Ultraheli sadestamisprotsess

Osakesi, nt nanoosakesi, saab vedelikes luua alt üles sadestamise teel. Selle protsessi käigus hakkab üleküllastunud segu moodustama tahkeid osakesi kõrge kontsentratsiooniga materjalist, mis kasvavad ja lõpuks sadestuvad. Osakeste/kristallide suuruse ja morfoloogia kontrollimiseks on oluline kontrollida sadestamist mõjutavaid tegureid.

Sadestamisprotsessi taust

Viimastel aastatel on nanoosakesed omandanud tähtsuse paljudes valdkondades, näiteks pinnakatetes, polümeerides, tindides, farmaatsiatoodetes või elektroonikas. Üks oluline nanomaterjalide kasutamist mõjutav tegur on nanomaterjalide maksumus. Seetõttu on vaja kuluefektiivseid viise nanomaterjalide tootmiseks suurtes kogustes. Kui sellised protsessid nagu emulgeerimine ja peenestamine on ülalt alla protsessid, siis sadestamine on alt üles protsess nanosuuruses osakeste sünteesiks vedelikest. Sadestamine hõlmab järgmist:

• vähemalt kahe vedeliku segamine
• üleküllastumine
• tuumestumine
• osakeste kasv
• aglomeratsioon (tavaliselt välditakse madala tahkete osakeste kontsentratsiooni või stabiliseerivate ainete abil)

Sadestamise segamine

Segamine on sadestamisel oluline etapp, kuna enamiku sadestusprotsesside puhul on keemilise reaktsiooni kiirus väga suur. Sadestusreaktsioonide jaoks kasutatakse tavaliselt segamismahuteid (perioodilisi või pidevaid), staatilisi või rootor-stator segisteid. Segamisvõimsuse ja -energia ebaühtlane jaotus protsessimahu ulatuses piirab sünteesitud nanoosakeste kvaliteeti. See puudus suureneb reaktori mahu kasvades. Täiustatud segamistehnoloogia ja mõjutavate parameetrite hea kontroll annavad väiksemaid osakesi ja parema osakeste homogeensuse.

Survejugade, mikrokanalsegistite või Taylor-Couette’i reaktori kasutamine parandab segamise intensiivsust ja homogeensust. See toob kaasa lühemad segamisajad. Siiski on nende meetodite skaleerimispotentsiaal piiratud.

Ultraheli töötlus (sonikeerimine) on täiustatud segamistehnoloogia, mis tagab suurema nihke- ja segamisenergia ilma skaleerimispiiranguteta. See võimaldab ka juhtida määravaid parameetreid, nagu võimsussisend, reaktori konstruktsioon, viibeaeg, osakeste või reagendi kontsentratsioon, üksteisest sõltumatult. Ultraheli kavitatsioon tekitab intensiivset mikrosegamist ja hajutab suure võimsuse lokaalselt.

Magnetiitnanoosakeste sadestamine

Ultraheli töötluse (sonikeerimise) rakendamist sadestamisel demonstreerisid ICVT-s (TU Clausthal) Banert et al. (2006) magnetiitnanoosakeste puhul. Banert kasutas optimeeritud sonokeemilist reaktorit (parempoolne pilt, sisend 1: raualahus, sisend 2: sadestaja, Klõpsake suurema vaate nägemiseks!), et toota magnetiitnanoosakesi “raud(III)kloriidheksahüdraadi ja raud(II)sulfaatheptahüdraadi vesilahuse koossadestamise teel moolsuhtega Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Kuna hüdrodünaamiline eelsegamine ja makrosegamine on olulised ning aitavad kaasa ultraheli mikrosegamisele, on reaktori geomeetria ja toitetorude asukoht protsessi tulemust määravad olulised tegurid. Oma töös Banert et al. võrdlesid erinevaid reaktori konstruktsioone. Reaktorikambri täiustatud konstruktsioon võib vähendada vajalikku erienergiat viiekordselt.

Raualahus sadestatakse vastavalt kontsentreeritud ammooniumhüdroksiidi ja naatriumhüdroksiidiga. Mis tahes pH gradiendi vältimiseks tuleb sadestajat pumbata ülemäära. Magnetiidi osakeste suurusjaotust mõõdeti footonkorrelatsioonspektroskoopia abil (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Ilma ultraheli töötluseta (sonikeerimiseta) tekkisid ainult hüdrodünaamilise segamise teel osakesed keskmise osakeste suurusega 45nm. Ultraheli segamine vähendas saadud osakeste suuruse 10nm-ni ja alla selle. Allolev graafik näitab Fe₃O₄ osakeste suurusjaotust pidevas ultraheli sadestamisreaktsioonis (Banert et al., 2004).

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

“Diagrammi saab jaotada kolmeks põhiliseks režiimiks. Alla ligikaudu 1000 kJ/kg_Fe3O4 on segamist kontrollivaks teguriks hüdrodünaamiline efekt. Osakeste suurus on umbes 40-50 nm. Üle 1000 kJ/kg muutub ultraheli segamise mõju nähtavaks. Osakeste suurus väheneb alla 10 nm. Erivõimsuse sisendi edasisel suurendamisel jääb osakeste suurus samasse suurusjärku. Sadestamise segamisprotsess on piisavalt kiire, et võimaldada homogeenset tuumestumist.”

---

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.