Processus de précipitation par ultrasons

Les particules, par exemple les nanoparticules, peuvent être générées de bas en haut dans les liquides au moyen de la précipitation. Dans ce processus, un mélange sursaturé commence à former des particules solides à partir de la matière hautement concentrée, qui se développent et finissent par précipiter. Afin de contrôler la taille et la morphologie des particules/cristaux, il est essentiel de contrôler les facteurs influençant la précipitation.

Le processus de précipitation Contexte

Ces dernières années, les nanoparticules ont gagné en importance dans de nombreux domaines, tels que les revêtements, les polymères, les encres, les produits pharmaceutiques ou l'électronique. Le coût des nanomatériaux est un facteur important qui influe sur leur utilisation. Il est donc nécessaire de trouver des moyens rentables de fabriquer des nanomatériaux en grandes quantités. Bien que des procédés, tels que émulsification et le traitement par broyage sont les processus descendantsLa précipitation est un processus ascendant pour la synthèse de particules de taille nanométrique à partir de liquides. La précipitation implique :

• Mélange d'au moins deux liquides
• Supersaturation
• Nucléation
• Croissance des particules
• Agglomération (typiquement évitée par une faible concentration de solides ou par des agents stabilisants)

Mélange de précipitations

Le mélange est une étape essentielle de la précipitation, car pour la plupart des processus de précipitation, la vitesse de la réaction chimique est très élevée. Pour les réactions de précipitation, on utilise généralement des réacteurs à cuve agitée (discontinus ou continus), des mélangeurs statiques ou à rotor-stator. La distribution inhomogène de la puissance et de l'énergie de mélange dans le volume du processus limite la qualité des nanoparticules synthétisées. Cet inconvénient augmente avec le volume du réacteur. Une technologie de mélange avancée et un bon contrôle des paramètres influents permettent d'obtenir des particules plus petites et plus homogènes.

L'application de jets d'impact, de mélangeurs à micro-canaux ou l'utilisation d'un réacteur de Taylor-Couette améliorent l'intensité et l'homogénéité du mélange. Cela permet de réduire les temps de mélange. Cependant, ces méthodes sont limitées dans leur potentiel de mise à l'échelle.

L'ultrasonication est une technologie de mélange avancée qui permet d'obtenir un cisaillement et une énergie d'agitation plus élevés sans limitations d'échelle. Elle permet également de contrôler indépendamment les paramètres directeurs, tels que la puissance absorbée, la conception du réacteur, le temps de séjour, la concentration des particules ou des réactifs. La cavitation ultrasonique induit un micro-mélange intense et dissipe localement une puissance élevée.

Précipitation de nanoparticules de magnétite

L'application de l'ultrasonication aux précipitations a été démontrée à l'ICVT (TU Clausthal) par Banert et al. (2006) pour les nanoparticules de magnétite. Banert a utilisé un réacteur sonochimique optimisé (image de droite, alimentation 1 : solution de fer, alimentation 2 : agent de précipitation, Cliquez pour agrandir !) pour produire des nanoparticules de magnétite “par coprécipitation d'une solution aqueuse de chlorure de fer(III) hexahydraté et de sulfate de fer(II) heptahydraté avec un rapport molaire de Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Comme le pré-mélange hydrodynamique et le macro-mélange sont importants et contribuent au micro-mélange ultrasonique, la géométrie du réacteur et la position des tuyaux d'alimentation sont des facteurs importants qui régissent le résultat du processus. Dans leur travail, Banert et al. a comparé différentes conceptions de réacteurs. Une conception améliorée de la chambre du réacteur peut réduire l'énergie spécifique requise par un facteur de cinq.

La solution de fer est précipitée avec de l'hydroxyde d'ammonium concentré et de l'hydroxyde de sodium. Afin d'éviter tout gradient de pH, le précipitant doit être pompé en excès. La distribution de la taille des particules de magnétite a été mesurée à l'aide de la spectroscopie de corrélation de photons (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Sans ultrasons, des particules d'une taille moyenne de 45 nm ont été produites par le seul mélange hydrodynamique. Le mélange ultrasonique a réduit la taille des particules à 10 nm ou moins. Le graphique ci-dessous montre la distribution de la taille des particules de Fe₃O₄ générées dans une réaction de précipitation ultrasonique continue (Banert et al, 2004).

Le graphique suivant (Banert et al, 2006) montre la taille des particules en fonction de l'apport d'énergie spécifique.

“Le diagramme peut être divisé en trois régimes principaux. En dessous d'environ 1000 kJ/kg_Fe3O4 le mélange est contrôlé par l'effet hydrodynamique. La taille des particules est d'environ 40-50 nm. Au-dessus de 1000 kJ/kg, l'effet du mélange ultrasonique devient visible. La taille des particules diminue en dessous de 10 nm. En augmentant encore la puissance spécifique absorbée, la taille des particules reste dans le même ordre de grandeur. Le processus de mélange par précipitation est suffisamment rapide pour permettre une nucléation homogène.”

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Littérature / Références

• 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.