સિલિકા નેનોકણોના સમૂહોનું અલ્ટ્રાસોનિક વિઘટન

ફ્યુમ્ડ સિલિકા (દા.ત. Aerosil) જેવા સિલિકા નેનોકણો વિવિધ ઉદ્યોગોમાં વ્યાપકપણે વપરાતા ઉમેરણો છે. ઇચ્છિત પદાર્થલક્ષી ગુણધર્મો ધરાવતી સંપૂર્ણપણે કાર્યક્ષમ નેનોસિલિકા મેળવવા માટે, સિલિકા નેનોકણોના સમૂહોનું વિઘટન કરીને તેમને અલગ-અલગ વિખેરાયેલા કણો તરીકે વિતરિત કરવા જરૂરી છે. અલ્ટ્રાસોનિક સમૂહવિઘટન, નેનોસિલિકાને નિલંબનમાં અલગ-અલગ વિખેરાયેલા કણો તરીકે એકસરખી રીતે વિતરિત કરવાની અત્યંત કાર્યક્ષમ અને વિશ્વસનીય તકનીક હોવાનું સાબિત થયું છે.

નેનોસિલિકા – ગુણધર્મો અને ઉપયોગો

સિલિકા (SiO₂) અને ખાસ કરીને સિલિકા નેનોકણો (Si-NPs) ઘણા ઉદ્યોગોમાં સામાન્ય ઉમેરણો છે. નેનોકદના સિલિકા કણો ખૂબ વિશાળ સપાટી ક્ષેત્રફળ ધરાવે છે અને કણોના વિશિષ્ટ ગુણધર્મો દર્શાવે છે, જેનો ઘણા ઉદ્યોગોમાં વિવિધ હેતુઓ માટે ઉપયોગ થાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, નેનોકદના SiO₂ ના વિશિષ્ટ પદાર્થલક્ષી ગુણધર્મોનો ઉપયોગ (નેનો-)સંયુક્ત પદાર્થો, કોંક્રિટ અને અન્ય પદાર્થોને મજબૂત બનાવવા માટે થાય છે. ઉદાહરણોમાં અગ્નિરોધક ગુણધર્મો આપતાં નેનોસિલિકા આધારિત કોટિંગ અથવા નેનોસિલિકાનું કોટિંગ ધરાવતો કાચ સામેલ છે, જે આ કોટિંગથી પ્રતિબિંબનરોધક ગુણધર્મો મેળવે છે. મકાન અને બાંધકામ ઉદ્યોગમાં, સિલિકા ફ્યુમ (માઇક્રોસિલિકા) અને નેનોસિલિકાનો અત્યંત પોઝોલાનિક પદાર્થ તરીકે ઉપયોગ થાય છે, જે કોંક્રિટની કાર્યસુગમતા તેમજ તેના યાંત્રિક અને ટકાઉપણાના ગુણધર્મો વધારવા માટે વપરાય છે. સિલિકા ફ્યુમ અને નેનોસિલિકાની સરખામણી કરવામાં આવે ત્યારે, નેનોસંરચિત SiO₂ પોઝોલાન પ્રારંભિક તબક્કામાં સિલિકા ફ્યુમ કરતાં વધુ સક્રિય હોય છે, કારણ કે નેનોસિલિકા નોંધપાત્ર રીતે વધુ વિશિષ્ટ સપાટી ક્ષેત્રફળ અને સૂક્ષ્મતા ધરાવે છે. વધુ વિશાળ સપાટી ક્ષેત્રફળ કોંક્રિટ સાથે પ્રતિક્રિયા કરવા માટે વધુ સ્થાનો પૂરાં પાડે છે અને કેન્દ્રક તરીકે કાર્ય કરીને કોંક્રિટની સૂક્ષ્મસંરચનામાં સુધારો કરવામાં ખાસ યોગદાન આપે છે. પરંપરાગત સિલિકા ફ્યુમ ધરાવતા કોંક્રિટની સરખામણીમાં, નેનોસિલિકાથી મજબૂત બનાવેલા કોંક્રિટમાં ગેસ પારગમ્યતા સુધરે છે, જે કોંક્રિટના ટકાઉપણાનું સૂચક છે.
જૈવચિકિત્સા અને જીવનવિજ્ઞાનમાં, SiO₂ નેનોકણોના વિવિધ ઉપયોગો માટે વ્યાપક સંશોધન કરવામાં આવે છે, કારણ કે નેનોસિલિકાનું ઊંચું સપાટી ક્ષેત્રફળ, ઉત્તમ જૈવસુસંગતતા અને જરૂરિયાત મુજબ ગોઠવી શકાય તેવું રંધ્રકદ દવા પહોંચાડવા અને થેરાનોસ્ટિક્સ સહિતના અનેક નવા ઉપયોગોની શક્યતા પૂરી પાડે છે.

