Proceso de precipitación mediante ultrasonidos

Las partículas, por ejemplo las nanopartículas, pueden generarse de abajo arriba en los líquidos mediante precipitación. En este proceso, una mezcla sobresaturada comienza a formar partículas sólidas a partir del material altamente concentrado que crecerán y finalmente precipitarán. Para controlar el tamaño y la morfología de las partículas/cristales, es esencial controlar los factores que influyen en la precipitación.

Proceso de precipitación Antecedentes

En los últimos años, las nanopartículas han cobrado importancia en muchos campos, como los revestimientos, los polímeros, las tintas, los productos farmacéuticos o la electrónica. Un factor importante que influye en el uso de nanomateriales es su coste. Por lo tanto, se necesitan formas rentables de fabricar nanomateriales a granel. Mientras que los procesos Emulsificar y el procesamiento de conminución son procesos descendentesLa precipitación es un proceso ascendente para la síntesis de partículas de tamaño nanométrico a partir de líquidos. La precipitación implica:

• Mezcla de al menos dos líquidos
• supersaturación
• nucleación
• Crecimiento de partículas
• Aglomeración (Normalmente se evita con una baja concentración de sólidos o con agentes estabilizadores)

Mezcla de precipitaciones

La mezcla es un paso esencial en la precipitación, ya que para la mayoría de los procesos de precipitación, la velocidad de la reacción química es muy alta. Para las reacciones de precipitación se suelen utilizar reactores de tanque agitado (discontinuos o continuos), mezcladores estáticos o de rotor-estator. La distribución no homogénea de la potencia y la energía de mezcla en el volumen del proceso limita la calidad de las nanopartículas sintetizadas. Este inconveniente aumenta a medida que se incrementa el volumen del reactor. Una tecnología de mezclado avanzada y un buen control de los parámetros que influyen en el proceso dan como resultado partículas más pequeñas y una mejor homogeneidad de las partículas.

La aplicación de chorros impulsores, mezcladores de microcanales o el uso de un reactor Taylor-Couette mejoran la intensidad y homogeneidad de la mezcla. Esto reduce el tiempo de mezcla. Sin embargo, estos métodos están limitados en cuanto a su potencial de ampliación.

La ultrasonicación es una tecnología de mezcla avanzada que proporciona una mayor energía de cizallamiento y agitación sin limitaciones de escalado. También permite controlar de forma independiente los parámetros determinantes, como la potencia de entrada, el diseño del reactor, el tiempo de residencia, las partículas o la concentración de reactivos. La cavitación ultrasónica induce una intensa micromezcla y disipa localmente una elevada potencia.

Precipitación de nanopartículas de magnetita

La aplicación de ultrasonidos a la precipitación fue demostrada en el ICVT (TU Clausthal) por Banert et al. (2006) para nanopartículas de magnetita. Banert utilizó un reactor sonoquímico optimizado (imagen derecha, alimentación 1: solución de hierro, alimentación 2: agente de precipitación, Haga clic para ampliar la imagen.) para producir las nanopartículas de magnetita “por coprecipitación de una solución acuosa de cloruro de hierro(III)hexahidratado y de sulfato de hierro(II)heptahidratado con una relación molar de Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Como la premezcla hidrodinámica y la macromezcla son importantes y contribuyen a la micromezcla ultrasónica, la geometría del reactor y la posición de los tubos de alimentación son factores importantes que rigen el resultado del proceso. En su trabajo Banert et al. compararon diferentes diseños de reactores. Un diseño mejorado de la cámara del reactor puede reducir la energía específica requerida en un factor de cinco.

La solución de hierro se precipita con hidróxido de amonio concentrado e hidróxido de sodio, respectivamente. Para evitar cualquier gradiente de pH, el precipitante debe bombearse en exceso. La distribución granulométrica de la magnetita se ha medido mediante espectroscopia de correlación de fotones (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Sin ultrasonidos, la mezcla hidrodinámica produjo partículas de un tamaño medio de 45 nm. La mezcla ultrasónica redujo el tamaño de las partículas resultantes a 10 nm o menos. El gráfico siguiente muestra la distribución del tamaño de las partículas de Fe₃O₄ partículas generadas en una reacción de precipitación ultrasónica continua (Banert et al., 2004).

El siguiente gráfico (Banert et al., 2006) muestra el tamaño de las partículas en función del aporte específico de energía.

“El diagrama puede dividirse en tres regímenes principales. Por debajo de unos 1000 kJ/kg_Fe3O4 la mezcla está controlada por el efecto hidrodinámico. El tamaño de las partículas es de unos 40-50 nm. Por encima de 1000 kJ/kg se hace visible el efecto de la mezcla ultrasónica. El tamaño de las partículas disminuye por debajo de 10 nm. Al aumentar la potencia específica de entrada, el tamaño de las partículas se mantiene en el mismo orden de magnitud. El proceso de mezcla por precipitación es lo suficientemente rápido como para permitir una nucleación homogénea.”

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Literatura / Referencias

• 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.