תהליך משקעים קולי

חלקיקים, למשל ננו-חלקיקים, יכולים להיווצר מלמטה למעלה בנוזלים באמצעות משקעים. בתהליך זה, תערובת סופר-רוויה מתחילה ליצור חלקיקים מוצקים מתוך החומר המרוכז מאוד שיגדל ולבסוף ישקע. על מנת לשלוט בגודל החלקיק/גביש ובמורפולוגיה, שליטה על הגורמים המשפיעים על משקעים היא חיונית.

רקע תהליך משקעים

בשנים האחרונות צברו ננו-חלקיקים חשיבות בתחומים רבים, כגון ציפויים, פולימרים, דיו, תרופות או אלקטרוניקה. גורם חשוב אחד המשפיע על השימוש בננו-חומרים הוא עלות הננו-חומרים. לכן, נדרשות דרכים חסכוניות לייצור ננו-חומרים בכמויות גדולות. תוך כדי תהליכים, כמו תחליב ועיבוד comminution הם תהליכים מלמעלה למטהמשקעים הם תהליך מלמטה למעלה לסינתזה של חלקיקים בגודל ננומטרי מנוזלים., המשקעים כוללים:

• ערבוב של לפחות שני נוזלים
• סופר-רוויה
• נוקלציה
• צמיחת חלקיקים
• אגרגציה (נמנעת בדרך כלל על ידי ריכוז מוצק נמוך או על ידי חומרים מייצבים)

ערבוב משקעים

הערבוב הוא שלב חיוני במשקעים, שכן ברוב תהליכי המשקעים, מהירות התגובה הכימית גבוהה מאוד. בדרך כלל, כורי מיכל ערבוב (אצווה או רציף), סטטי או רוטור-סטטור מערבלים משמשים לתגובות משקעים. ההתפלגות הלא הומוגנית של כוח הערבוב והאנרגיה בתוך נפח התהליך מגבילה את איכות הננו-חלקיקים המסונתזים. חסרון זה גדל ככל שנפח הכור גדל. טכנולוגיית ערבוב מתקדמת ושליטה טובה בפרמטרים המשפיעים מביאים לחלקיקים קטנים יותר ולהומוגניות חלקיקים טובה יותר.

יישום של סילונים פוגעים, מערבלים מיקרו-ערוציים, או שימוש בכור טיילור-קוט משפרים את עוצמת הערבוב וההומוגניות. זה מוביל לזמני ערבוב קצרים יותר. עם זאת, שיטות אלה מוגבלות את הפוטנציאל להתרחב.

אולטרה-סוניקציה היא טכנולוגיית ערבוב מתקדמת המספקת אנרגיית גזירה וערבוב גבוהה יותר ללא מגבלות סקייל-אפ. זה גם מאפשר לשלוט בפרמטרים השולטים, כגון קלט כוח, תכנון כור, זמן מגורים, חלקיק או ריכוז מגיבים באופן עצמאי. הקוויטציה העל-קולית משרה ערבוב מיקרו אינטנסיבי ומפזרת עוצמה גבוהה באופן מקומי.

מגנטיט ננו-חלקיקים משקעים

היישום של ultrasonication על משקעים הודגם ב ICVT (TU Clausthal) על ידי בנרט ואחרים (2006) עבור ננו-חלקיקי מגנטיט. בנרט השתמש בכור סונו-כימי אופטימלי (תמונה ימנית, הזנה 1: תמיסת ברזל, הזנה 2: סוכן משקעים, לחץ לתצוגה גדולה יותר!) כדי לייצר את ננו-חלקיקי המגנטיט “על ידי משקעים משותפים של תמיסה מימית של ברזל(III)כלוריד hexahydrate וברזל (II)סולפט heptahydrate עם יחס מולארי של Fe³⁺/פה²⁺ = 2:1. מכיוון שערבוב מקדים הידרודינמי וערבוב מאקרו חשובים ותורמים למיקרו ערבוב על-קולי, גיאומטריית הכור ומיקום צינורות ההזנה הם גורמים חשובים השולטים בתוצאת התהליך. בעבודתם, בנרט ואח' השווה בין תכנוני כורים שונים. תכנון משופר של תא הכור יכול להפחית את האנרגיה הספציפית הנדרשת פי חמישה.

תמיסת הברזל מואצת עם אמוניום הידרוקסיד מרוכז ונתרן הידרוקסידי בהתאמה. על מנת למנוע שיפוע pH, יש לשאוב את המשקע בעודף. התפלגות גודל החלקיקים של מגנטיט נמדדה באמצעות ספקטרוסקופיית מתאם פוטונים (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

ללא אולטרה-סוניקציה, חלקיקים בגודל ממוצע של 45 ננומטר נוצרו על ידי ערבוב הידרודינמי בלבד. ערבוב על-קולי הפחית את גודל החלקיקים המתקבל ל-10 ננומטר ומטה. הגרפיקה הבאה מציגה את התפלגות גודל החלקיקים של Fe₃O₄ חלקיקים הנוצרים בתגובת משקעים על-קולית מתמשכת (בנרט ואחרים, 2004).

הגרפיקה הבאה (בנרט ואחרים, 2006) מציג את גודל החלקיק כפונקציה של קלט האנרגיה הספציפי.

“ניתן לחלק את התרשים לשלושה משטרים עיקריים. מתחת ל-1000 ק"ג/ק"ג_Fe3O4 הערבוב נשלט על ידי האפקט ההידרודינמי. גודל החלקיקים הוא כ-40-50 ננומטר. מעל 1000 קג'ול/ק"ג, השפעת הערבוב הקולי הופכת לגלויה. גודל החלקיקים פוחת מתחת ל-10 ננומטר. עם עלייה נוספת של צריכת החשמל הספציפית, גודל החלקיקים נשאר באותו סדר גודל. תהליך הערבוב באמצעות משקעים הוא מהיר מספיק כדי לאפשר גרעון הומוגני.”

---

ספרות / מקורות

• 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.