આલેખ અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપણ પહેલાં (લીલો વક્ર) અને પછી (લાલ વક્ર) નેનોસિલિકાના કણકદનું વિતરણ દર્શાવે છે.

નેનોસિલિકાના સમૂહોનું અલ્ટ્રાસોનિક વિઘટન અને વિક્ષેપણ

અલ્ટ્રાસોનિક સમૂહવિઘટન અને વિક્ષેપણનો કાર્યસિદ્ધાંત અલ્ટ્રાસોનિક રીતે ઉત્પન્ન થતા પોલાણની અસરો પર આધારિત છે, જેને વૈજ્ઞાનિક રીતે ધ્વનિક પોલાણ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. પ્રવાહી અથવા સ્લરીમાં ઉચ્ચ શક્તિવાળા, ઓછી આવૃત્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ ધ્વનિક પોલાણ અને તેના પરિણામે અતિશય પરિસ્થિતિઓ સર્જી શકે છે, જે સ્થાનિક સ્તરે ખૂબ ઊંચા દબાણ અને તાપમાન તથા 280m/s સુધીની ઝડપવાળા પ્રવાહી જેટ સાથેના સૂક્ષ્મપ્રવાહ તરીકે ઉદ્ભવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક પોલાણની આ તીવ્ર ભૌતિક અને યાંત્રિક અસરો કણોની સપાટીનું ક્ષરણ કરે છે તેમજ કણો વચ્ચેની અથડામણ દ્વારા કણોને તોડી નાખે છે. અલ્ટ્રાસોનિક / ધ્વનિક પોલાણનાં આ તીવ્ર બળો સોનિકેશનને નેનોસિલિકા, નેનોનળીઓ અને અન્ય નેનો પદાર્થો જેવા નેનોકદના કણોના સમૂહવિઘટન અને વિક્ષેપણ માટે અત્યંત કાર્યક્ષમ અને વિશ્વસનીય પદ્ધતિ બનાવે છે.

અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સમૂહવિઘટન કરેલી નેનોસિલિકાના કણકદનું વિતરણ (Hielscher UP400St અલ્ટ્રાસોનિકેટરનો ઉપયોગ કરીને) પાણીમાં (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt%, અને (d) 10 wt% Aerosil 200 માટે વિવિધ સમયાંતરે દર્શાવવામાં આવ્યું છે.
અભ્યાસ અને આલેખો: Vikash 2020.

ઊંચી ઘન પદાર્થ સાંદ્રતા ધરાવતી સિલિકાનું અને શ્યાન પ્રવાહીઓમાં સિલિકાનું અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસિંગ

ઓછી સાંદ્રતાએ પણ નેનોકણોનું વિખેરણ કરવું પડકારજનક છે, કારણ કે આયનિક બંધ, સહસંયોજક બંધ, હાઇડ્રોજન બંધ અને વાન ડર વાલ્સ આંતરક્રિયાઓ જેવાં રાસાયણિક બંધન બળોને વટાવવાં પડે છે. નેનોકણોની, ઉદાહરણ તરીકે નેનો-સિલિકા કણોની, સાંદ્રતા વધવાની સાથે નેનોકણો વચ્ચેની રાસાયણિક આંતરક્રિયા પણ નોંધપાત્ર રીતે વધે છે. આનો અર્થ એ છે કે વિખેરણનાં સારાં અને લાંબા ગાળા સુધી સ્થિર પરિણામો મેળવવા માટે શક્તિશાળી વિખેરણ તકનીક આવશ્યક છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરકોનો ઉપયોગ વિશ્વસનીય અને અત્યંત અસરકારક વિખેરણ પદ્ધતિ તરીકે થાય છે, જે ઊંચી શ્યાનતા ધરાવતી સ્લરી અને ખૂબ ઊંચી ઘન સાંદ્રતા ધરાવતી પેસ્ટનું પણ સરળતાથી પ્રોસેસિંગ કરી શકે છે. નેનોકણોની ઊંચી ઘન માત્રા ધરાવતી સ્લરીનું પ્રોસેસિંગ કરવાની ક્ષમતા અલ્ટ્રાસોનિકેશનને નેનો-પદાર્થો માટે પસંદગીની વિખેરણ તકનીક બનાવે છે.
તમારી સ્લરી અથવા પેસ્ટને પંપ દ્વારા પહોંચાડી શકાય ત્યાં સુધી Hielscher ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિકેટરો તેનું સતત કાર્યરત ઇન-લાઇન રિએક્ટરમાં પ્રોસેસિંગ કરી શકે છે.

