અલ્ટ્રાસોનિક અવક્ષેપન પ્રક્રિયા

અવક્ષેપન દ્વારા પ્રવાહીઓમાં કણો, દા.ત. નેનોકણો, બોટમ-અપ પદ્ધતિથી ઉત્પન્ન કરી શકાય છે. આ પ્રક્રિયામાં, અતિસંતૃપ્ત મિશ્રણ અત્યંત સાંદ્ર પદાર્થમાંથી ઘન કણો બનાવવાનું શરૂ કરે છે, જે વૃદ્ધિ પામે છે અને અંતે અવક્ષેપિત થાય છે. કણો/સ્ફટિકોના કદ અને આકારવિજ્ઞાનને નિયંત્રિત કરવા માટે અવક્ષેપનને પ્રભાવિત કરતા પરિબળો પર નિયંત્રણ આવશ્યક છે.

અવક્ષેપન પ્રક્રિયાની પૃષ્ઠભૂમિ

તાજેતરનાં વર્ષોમાં, નેનોકણોનું મહત્વ કોટિંગ્સ, પોલિમરો, શાહીઓ, ઔષધો અથવા ઇલેક્ટ્રોનિક્સ જેવાં અનેક ક્ષેત્રોમાં વધ્યું છે. નેનોસામગ્રીના ઉપયોગને પ્રભાવિત કરતું એક મહત્વપૂર્ણ પરિબળ નેનોસામગ્રીની કિંમત છે. તેથી, મોટા જથ્થામાં નેનોસામગ્રીનું ઉત્પાદન કરવા માટે ખર્ચની દૃષ્ટિએ કાર્યક્ષમ પદ્ધતિઓ જરૂરી છે. જ્યારે પાયસીકરણ અને કણોના કદમાં ઘટાડો કરવાની પ્રક્રિયા જેવી પ્રક્રિયાઓ ટોપ-ડાઉન પ્રક્રિયાઓ છે, ત્યારે અવક્ષેપન એ પ્રવાહીઓમાંથી નેનોકદના કણોના સંશ્લેષણ માટેની બોટમ-અપ પ્રક્રિયા છે. અવક્ષેપનમાં નીચેના તબક્કાઓનો સમાવેશ થાય છે:

• ઓછામાં ઓછાં બે પ્રવાહીઓનું મિશ્રણ
• અતિસંતૃપ્તિ
• નાભિક રચના
• કણોની વૃદ્ધિ
• કણોનું સમૂહીકરણ (સામાન્ય રીતે ઘન પદાર્થની ઓછી સાંદ્રતા અથવા સ્થિરીકરણ એજન્ટો દ્વારા ટાળવામાં આવે છે)

અવક્ષેપન માટે મિશ્રણ

અવક્ષેપનમાં મિશ્રણ એક આવશ્યક તબક્કો છે, કારણ કે મોટા ભાગની અવક્ષેપન પ્રક્રિયાઓમાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાની ઝડપ ખૂબ ઊંચી હોય છે. સામાન્ય રીતે, અવક્ષેપન પ્રતિક્રિયાઓ માટે હલાવવાની વ્યવસ્થાવાળા ટાંકી રિએક્ટરો (બેચ અથવા સતત), સ્થિર મિક્સરો અથવા રોટર-સ્ટેટર મિક્સરોનો ઉપયોગ થાય છે. પ્રક્રિયા હેઠળના પ્રવાહીના સમગ્ર આયતનમાં મિશ્રણની શક્તિ અને ઊર્જાનું અસમાન વિતરણ સંશ્લેષિત નેનોકણોની ગુણવત્તાને મર્યાદિત કરે છે. રિએક્ટરનું આયતન વધવાની સાથે આ ગેરલાભ વધે છે. અદ્યતન મિશ્રણ તકનીક અને પ્રભાવક પરિમાણો પર સારું નિયંત્રણ નાના કણો અને કણોની વધુ સારી એકરૂપતા આપે છે.

પરસ્પર અથડાતા જેટ્સ, માઇક્રો-ચેનલ મિક્સરો અથવા Taylor-Couette રિએક્ટરનો ઉપયોગ મિશ્રણની તીવ્રતા અને એકરૂપતામાં સુધારો કરે છે. આથી મિશ્રણ માટેનો સમય ઘટે છે. તેમ છતાં, આ પદ્ધતિઓની મોટા પાયે વિસ્તરણ કરવાની ક્ષમતા મર્યાદિત છે.

