सोनोफ्रैगमेंटेशन – कणों के टूटने पर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का प्रभाव

सोनोफ्रैगमेंटेशन उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड द्वारा कणों को नैनो आकार के टुकड़ों में तोड़ने की प्रक्रिया को दर्शाता है। सामान्य अल्ट्रासोनिक विगुच्छन और मिलिंग के विपरीत – जिनमें कण मुख्यतः आपसी टक्करों से पीसे और अलग किए जाते हैं – सोनोफ्रैगमेंटेशन की विशिष्टता कण और प्रघात तरंग के बीच सीधी अंतःक्रिया है। उच्च-शक्ति/निम्न-आवृत्ति अल्ट्रासाउंड कैविटेशन उत्पन्न करता है और इसके परिणामस्वरूप तरल पदार्थों में तीव्र अपरूपण बल पैदा होते हैं। कैविटेशन बुलबुलों के ध्वस्त होने और कणों की आपसी टक्करों से उत्पन्न चरम परिस्थितियाँ कणों को पीसकर अत्यंत महीन पदार्थ में बदल देती हैं।

नैनो कणों का अल्ट्रासोनिक उत्पादन और निर्माण

नैनो पदार्थों के उत्पादन में उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड के प्रभाव सर्वविदित हैं: परिक्षेपण, विगुच्छन, मिलिंग और पिसाई तथा सोनिकेशन द्वारा विखंडन, नैनो कणों के उपचार के लिए अक्सर एकमात्र प्रभावी विधि होते हैं। यह विशेष रूप से विशिष्ट कार्यात्मक गुणों वाले अत्यंत महीन नैनो पदार्थों के मामले में सच है, क्योंकि नैनो आकार में कणों के अनूठे गुण प्रकट होते हैं। विशिष्ट कार्यात्मक गुणों वाले नैनो पदार्थ बनाने के लिए एक समान और विश्वसनीय सोनिकेशन प्रक्रिया सुनिश्चित करनी चाहिए। Hielscher प्रयोगशाला स्तर से लेकर पूर्ण व्यावसायिक उत्पादन स्तर तक के अल्ट्रासोनिक उपकरणों की आपूर्ति करता है।

कैविटेशन द्वारा सोनोफ्रैगमेंटेशन

तरल पदार्थों में शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक बलों का प्रवेशन चरम परिस्थितियाँ उत्पन्न करता है। जब अल्ट्रासाउंड किसी तरल माध्यम में प्रसारित होता है, तो अल्ट्रासोनिक तरंगें बारी-बारी से संपीड़न और विरलन चक्र उत्पन्न करती हैं, जो उच्च दाब और निम्न दाब के चक्र होते हैं। निम्न दाब के चक्रों के दौरान तरल में छोटे निर्वात बुलबुले बनते हैं। ये कैविटेशन बुलबुले कई निम्न दाब चक्रों के दौरान बढ़ते रहते हैं, जब तक कि वे ऐसे आकार तक नहीं पहुँच जाते जहाँ वे और अधिक ऊर्जा अवशोषित नहीं कर सकते। अधिकतम अवशोषित ऊर्जा और अधिकतम बुलबुला आकार की इस अवस्था में कैविटेशन बुलबुला तीव्रता से ध्वस्त होता है और स्थानीय स्तर पर चरम परिस्थितियाँ उत्पन्न करता है। इन कैविटेशन बुलबुलों के अंतःस्फोट के कारण स्थानीय स्तर पर लगभग 5000K का अत्यंत उच्च तापमान और लगभग 2000atm का दाब प्राप्त होता है। अंतःस्फोट से 280m/s (≈1000km/h) तक के वेग वाली तरल धाराएँ उत्पन्न होती हैं। सोनोफ्रैगमेंटेशन में इन तीव्र बलों का उपयोग कणों को तोड़कर उप-माइक्रोन और नैनो परास के छोटे आकारों में बदलने के लिए किया जाता है। सोनिकेशन आगे बढ़ने के साथ कणों का आकार कोणीय से गोलाकार हो जाता है, जिससे कण अधिक मूल्यवान बनते हैं। सोनोफ्रैगमेंटेशन के परिणाम विखंडन दर के रूप में व्यक्त किए जाते हैं, जिसे शक्ति निवेश, सोनिकेशन किए गए आयतन और गुच्छों के आकार के फलन के रूप में वर्णित किया जाता है।
Kusters et al. (1994) ने गुच्छों के अल्ट्रासाउंड-सहायित विखंडन का उसकी ऊर्जा खपत के संबंध में अध्ययन किया। शोधकर्ताओं के परिणाम “संकेत देते हैं कि अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण तकनीक पारंपरिक पिसाई तकनीकों जितनी कुशल हो सकती है। अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण का औद्योगिक उपयोग, जैसे बड़े प्रोब और निलंबन का निरंतर प्रवाह, इन परिणामों को कुछ हद तक बदल सकता है, लेकिन समग्र रूप से यह अपेक्षित है कि इस आकार-न्यूनीकरण तकनीक के चयन का कारण विशिष्ट ऊर्जा खपत नहीं, बल्कि अत्यंत महीन (उप-माइक्रोन) कणों का उत्पादन करने की इसकी क्षमता है।” [Kusters et al. 1994] विशेष रूप से क्षरणशील चूर्णों, जैसे सिलिका या ज़िरकोनिया, के लिए प्रति इकाई चूर्ण द्रव्यमान आवश्यक विशिष्ट ऊर्जा अल्ट्रासोनिक पिसाई में पारंपरिक पिसाई विधियों की तुलना में कम पाई गई। अल्ट्रासोनिकेशन कणों को न केवल मिलिंग और पिसाई द्वारा, बल्कि ठोस पदार्थों को पॉलिश करके भी प्रभावित करता है। इससे कणों की उच्च गोलाकारता प्राप्त की जा सकती है।