સિલિકા નેનોપ્રવાહીઓનું અલ્ટ્રાસોનિક ઉત્પાદન

Modragon et al. (2012) એ સિલિકા નેનોપ્રવાહીઓ તૈયાર કરવા માટે નિસ્યંદિત પાણીમાં સિલિકા નેનોકણોનું વિખેરણ કરવા પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP400Sનો ઉપયોગ કર્યો. ચોક્કસ ઘન માત્રા (એટલે કે, 20%), ઓછી શ્યાનતા અને પ્રવાહી જેવું વર્તન ધરાવતાં સ્થિર સિલિકા નેનોપ્રવાહીઓ તૈયાર કરવા માટેની પરિસ્થિતિઓમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રોબ વડે 5 મિનિટ સુધી ઉચ્ચ ઊર્જાની સારવાર, ક્ષારીય માધ્યમ (7 કરતાં વધુ pH મૂલ્યો) અને કોઈ ક્ષારનો ઉમેરો ન કરવાનો સમાવેશ થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરણથી ઓછી શ્યાનતા ધરાવતાં નેનોપ્રવાહીઓ પ્રાપ્ત થયાં. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે તૈયાર કરાયેલાં નેનોપ્રવાહીઓ પ્રવાહી જેવું વર્તન કરતાં હતાં અને સોનિકેશનથી પ્રાપ્ત થયેલા સારા વિખેરણને કારણે 20% ઘન માત્રા સાથે ખૂબ ટૂંકા સમયમાં તૈયાર થયાં હતાં.
“ઉપલબ્ધ તમામ વિખેરણ પદ્ધતિઓમાંથી, અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ વડે થતું વિખેરણ સૌથી અસરકારક હોવાનું પુષ્ટિ પામ્યું છે.“ (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) પણ Aerosil પાઉડરના કણસમૂહોના વિઘટન માટે સમાન નિષ્કર્ષ પર પહોંચ્યા હતા અને તેમણે નોંધ્યું હતું કે લાગુ કરવામાં આવતી અત્યંત કેન્દ્રિત ઊર્જાને કારણે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ સૌથી અસરકારક વિખેરણ પ્રણાલી છે.

સિલિકા નેનોકણોના કણસમૂહોના વિઘટન અને વિખેરણ માટેના અલ્ટ્રાસોનિકેટરો

ઔદ્યોગિક ઉપયોગો, સંશોધન અથવા પદાર્થ વિજ્ઞાનમાં નેનો-સિલિકાનો ઉપયોગ કરવામાં આવે ત્યારે સૂકા સિલિકા પાઉડરને પ્રવાહી પ્રાવસ્થામાં સમાવવો આવશ્યક છે. નેનો-સિલિકાના વિખેરણ માટે વિશ્વસનીય અને અસરકારક વિખેરણ તકનીકની જરૂર પડે છે, જે સિલિકાના કણસમૂહોને છૂટા પાડીને અલગ કણો મેળવવા માટે પૂરતી ઊર્જા લાગુ કરે. અલ્ટ્રાસોનિકેટરો શક્તિશાળી અને વિશ્વસનીય વિખેરકો તરીકે જાણીતા છે, તેથી તેમનો ઉપયોગ સિલિકા, નેનોટ્યૂબ, ગ્રાફીન, ખનિજો અને અન્ય અનેક પદાર્થોના કણસમૂહોને છૂટા પાડવા અને તેમને પ્રવાહી પ્રાવસ્થામાં સમાનરૂપે વિતરિત કરવા માટે થાય છે.

