
• Συσσωμάτωση (Συνήθως αποφεύγεται λόγω χαμηλής συγκέντρωσης στερεών ή σταθεροποιητικών παραγόντων)

Ανάμιξη βροχοπτώσεων

Η ανάμιξη είναι ένα ουσιαστικό βήμα στην καθίζηση, καθώς για τις περισσότερες διαδικασίες καθίζησης, η ταχύτητα της χημικής αντίδρασης είναι πολύ υψηλή. Συνήθως, για αντιδράσεις καθίζησης χρησιμοποιούνται αναδευόμενοι αντιδραστήρες δεξαμενών (κατά παρτίδες ή συνεχείς), στατικοί αναμικτήρες ή αναμικτήρες ρότορα-στάτορα. Η ανομοιογενής κατανομή της ισχύος ανάμειξης και της ενέργειας εντός του όγκου της διεργασίας περιορίζει την ποιότητα των συνθετικών νανοσωματιδίων. Αυτό το μειονέκτημα αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο όγκος του αντιδραστήρα. Η προηγμένη τεχνολογία ανάμειξης και ο καλός έλεγχος των παραμέτρων που επηρεάζουν έχουν ως αποτέλεσμα μικρότερα σωματίδια και καλύτερη ομοιογένεια σωματιδίων.

Η εφαρμογή πίδακες πρόσκρουσης, αναμικτήρες μικροκαναλιών ή η χρήση αντιδραστήρα Taylor-Couette βελτιώνουν την ένταση και την ομοιογένεια ανάμιξης. Αυτό οδηγεί σε μικρότερους χρόνους ανάμιξης. Ωστόσο, αυτές οι μέθοδοι είναι περιορισμένες και έχουν τη δυνατότητα να κλιμακωθούν.

Υπερήχους είναι μια προηγμένη τεχνολογία ανάμειξης που παρέχει υψηλότερη διάτμηση και ανάδευση ενέργειας χωρίς περιορισμούς κλιμάκωσης. Επιτρέπει επίσης τον έλεγχο των παραμέτρων διακυβέρνησης, όπως η είσοδος ισχύος, ο σχεδιασμός του αντιδραστήρα, ο χρόνος παραμονής, η συγκέντρωση σωματιδίων ή αντιδραστηρίων ανεξάρτητα. Η υπερηχητική σπηλαίωση προκαλεί έντονη μικρο ανάμειξη και διαχέει υψηλή ισχύ τοπικά.

Κατακρήμνιση νανοσωματιδίων μαγνητίτη

Η εφαρμογή της υπερήχων στην βροχόπτωση αποδείχθηκε στο ICVT (TU Clausthal) από Banert κ.ά. (2006) για νανοσωματίδια μαγνητίτη. Ο Banert χρησιμοποίησε έναν βελτιστοποιημένο sono-χημικό αντιδραστήρα (δεξιά εικόνα, τροφοδοσία 1: διάλυμα σιδήρου, τροφοδοσία 2: παράγοντας καθίζησης, Κάντε κλικ για μεγέθυνση!) για την παραγωγή νανοσωματιδίων μαγνητίτη “με συνκαταβύθιση υδατικού διαλύματος εξαένυδρου χλωριούχου σιδήρου(III) και επταένυδρου θειικού σιδήρου(II) με μοριακή αναλογία Fe³⁺/Φε²⁺ = 2:1. Καθώς η υδροδυναμική προ-ανάμιξη και η μακρο ανάμιξη είναι σημαντικές και συμβάλλουν στην υπερηχητική μικρο ανάμειξη, η γεωμετρία του αντιδραστήρα και η θέση των σωλήνων τροφοδοσίας είναι σημαντικοί παράγοντες που διέπουν το αποτέλεσμα της διαδικασίας. Στο έργο τους, Banert κ.ά. συγκρίνει διαφορετικά σχέδια αντιδραστήρων. Ένας βελτιωμένος σχεδιασμός του θαλάμου του αντιδραστήρα μπορεί να μειώσει την απαιτούμενη ειδική ενέργεια κατά πέντε φορές.

Το διάλυμα σιδήρου καταβυθίζεται με πυκνό υδροξείδιο του αμμωνίου και υδροξείδιο του νατρίου αντίστοιχα. Προκειμένου να αποφευχθεί οποιαδήποτε κλίση του pH, το ίζημα πρέπει να αντλείται υπερβολικά. Η κατανομή μεγέθους σωματιδίων του μαγνητίτη έχει μετρηθεί χρησιμοποιώντας φασματοσκοπία συσχέτισης φωτονίων (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Είδους).”

Χωρίς υπερήχους, σωματίδια μέσου μεγέθους σωματιδίων 45nm παρήχθησαν μόνο από την υδροδυναμική ανάμειξη. Υπερήχων ανάμειξη μείωσε το προκύπτον μέγεθος σωματιδίων σε 10nm και λιγότερο. Το παρακάτω γράφημα δείχνει την κατανομή μεγέθους σωματιδίων του Fe₃O₄ σωματίδια που παράγονται σε μια συνεχή αντίδραση υπερήχων κατακρήμνισης (Banert κ.ά., 2004).

Το επόμενο γραφικό (Banert κ.ά., 2006) δείχνει το μέγεθος των σωματιδίων ως συνάρτηση της ειδικής εισερχόμενης ενέργειας.

“Το διάγραμμα μπορεί να χωριστεί σε τρία κύρια καθεστώτα. Κάτω από περίπου 1000 kJ/kg_Φε3Ο4 η ανάμιξη ελέγχεται από το υδροδυναμικό φαινόμενο. Το μέγεθος των σωματιδίων ανέρχεται σε περίπου 40-50 nm. Πάνω από τα 1000 kJ/kg γίνεται ορατή η επίδραση της ανάμιξης με υπερήχους. Το μέγεθος των σωματιδίων μειώνεται κάτω από 10 nm. Με περαιτέρω αύξηση της ειδικής ισχύος εισόδου το μέγεθος των σωματιδίων παραμένει στην ίδια τάξη μεγέθους. Η διαδικασία ανάμιξης με κατακρήμνιση είναι αρκετά γρήγορη ώστε να επιτρέπει την ομοιογενή πυρηνοποίηση.”

---

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.