અલ્ટ્રાસોનિકેશન એ અદ્યતન મિશ્રણ તકનીક છે, જે મોટા પાયે વિસ્તરણની મર્યાદાઓ વિના વધુ ઊંચું શિયર અને હલાવવાની ઊર્જા પૂરી પાડે છે. તે શક્તિ નિવેશ, રિએક્ટરની રચના, નિવાસ સમય, કણોની અથવા અભિકારકની સાંદ્રતા જેવાં નિયામક પરિમાણોને સ્વતંત્ર રીતે નિયંત્રિત કરવાની પણ સુવિધા આપે છે. અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન તીવ્ર સૂક્ષ્મ મિશ્રણ પ્રેરે છે અને સ્થાનિક સ્તરે ઊંચી શક્તિ વિસર્જિત કરે છે.

મેગ્નેટાઇટ નેનોકણોનું અવક્ષેપન

ICVT (TU Clausthal) ખાતે Banert et al. (2006) દ્વારા મેગ્નેટાઇટ નેનોકણો માટે અવક્ષેપનમાં અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો ઉપયોગ દર્શાવવામાં આવ્યો હતો. Banert એ અનુકૂલિત સોનો-કેમિકલ રિએક્ટર (જમણી બાજુનું ચિત્ર, ફીડ 1: આયર્નનું દ્રાવણ, ફીડ 2: અવક્ષેપન એજન્ટ, મોટું ચિત્ર જોવા માટે ક્લિક કરો!) નો ઉપયોગ કરીને મેગ્નેટાઇટ નેનોકણો “આયર્ન(III) ક્લોરાઇડ હેક્ઝાહાઇડ્રેટ અને આયર્ન(II) સલ્ફેટ હેપ્ટાહાઇડ્રેટના જલીય દ્રાવણના સહઅવક્ષેપન દ્વારા બનાવ્યા, જેમાં મોલર ગુણોત્તર Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1 હતો. હાઇડ્રોડાયનેમિક પૂર્વમિશ્રણ અને સ્થૂળ મિશ્રણ મહત્વપૂર્ણ છે અને અલ્ટ્રાસોનિક સૂક્ષ્મ મિશ્રણમાં યોગદાન આપે છે, તેથી રિએક્ટરની ભૂમિતિ અને ફીડ પાઇપોનું સ્થાન પ્રક્રિયાના પરિણામને નિયંત્રિત કરતાં મહત્વપૂર્ણ પરિબળો છે. તેમના કાર્યમાં, Banert et al. એ રિએક્ટરની વિવિધ રચનાઓની તુલના કરી હતી. રિએક્ટર ચેમ્બરની સુધારેલી રચના જરૂરી વિશિષ્ટ ઊર્જાને પાંચમા ભાગ સુધી ઘટાડી શકે છે.

આયર્નના દ્રાવણને અનુક્રમે સાંદ્ર એમોનિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ અને સોડિયમ હાઇડ્રોક્સાઇડ વડે અવક્ષેપિત કરવામાં આવે છે. કોઈપણ pH પ્રવણતા ટાળવા માટે, અવક્ષેપકને વધારાની માત્રામાં પંપ કરવું પડે છે. મેગ્નેટાઇટના કણકદનું વિતરણ ફોટોન સહસંબંધ સ્પેક્ટ્રોસ્કોપીનો ઉપયોગ કરીને માપવામાં આવ્યું છે (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

અલ્ટ્રાસોનિકેશન વિના, માત્ર હાઇડ્રોડાયનેમિક મિશ્રણ દ્વારા 45nm ના સરેરાશ કણકદવાળા કણો ઉત્પન્ન થયા હતા. અલ્ટ્રાસોનિક મિશ્રણે પરિણામી કણકદને 10nm અને તેનાથી ઓછું કર્યું હતું. નીચેનો આલેખ સતત અલ્ટ્રાસોનિક અવક્ષેપન પ્રતિક્રિયામાં ઉત્પન્ન થયેલા Fe₃O₄ કણોના કદનું વિતરણ દર્શાવે છે (Banert et al., 2004).

આગળનો આલેખ (Banert et al., 2006) વિશિષ્ટ ઊર્જા નિવેશના ફલન તરીકે કણકદ દર્શાવે છે.

“આલેખને ત્રણ મુખ્ય વિભાગોમાં વહેંચી શકાય છે. આશરે 1000 kJ/kg_Fe3O4 થી નીચે મિશ્રણ હાઇડ્રોડાયનેમિક અસર દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે. કણકદ આશરે 40–50 nm જેટલું હોય છે. 1000 kJ/kg થી ઉપર અલ્ટ્રાસોનિક મિશ્રણની અસર દેખાવા લાગે છે. કણકદ ઘટીને 10 nm થી નીચે જાય છે. વિશિષ્ટ શક્તિ નિવેશમાં વધુ વધારો કરવા છતાં કણકદ પરિમાણના એ જ ક્રમમાં રહે છે. અવક્ષેપન માટેની મિશ્રણ પ્રક્રિયા સમરૂપ નાભિક રચના થવા દે તેટલી ઝડપી છે.”

---

સાહિત્ય / સંદર્ભો

• 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.