Ultraääni saostumisprosessi

Hiukkasia, esimerkiksi nanohiukkasia, voi syntyä nesteissä alhaalta ylöspäin saostumisen avulla. Tässä prosessissa ylikyllästetty seos alkaa muodostaa kiinteitä hiukkasia erittäin väkevästä materiaalista, joka kasvaa ja lopulta saostuu. Hiukkasten/kiteiden koon ja morfologian hallitsemiseksi saostumiseen vaikuttavien tekijöiden hallinta on välttämätöntä.

Saostusprosessin tausta

Viime vuosina nanohiukkasten merkitys on kasvanut monilla aloilla, kuten pinnoitteissa, polymeereissä, musteissa, lääkkeissä tai elektroniikassa. Yksi tärkeä nanomateriaalien käyttöön vaikuttava tekijä on nanomateriaalin hinta. Siksi tarvitaan kustannustehokkaita tapoja valmistaa nanomateriaaleja irtotavarana. Vaikka prosessit, kuten Emulgoituminen ja hienonnus on ylhäältä alas -prosessit, saostus on alhaalta ylöspäin suuntautuva prosessi nanokokoisten hiukkasten synteesille nesteistä. Saostuminen sisältää:

• Vähintään kahden nesteen sekoittaminen
• ylikylläisyys
• nukleaatio
• Hiukkasten kasvu
• Agglomeraatio (vältetään yleensä alhaisella kiintoainepitoisuudella tai stabilointiaineilla)

Saostumisen sekoitus

Sekoittaminen on olennainen vaihe saostumisessa, koska useimmissa saostusprosesseissa kemiallisen reaktion nopeus on erittäin korkea. Yleensä sekoitussäiliöreaktoreita (erä tai jatkuva), staattisia tai roottori-staattorisekoittimia käytetään saostumisreaktioihin. Sekoitustehon ja energian epähomogeeninen jakautuminen prosessitilavuudessa rajoittaa syntetisoitujen nanohiukkasten laatua. Tämä haitta kasvaa reaktorin tilavuuden kasvaessa. Kehittynyt sekoitustekniikka ja vaikuttavien parametrien hyvä hallinta johtavat pienempiin hiukkasiin ja parempaan hiukkasten homogeenisuuteen.

Iskusuihkujen, mikrokanavasekoittimien käyttö tai Taylor-Couette-reaktorin käyttö parantavat sekoitusintensiteettiä ja homogeenisuutta. Tämä johtaa lyhyempiin sekoitusaikoihin. Nämä menetelmät ovat kuitenkin rajallisia, joten niitä voidaan laajentaa.

Ultrasonication on edistyksellinen sekoitustekniikka, joka tarjoaa korkeamman leikkaus- ja sekoitusenergian ilman skaalausrajoituksia. Sen avulla voidaan myös hallita hallitsevia parametreja, kuten tehonsyöttöä, reaktorin suunnittelua, viipymäaikaa, hiukkasia tai reagoivan aineen pitoisuutta itsenäisesti. Ultraäänikavitaatio indusoi voimakasta mikrosekoitusta ja hajottaa suuren tehon paikallisesti.

Magnetiitin nanohiukkasten saostuminen

Ultrasonicationin soveltaminen saostumiseen osoitettiin ICVT: ssä (TU Clausthal) Banert et ai. (2006) magnetiitin nanohiukkasille. Banert käytti optimoitua sonokemiallista reaktoria (oikea kuva, syöttö 1: rautaliuos, syöttö 2: saostusaine, Klikkaa nähdäksesi sen suurempana!) magnetiitin nanohiukkasten tuottamiseksi “saostamalla samanaikaisesti rauta(III)kloridiheksahydraatin ja rauta(II)sulfaattiheptahydraatin vesiliuosta, jonka moolisuhde on Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Koska hydrodynaaminen esisekoitus ja makrosekoitus ovat tärkeitä ja edistävät ultraäänimikrosekoitusta, reaktorin geometria ja syöttöputkien sijainti ovat tärkeitä prosessin tulosta sääteleviä tekijöitä. Työssään Banert et ai. vertaili eri reaktorimalleja. Reaktorikammion parannettu rakenne voi vähentää vaadittua ominaisenergiaa kertoimella viisi.

Rautaliuos saostetaan väkevällä ammoniumhydroksidilla ja natriumhydroksidilla. pH-gradientin välttämiseksi saostinta on pumpattava liikaa. Magnetiitin hiukkaskokojakauma on mitattu fotonikorrelaatiospektroskopialla (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Ilman ultrasonicationia hiukkaset, joiden keskimääräinen hiukkaskoko oli 45 nm, tuotettiin pelkästään hydrodynaamisella sekoituksella. Ultraäänisekoitus pienensi tuloksena olevan hiukkaskoon 10 nm: iin ja vähemmän. Alla oleva kuva näyttää Fe: n hiukkaskokojakauman₃O₄ jatkuvassa ultraäänisaostusreaktiossa syntyneet hiukkaset (Banert et ai., 2004).

Seuraava grafiikka (Banert et ai., 2006) näyttää hiukkaskoon syötetyn ominaisenergian funktiona.

“Kaavio voidaan jakaa kolmeen pääjärjestelmään. Alle noin 1000 kJ/kg_Fe3O4 sekoittumista ohjaa hydrodynaaminen vaikutus. Hiukkaskoko on noin 40-50 nm. Yli 1000 kJ/kg ultraäänisekoituksen vaikutus tulee näkyviin. Hiukkaskoko pienenee alle 10 nm:n. Kun ominaisainetehoa lisätään edelleen, hiukkaskoko pysyy samassa suuruusluokassa. Saostussekoitusprosessi on riittävän nopea, jotta homogeeninen ydintyminen on mahdollista.”

---

Kirjallisuus / Viitteet

• 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.