नैनो पदार्थों के क्रिस्टलीकरण के लिए सोनोफ्रैगमेंटेशन

“हालाँकि इस बात में बहुत कम संदेह है कि अल्ट्रासाउंड से विकिरणित आणविक क्रिस्टलों की स्लरी में कणों के बीच टक्करें होती हैं, लेकिन वे विखंडन का प्रमुख स्रोत नहीं हैं। आणविक क्रिस्टलों के विपरीत, धातु के कण सीधे प्रघात तरंगों से क्षतिग्रस्त नहीं होते और केवल अधिक तीव्र (लेकिन बहुत अधिक दुर्लभ) अंतर-कण टक्करों से ही प्रभावित हो सकते हैं। धातु चूर्णों और एस्पिरिन स्लरी के सोनिकेशन में प्रमुख क्रियाविधियों का यह बदलाव आघातवर्धनीय धात्विक कणों और आसानी से चूर्णित होने वाले आणविक क्रिस्टलों के गुणों में अंतर को उजागर करता है।” [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

एस्पिरिन कणों का सोनोफ्रैगमेंटेशन [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) ने सोनोफ्रैगमेंटेशन का उपयोग करके माइक्रोमीटर आकार की प्रारंभिक सामग्री (जैसे, 70–80 μm) से उच्च-शुद्धता वाले उप-माइक्रोमीटर एल्यूमिना सिरेमिक कणों (मुख्यतः 100 nm से कम के परास में) के निर्माण का अध्ययन किया। उन्होंने सोनोफ्रैगमेंटेशन के परिणामस्वरूप एल्यूमिना सिरेमिक कणों के रंग और आकार में महत्वपूर्ण परिवर्तन देखा। उच्च-शक्ति सोनिकेशन द्वारा माइक्रोन, उप-माइक्रोन और नैनो आकार के परास में कण आसानी से प्राप्त किए जा सकते हैं। ध्वनिक क्षेत्र में निवास समय बढ़ने के साथ कणों की गोलाकारता बढ़ी।

पृष्ठसक्रिय पदार्थ में परिक्षेपण

अल्ट्रासाउंड द्वारा कणों के प्रभावी रूप से टूटने के कारण, प्राप्त उप-माइक्रोन और नैनो आकार के कणों का विगुच्छन रोकने के लिए पृष्ठसक्रिय पदार्थों का उपयोग आवश्यक है। कणों का आकार जितना छोटा होता है, उनके सतह क्षेत्रफल का पक्षानुपात उतना ही अधिक होता है; उन्हें निलंबन में बनाए रखने और कणों के स्कंदन (गुच्छन) से बचने के लिए इस सतह को पृष्ठसक्रिय पदार्थ से ढकना आवश्यक है। अल्ट्रासोनिकेशन का लाभ उसके परिक्षेपण प्रभाव में निहित है: पिसाई और विखंडन के साथ-साथ, अल्ट्रासाउंड पिसे हुए कणों के टुकड़ों को पृष्ठसक्रिय पदार्थ के साथ परिक्षेपित करता है, जिससे नैनो कणों का गुच्छन (लगभग) पूरी तरह टल जाता है।

औद्योगिक उत्पादन

असाधारण कार्यात्मक गुण प्रदर्शित करने वाले उच्च-गुणवत्ता के नैनो पदार्थों की बाज़ार में आपूर्ति के लिए विश्वसनीय प्रसंस्करण उपकरण आवश्यक हैं। प्रति इकाई 16kW तक की शक्ति वाले अल्ट्रासोनिकेटर, जिन्हें समूह में जोड़ा जा सकता है, व्यावहारिक रूप से असीमित आयतन वाली प्रवाह धाराओं के प्रसंस्करण की अनुमति देते हैं। अल्ट्रासोनिक प्रक्रियाओं की पूरी तरह रैखिक पैमाना-वृद्धि क्षमता के कारण, अल्ट्रासोनिक अनुप्रयोगों का प्रयोगशाला में जोखिम-मुक्त परीक्षण किया जा सकता है, बेंच-टॉप स्तर पर अनुकूलन किया जा सकता है और फिर उन्हें बिना किसी समस्या के उत्पादन लाइन में लागू किया जा सकता है। चूँकि अल्ट्रासोनिक उपकरणों को अधिक स्थान की आवश्यकता नहीं होती, इसलिए उन्हें मौजूदा प्रक्रिया प्रवाहों में भी बाद में जोड़ा जा सकता है। संचालन आसान है और दूरस्थ नियंत्रण द्वारा इसकी निगरानी तथा संचालन किया जा सकता है, जबकि अल्ट्रासोनिक प्रणाली का रखरखाव लगभग नगण्य है।

अल्ट्रासोनिक मिलिंग से पहले और बाद में Bi2Te3-आधारित मिश्रधातु का कण आकार वितरण और SEM चित्र। a – कण आकार वितरण; b – अल्ट्रासोनिक मिलिंग से पहले का SEM चित्र; c – 4 h तक अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद का SEM चित्र; d – 8 h तक अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद का SEM चित्र।
स्रोत: Marquez-Garcia et al. 2015.

साहित्य / संदर्भ

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.