فرایند رسوب‌دهی فراصوتی

ذرات، از جمله نانوذرات، را می‌توان به روش پایین‌به‌بالا و از طریق رسوب‌دهی در مایعات تولید کرد. در این فرایند، مخلوطی فوق‌اشباع شروع به تشکیل ذرات جامد از ماده‌ای با غلظت بسیار بالا می‌کند؛ این ذرات رشد می‌کنند و در نهایت رسوب می‌کنند. برای کنترل اندازه و ریخت‌شناسی ذرات/بلورها، کنترل عوامل مؤثر بر رسوب‌دهی ضروری است.

مبانی فرایند رسوب‌دهی

در سال‌های اخیر، نانوذرات در حوزه‌های بسیاری مانند پوشش‌ها، پلیمرها، جوهرها، داروسازی و الکترونیک اهمیت یافته‌اند. یکی از عوامل مهم مؤثر بر استفاده از نانومواد، هزینهٔ آن‌هاست. بنابراین، روش‌های مقرون‌به‌صرفه‌ای برای تولید نانومواد در مقادیر انبوه مورد نیاز است. در حالی که فرایندهایی مانند امولسیون‌سازی و خردایش، از جملهٔ فرایندهای بالابه‌پایین هستند، رسوب‌دهی فرایندی پایین‌به‌بالا برای سنتز ذرات با ابعاد نانومتری از مایعات است. رسوب‌دهی شامل مراحل زیر است:

• اختلاط دست‌کم دو مایع
• فوق‌اشباع
• جوانه‌زنی
• رشد ذرات
• کلوخه‌شدن (معمولاً با پایین نگه‌داشتن غلظت جامد یا استفاده از عوامل پایدارکننده از آن جلوگیری می‌شود)

اختلاط در رسوب‌دهی

اختلاط مرحله‌ای ضروری در رسوب‌دهی است، زیرا در بیشتر فرایندهای رسوب‌دهی، سرعت واکنش شیمیایی بسیار بالاست. معمولاً برای واکنش‌های رسوب‌دهی از راکتورهای مخزنی همزن‌دار (ناپیوسته یا پیوسته)، مخلوط‌کن‌های ایستا یا مخلوط‌کن‌های روتور–استاتور استفاده می‌شود. توزیع ناهمگن توان و انرژی اختلاط در حجم فرایند، کیفیت نانوذرات سنتزشده را محدود می‌کند. این نارسایی با افزایش حجم راکتور تشدید می‌شود. فناوری پیشرفتهٔ اختلاط و کنترل مناسب پارامترهای مؤثر، به تولید ذرات کوچک‌تر و یکنواختی بیشتر ذرات منجر می‌شود.

به‌کارگیری جت‌های برخوردی، مخلوط‌کن‌های ریزکانالی یا راکتور Taylor-Couette، شدت و یکنواختی اختلاط را بهبود می‌دهد. این امر زمان اختلاط را کوتاه‌تر می‌کند. با این حال، این روش‌ها از نظر قابلیت افزایش مقیاس محدودیت دارند.

فراصوت‌دهی فناوری پیشرفته‌ای برای اختلاط است که بدون محدودیت در افزایش مقیاس، برش و انرژی هم‌زدن بیشتری فراهم می‌کند. همچنین امکان کنترل مستقل پارامترهای تعیین‌کننده، مانند توان ورودی، طراحی راکتور، زمان ماند و غلظت ذرات یا واکنش‌دهنده‌ها را فراهم می‌سازد. کاویتاسیون فراصوتی، ریزاختلاط شدیدی ایجاد می‌کند و توان بالایی را به‌صورت موضعی مستهلک می‌سازد.

رسوب‌دهی نانوذرات مگنتیت

کاربرد فراصوت‌دهی در رسوب‌دهی در ICVT (TU Clausthal) توسط Banert et al. (2006) برای نانوذرات مگنتیت نشان داده شد. Banert از یک راکتور سونوشیمیایی بهینه‌شده استفاده کرد (تصویر سمت راست، خوراک 1: محلول آهن، خوراک 2: عامل رسوب‌دهنده، برای مشاهدهٔ تصویر بزرگ‌تر کلیک کنید!) تا نانوذرات مگنتیت را تولید کند: «از طریق هم‌رسوب‌دهی محلول آبی کلرید آهن(III) هگزاهیدرات و سولفات آهن(II) هپتاهیدرات با نسبت مولی Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. از آنجا که پیش‌اختلاط هیدرودینامیکی و اختلاط در مقیاس کلان اهمیت دارند و به ریزاختلاط فراصوتی کمک می‌کنند، هندسهٔ راکتور و موقعیت لوله‌های خوراک از عوامل مهم تعیین‌کنندهٔ نتیجهٔ فرایند هستند. در پژوهش خود، Banert et al. طرح‌های مختلف راکتور را مقایسه کردند. طراحی بهبودیافتهٔ محفظهٔ راکتور می‌تواند انرژی ویژهٔ مورد نیاز را به یک‌پنجم کاهش دهد.

محلول آهن به‌ترتیب با هیدروکسید آمونیوم غلیظ و هیدروکسید سدیم رسوب داده می‌شود. برای جلوگیری از هرگونه گرادیان pH، عامل رسوب‌دهنده باید به مقدار اضافی پمپ شود. توزیع اندازهٔ ذرات مگنتیت با استفاده از طیف‌سنجی همبستگی فوتون اندازه‌گیری شده است (PCS، Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

بدون فراصوت‌دهی، تنها با اختلاط هیدرودینامیکی، ذراتی با اندازهٔ میانگین 45nm تولید شدند. اختلاط فراصوتی اندازهٔ ذرات حاصل را به 10nm و کمتر کاهش داد. نمودار زیر توزیع اندازهٔ ذرات Fe₃O₄ را نشان می‌دهد که در یک واکنش پیوستهٔ رسوب‌دهی فراصوتی تولید شده‌اند (Banert et al., 2004).

نمودار بعدی (Banert et al., 2006) اندازهٔ ذرات را به‌صورت تابعی از انرژی ویژهٔ ورودی نشان می‌دهد.

«نمودار را می‌توان به سه ناحیهٔ اصلی تقسیم کرد. در مقادیر کمتر از حدود 1000 kJ/kg_Fe3O4 ، اختلاط تحت کنترل اثر هیدرودینامیکی است. اندازهٔ ذرات حدود 40–50 nm است. در مقادیر بالاتر از 1000 kJ/kg، اثر اختلاط فراصوتی آشکار می‌شود. اندازهٔ ذرات به کمتر از 10 nm کاهش می‌یابد. با افزایش بیشتر توان ویژهٔ ورودی، اندازهٔ ذرات در همان مرتبهٔ بزرگی باقی می‌ماند. فرایند اختلاط در رسوب‌دهی به‌اندازه‌ای سریع است که امکان جوانه‌زنی همگن را فراهم می‌کند.»

---

منابع / مراجع

• 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.