Ultraheli sademete protsess

Osakesed, nt nanoosakesed, võivad sademete abil vedelikes alt-üles tekkida. Selles protsessis hakkab üleküllastunud segu moodustama väga kontsentreeritud materjalist tahkeid osakesi, mis kasvavad ja lõpuks sadestuvad. Osakeste/kristallide suuruse ja morfoloogia kontrollimiseks on oluline kontrollida sademeid mõjutavaid tegureid.

Sademete protsessi taust

Viimastel aastatel on nanoosakesed muutunud tähtsamaks paljudes valdkondades, nagu pinnakattevahendid, polümeerid, trükivärvid, farmaatsiatooted või elektroonika. Üks oluline nanomaterjalide kasutamist mõjutav tegur on nanomaterjalide maksumus. Seetõttu on vaja kulutõhusaid viise nanomaterjalide tootmiseks lahtistes kogustes. Kuigi protsessid, nagu emulgeerimine ja komminatsiooni töötlemine on ülalt-alla protsessid, on sadestamine alt-üles protsess nanosuuruses osakeste sünteesiks vedelikest. Sademete hulka kuuluvad:

• Vähemalt kahe vedeliku segamine
• üleküllastumine
• tuum
• Osakeste kasv
• Aglomeratsioon (tavaliselt välditakse seda madala tahke aine kontsentratsiooni või stabiliseerivate ainetega)

Sademete segamine

Segamine on sademete oluline samm, kuna enamiku sademete protsesside puhul on keemilise reaktsiooni kiirus väga suur. Tavaliselt kasutatakse sademete reaktsioonideks segatud paagireaktoreid (partii- või pidev), staatilisi või rootor-staatori segisteid. Segamisvõimsuse ja energia mittehomogeenne jaotumine protsessi mahus piirab sünteesitud nanoosakeste kvaliteeti. See puudus suureneb, kui reaktori maht suureneb. Täiustatud segamistehnoloogia ja hea kontroll mõjutavate parameetrite üle annavad tulemuseks väiksemad osakesed ja parema osakeste homogeensuse.

Põrkuvate düüside, mikrokanalite segistite kasutamine või Taylor-Couette'i reaktori kasutamine parandab segamise intensiivsust ja homogeensust. See toob kaasa lühemad segamisajad. Kuid need meetodid on piiratud, et neid saaks laiendada.

Ultraheli on arenenud segamistehnoloogia, mis pakub suuremat nihke- ja segamisenergiat ilma skaala piiranguteta. Samuti võimaldab see sõltumatult kontrollida juhtivaid parameetreid, nagu sisendvõimsus, reaktori konstruktsioon, viibeaeg, osakesed või reaktiivi kontsentratsioon. Ultraheli kavitatsioon indutseerib intensiivset mikro segamist ja hajutab suure võimsuse lokaalselt.

Magnetiidi nanoosakeste sademed

Ultraheli rakendamist sademetele demonstreeriti ICVT-s (TU Clausthal) Banert jt (2006) magnetiidi nanoosakeste jaoks. Banert kasutas optimeeritud sono-keemilist reaktorit (parem pilt, sööt 1: raualahus, sööt 2: sademete aine, Kliki suurema vaate saamiseks!) et toota magnetiidi nanoosakesi “raud(III)kloriidheksahüdraadi ja raud(II)sulfaatheptahüdraadi vesilahuse sadestamise teel, kui molaarsuhe on Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Kuna hüdrodünaamiline eelsegamine ja makro segamine on olulised ja aitavad kaasa ultraheli mikrosegamisele, on reaktori geomeetria ja söötmistoru asukoht olulised tegurid, mis mõjutavad protsessi tulemust. Oma töös Banert et al. võrreldi erinevaid reaktoriprojekte. Reaktorikambri täiustatud konstruktsioon võib vähendada vajalikku spetsiifilist energiat viie korda.

Raua lahus sadestatakse vastavalt kontsentreeritud ammooniumhüdroksiidi ja naatriumhüdroksiidiga. PH-gradiendi vältimiseks tuleb sadet liigselt pumbata. Magnetiidi osakeste suuruse jaotust on mõõdetud footonite korrelatsioonispektroskoopia (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Ilma ultraheliuuringuta toodeti ainuüksi hüdrodünaamilise segamise teel osakesi, mille keskmine osakeste suurus oli 45nm. Ultraheli segamine vähendas saadud osakeste suurust 10nm-ni ja vähem. Alloleval graafikul on näidatud Fe osakeste suuruse jaotus₃O₄ pidevas ultraheli sadestusreaktsioonis tekkinud osakesed (Banert jt, 2004).

Järgmine graafik (Banert jt, 2006) näitab osakeste suurust erienergia sisendi funktsioonina.

“Diagrammi võib jagada kolme põhirežiimi. Alla umbes 1000 kJ/kg_Fe3O4 segunemist kontrollib hüdrodünaamiline efekt. Osakeste suurus on umbes 40-50 nm. Üle 1000 kJ/kg muutub ultraheli segamise mõju nähtavaks. Osakeste suurus väheneb alla 10 nm. Olemasoleva erivõimsuse edasisel suurendamisel jääb osakeste suurus samasse suurusjärku. Sademete sadestamise segamisprotsess on piisavalt kiire, et võimaldada homogeenset nukleatsiooni.”

---

Kirjandus / Viited

• 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.