فرآیند بارش اولتراسونیک

ذرات، به عنوان مثال نانوذرات، می توانند از پایین به بالا در مایعات با استفاده از بارش تولید شوند. در این فرآیند، یک مخلوط فوق اشباع شروع به تشکیل ذرات جامد از مواد بسیار غلیظ می کند که رشد می کنند و در نهایت رسوب می کنند. به منظور کنترل اندازه ذرات/کریستال و مورفولوژی، کنترل عوامل مؤثر بر بارش ضروری است.

پیشینه فرآیند بارش

در سال های اخیر، نانوذرات در بسیاری از زمینه ها مانند پوشش ها، پلیمرها، جوهرها، داروها یا الکترونیک اهمیت پیدا کرده اند. یکی از عوامل مهم موثر بر استفاده از نانومواد، هزینه نانومواد است. بنابراین، روش های مقرون به صرفه برای تولید نانومواد در مقادیر فله مورد نیاز است. در حالی که فرآیندها، مانند امولسیون سازی و پردازش کوچک سازی عبارتند از فرآیندهای بالا به پایین، بارش یک فرآیند از پایین به بالا برای سنتز ذرات نانو از مایعات است. بارش شامل موارد زیر است:

• مخلوط کردن حداقل دو مایع
• فوق اشباع
• هسته سازی
• رشد ذرات
• تجمع (به طور معمول توسط غلظت جامد کم و یا توسط عوامل تثبیت کننده اجتناب می شود)

اختلاط بارش

اختلاط یک مرحله ضروری در بارش است ، زیرا برای اکثر فرآیندهای بارش ، سرعت واکنش شیمیایی بسیار زیاد است. معمولا از راکتورهای مخزن هم زده (دسته ای یا پیوسته)، میکسرهای استاتیک یا روتور-استاتور برای واکنش های بارش استفاده می شود. توزیع ناهمگن قدرت اختلاط و انرژی در حجم فرآیند، کیفیت نانوذرات سنتز شده را محدود می کند. این عیب با افزایش حجم راکتور افزایش می یابد. فناوری اختلاط پیشرفته و کنترل خوب بر پارامترهای تأثیرگذار منجر به کوچکتر شدن ذرات و همگنی بهتر ذرات می شود.

استفاده از جت های برخورد کننده، میکسرهای میکرو کانال، یا استفاده از راکتور تیلور-کوئت شدت اختلاط و همگنی را بهبود می بخشد. این منجر به زمان اختلاط کوتاه تر می شود. با این حال، این روش ها محدود به پتانسیل افزایش مقیاس هستند.

Ultrasonication یک فناوری مخلوط کردن پیشرفته است که انرژی برشی و همزن بالاتر را بدون محدودیت های مقیاس بالا فراهم می کند. همچنین اجازه می دهد تا پارامترهای حاکم مانند ورودی برق، طراحی راکتور، زمان ماندن، ذرات یا غلظت واکنش دهنده را به طور مستقل کنترل کنید. حفره اولتراسونیک باعث اختلاط میکرو شدید و اتلاف قدرت بالا به صورت محلی.

بارش نانوذرات مگنتیت

کاربرد امواج فراصوت به بارش در ICVT نشان داده شد (TU Clausthal) توسط بانرت و همکاران (2006) برای نانوذرات مگنتیت. بانرت از یک راکتور سونوشیمیایی بهینه شده استفاده کرد (تصویر سمت راست، خوراک 1: محلول آهن، خوراک 2: عامل بارش، برای نمای بزرگتر کلیک کنید!) برای تولید نانوذرات مگنتیت “با رسوب همزمان محلول آبی هگزا هیدرات کلرید آهن (III) و هپتاهیدرات سولفات آهن (II) با نسبت مولی آهن³⁺/آهن²⁺ = 2:1. از آنجا که پیش اختلاط هیدرودینامیکی و اختلاط ماکرو مهم هستند و به اختلاط میکرو اولتراسونیک کمک می کنند، هندسه راکتور و موقعیت لوله های تغذیه از عوامل مهم حاکم بر نتیجه فرآیند هستند. در کار خود، بانرت و همکاران. طرح های مختلف راکتور را مقایسه کردند. طراحی بهبود یافته محفظه راکتور می تواند انرژی ویژه مورد نیاز را تا ضریب پنج کاهش دهد.

محلول آهن به ترتیب با هیدروکسید آمونیوم غلیظ و هیدروکسید سدیم رسوب می کند. به منظور جلوگیری از هر گونه گرادیان pH ، رسوب دهنده باید بیش از حد پمپ شود. توزیع اندازه ذرات مگنتیت با استفاده از طیف سنجی همبستگی فوتونی (PCS, Malvern NanoSizer ZS، Malvern Inc.).”

بدون امواج فراصوت ، ذرات با اندازه ذرات متوسط 45 نانومتر با اختلاط هیدرودینامیکی به تنهایی تولید شدند. اختلاط اولتراسونیک اندازه ذرات حاصل را به 10 نانومتر و کمتر کاهش داد. نمودار زیر توزیع اندازه ذرات آهن را نشان می دهد₃O₄ ذرات تولید شده در یک واکنش بارش اولتراسونیک مداوم (بانرت و همکاران، 2004).

گرافیک بعدی (بانرت و همکاران ، 2006) اندازه ذرات را به عنوان تابعی از ورودی انرژی خاص نشان می دهد.

“نمودار را می توان به سه رژیم اصلی تقسیم کرد. زیر حدود 1000 کیلوژول بر کیلوگرم_Fe3O4 اختلاط توسط اثر هیدرودینامیکی کنترل می شود. اندازه ذرات حدود 40-50 نانومتر است. بالاتر از 1000 کیلوژول / کیلوگرم اثر اختلاط اولتراسونیک قابل مشاهده است. اندازه ذرات به زیر 10 نانومتر کاهش می یابد. با افزایش بیشتر توان ورودی ویژه، اندازه ذرات به همان ترتیب بزرگی باقی می ماند. فرآیند اختلاط بارش به اندازه کافی سریع است که امکان هسته سازی همگن را فراهم می کند.”

---

ادبیات / منابع

• 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.