Hielscher Ultrasonics કોઈપણ પ્રકારના સમાનાંગીકરણ અને કણસમૂહોના વિઘટનના ઉપયોગો માટે ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક વિખેરકોની રચના, ઉત્પાદન અને વિતરણ કરે છે. નેનો-વિખેરણોના ઉત્પાદનમાં ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતાવાળાં ઉત્પાદનો મેળવવા માટે સોનિકેશનનું ચોકસાઈપૂર્વક નિયંત્રણ અને નેનોકણોના નિલંબનની વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિક સારવાર આવશ્યક છે.
Hielscher Ultrasonicsના પ્રોસેસરો તમને ઊર્જા નિવેશ, અલ્ટ્રાસોનિક તીવ્રતા, કંપવિસ્તાર, દબાણ, તાપમાન અને નિવાસ સમય જેવાં પ્રોસેસિંગનાં તમામ મહત્વપૂર્ણ પરિમાણો પર સંપૂર્ણ નિયંત્રણ આપે છે. આથી, તમે પરિમાણોને શ્રેષ્ઠ પરિસ્થિતિઓ મુજબ સમાયોજિત કરી શકો છો, જેના પરિણામે નેનોસિલિકા સ્લરી જેવાં ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળાં નેનો-વિખેરણો પ્રાપ્ત થાય છે.
કોઈપણ આયતન / ક્ષમતા માટે: Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો અને સહાયક સાધનોની વ્યાપક શ્રેણી પ્રદાન કરે છે. આથી તમારા ઉપયોગ અને ઉત્પાદન ક્ષમતા માટે આદર્શ અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીનું રૂપરેખાંકન કરી શકાય છે. થોડા મિલિલિટર ધરાવતી નાની વાયલથી માંડીને પ્રતિ કલાક હજારો ગેલનના ઊંચા આયતનવાળા પ્રવાહો સુધી, Hielscher તમારી પ્રક્રિયા માટે યોગ્ય અલ્ટ્રાસોનિક ઉકેલ પ્રદાન કરે છે.
મજબૂતાઈ: અમારી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રણાલીઓ મજબૂત અને વિશ્વસનીય છે. તમામ Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો 24/7/365 કામગીરી માટે બનાવવામાં આવે છે અને તેમને ખૂબ ઓછી જાળવણીની જરૂર પડે છે.
વપરાશની સરળતા: અમારા અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોનું સુવિકસિત સોફ્ટવેર સરળ અને વિશ્વસનીય સોનિકેશન માટે સોનિકેશન સેટિંગ્સની અગાઉથી પસંદગી કરીને તેમને સાચવવાની સુવિધા આપે છે. ડિજિટલ રંગીન ટચ-ડિસ્પ્લે દ્વારા સહજ રીતે સમજી શકાય તેવા મેનુને સરળતાથી ઍક્સેસ કરી શકાય છે. દૂરસ્થ બ્રાઉઝર નિયંત્રણ દ્વારા તમે કોઈપણ ઇન્ટરનેટ બ્રાઉઝર મારફતે સંચાલન અને દેખરેખ કરી શકો છો. સ્વચાલિત ડેટા રેકોર્ડિંગ કોઈપણ સોનિકેશન પ્રક્રિયાના પ્રાચલોને ઉપકરણમાં સમાવિષ્ટ SD-કાર્ડ પર સાચવે છે.
ઉત્કૃષ્ટ ઊર્જા કાર્યક્ષમતા: વૈકલ્પિક વિક્ષેપણ તકનીકોની સરખામણીમાં, Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટરો અસાધારણ ઊર્જા કાર્યક્ષમતા અને કણોના કદના વિતરણમાં ચડિયાતાં પરિણામો સાથે શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન કરે છે.

આ આલેખ ultra-turraxની સરખામણીમાં Hielscher UIP1000 વડે સિલિકાના અલ્ટ્રાસોનિક વિક્ષેપણનો નોંધપાત્ર લાભ દર્શાવે છે. અલ્ટ્રાસોનિકેશનને ઓછી ઊર્જાની જરૂર પડે છે અને તે સિલિકાના કણોનું કદ અત્યંત નાનું બનાવે છે.

નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોની અંદાજિત પ્રક્રિયા ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે: