सिलिका नैनोकणों का अल्ट्रासोनिक विगुच्छन

फ्यूम्ड सिलिका (जैसे Aerosil) जैसे सिलिका नैनोकण विभिन्न उद्योगों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाने वाले योजक हैं। वांछित पदार्थ गुणों वाली पूर्णतः कार्यक्षम नैनोसिलिका प्राप्त करने के लिए सिलिका नैनोकणों का विगुच्छन करके उन्हें अलग-अलग कणों के रूप में वितरित करना आवश्यक है। अल्ट्रासोनिक विगुच्छन निलंबन में नैनोसिलिका को अलग-अलग कणों के रूप में समान रूप से वितरित करने की एक अत्यंत कुशल और विश्वसनीय तकनीक सिद्ध हुई है।

नैनोसिलिका – विशेषताएँ और अनुप्रयोग

सिलिका (SiO₂) और विशेष रूप से सिलिका नैनोकण (Si-NPs) कई उद्योगों में सामान्य योजक हैं। नैनो-आकार के सिलिका कणों का पृष्ठीय क्षेत्रफल बहुत बड़ा होता है और उनमें विशिष्ट कण गुण होते हैं, जिनका उपयोग कई उद्योगों में विभिन्न उद्देश्यों के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, नैनो-आकार वाले SiO₂ के विशिष्ट पदार्थ गुणों का उपयोग (नैनो-)कंपोज़िट, कंक्रीट और अन्य पदार्थों को सुदृढ़ करने के लिए किया जाता है। इसके उदाहरण हैं नैनोसिलिका-आधारित कोटिंग, जो अग्निरोधी गुण प्रदान करती हैं, या नैनोसिलिका से लेपित काँच, जिसमें इस लेपन से परावर्तनरोधी गुण आ जाते हैं। भवन एवं निर्माण उद्योग में सिलिका फ्यूम (माइक्रोसिलिका) और नैनोसिलिका का उपयोग अत्यधिक पॉज़ोलानिक पदार्थों के रूप में किया जाता है, जिनका उपयोग कंक्रीट की कार्यशीलता के साथ-साथ उसके यांत्रिक और टिकाऊपन संबंधी गुणों को बेहतर बनाने के लिए होता है। सिलिका फ्यूम और नैनोसिलिका की तुलना करने पर, नैनो-संरचित SiO₂ पॉज़ोलान प्रारंभिक चरण में सिलिका फ्यूम की तुलना में अधिक सक्रिय होता है, क्योंकि नैनोसिलिका का विशिष्ट पृष्ठीय क्षेत्रफल काफी अधिक होता है और वह अधिक महीन होती है। बड़ा पृष्ठीय क्षेत्रफल कंक्रीट के साथ अभिक्रिया के लिए अधिक स्थल प्रदान करता है और नाभिक के रूप में कार्य करके विशेष रूप से कंक्रीट की सूक्ष्मसंरचना को बेहतर बनाने में योगदान देता है। पारंपरिक सिलिका फ्यूम युक्त कंक्रीट की तुलना में नैनो-सिलिका से सुदृढ़ किए गए कंक्रीट में गैस पारगम्यता बेहतर होती है, जो कंक्रीट के टिकाऊपन का एक संकेतक है।
जैवचिकित्सा और जीवन विज्ञान में SiO₂ नैनोकणों के विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए व्यापक अनुसंधान किया जा रहा है, क्योंकि नैनोसिलिका का बड़ा पृष्ठीय क्षेत्रफल, उत्कृष्ट जैवसंगतता और समायोज्य रंध्र आकार औषधि वितरण और थेरानोस्टिक्स सहित अनेक नवीन अनुप्रयोगों की संभावनाएँ प्रदान करते हैं।

यह चार्ट अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण से पहले (हरा वक्र) और बाद में (लाल वक्र) नैनो-सिलिका के कण आकार वितरण को दर्शाता है।

नैनो-सिलिका का अल्ट्रासोनिक विगुच्छन और परिक्षेपण

अल्ट्रासोनिक विगुच्छन और परिक्षेपण का कार्य सिद्धांत अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न कैविटेशन के प्रभावों पर आधारित है, जिसे वैज्ञानिक रूप से ध्वनिक कैविटेशन कहा जाता है। तरल पदार्थों या स्लरी में उच्च शक्ति वाले, निम्न आवृत्ति के अल्ट्रासाउंड का प्रयोग ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न कर सकता है और इसके फलस्वरूप चरम परिस्थितियाँ बन सकती हैं, जो स्थानीय रूप से अत्यधिक उच्च दाब और तापमान तथा 280m/s तक की गति वाले तरल जेटों के साथ सूक्ष्मप्रवाह के रूप में प्रकट होती हैं। अल्ट्रासोनिक कैविटेशन के ये तीव्र भौतिक और यांत्रिक प्रभाव कणों की सतह पर अपरदन के साथ-साथ कणों के बीच टकराव के कारण कणों को चकनाचूर करते हैं। अल्ट्रासोनिक / ध्वनिक कैविटेशन के ये तीव्र बल सोनिकेशन को नैनो-सिलिका, नैनोट्यूब और अन्य नैनो पदार्थों जैसे नैनो-आकार के कणों के विगुच्छन और परिक्षेपण की एक अत्यंत कुशल और विश्वसनीय विधि बनाते हैं।

अल्ट्रासोनिक रूप से विगुच्छित नैनो-सिलिका का कण आकार वितरण (Hielscher UP400St अल्ट्रासोनिकेटर का उपयोग करके) – अलग-अलग समय अंतरालों पर पानी में (a) 1 wt%, (b) 2 wt%, (c) 5 wt% और (d) 10 wt% Aerosil 200 के लिए।
अध्ययन और ग्राफ़: Vikash 2020.

उच्च ठोस सांद्रताओं पर और श्यान तरल पदार्थों में सिलिका का अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण

कम सांद्रताओं पर भी नैनोकणों का परिक्षेपण चुनौतीपूर्ण होता है, क्योंकि आयनिक बंध, सहसंयोजक बंध, हाइड्रोजन बंध और वान डर वाल्स अंतःक्रियाओं जैसे रासायनिक बंधन बलों को पार करना पड़ता है। नैनोकणों, जैसे नैनो-सिलिका कणों, की सांद्रता बढ़ने के साथ नैनोकणों के बीच रासायनिक अंतःक्रिया भी काफी बढ़ जाती है। इसका अर्थ है कि अच्छे और लंबे समय तक स्थिर रहने वाले परिक्षेपण परिणाम प्राप्त करने के लिए एक शक्तिशाली परिक्षेपण तकनीक आवश्यक है। अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सरों का उपयोग एक विश्वसनीय और अत्यंत प्रभावी परिक्षेपण विधि के रूप में किया जाता है, जो उच्च श्यानता वाली स्लरियों और यहाँ तक कि बहुत अधिक ठोस सांद्रता वाले पेस्टों को भी आसानी से संसाधित कर सकती है। नैनोकणों की उच्च ठोस मात्रा वाली स्लरियों को संसाधित करने की क्षमता अल्ट्रासोनिकेशन को नैनो-सामग्रियों के लिए पसंदीदा परिक्षेपण तकनीक बनाती है।
Hielscher के औद्योगिक अल्ट्रासोनिकेटर आपकी स्लरी या पेस्ट को एक सतत इन-लाइन रिएक्टर में संसाधित कर सकते हैं, बशर्ते उसे पंप के माध्यम से उसमें पहुँचाया जा सके।

सिलिका नैनोफ्लुइड का अल्ट्रासोनिक उत्पादन

Modragon et al. (2012) ने आसुत जल में सिलिका नैनोकणों को परिक्षेपित करके सिलिका नैनोफ्लुइड तैयार करने के लिए प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर UP400S का उपयोग किया। एक निश्चित ठोस अंश (अर्थात, 20%), कम श्यानता और तरल जैसा व्यवहार रखने वाले स्थिर सिलिका नैनोफ्लुइड तैयार करने की स्थितियों में अल्ट्रासाउंड प्रोब से 5 मिनट तक उच्च-ऊर्जा उपचार, क्षारीय माध्यम (7 से अधिक pH मान) और किसी भी लवण का न मिलाया जाना शामिल हैं। अल्ट्रासोनिक परिक्षेपण से कम श्यानता वाले नैनोफ्लुइड प्राप्त हुए। अल्ट्रासोनिक विधि से तैयार नैनोफ्लुइड ने तरल जैसा व्यवहार किया और सोनिकेशन से प्राप्त अच्छे परिक्षेपण के कारण वे बहुत कम समय में 20% ठोस मात्रा के साथ तैयार हो गए।
“उपलब्ध सभी परिक्षेपण विधियों में, अल्ट्रासोनिक प्रोब द्वारा परिक्षेपण की पुष्टि सबसे प्रभावी विधि के रूप में हुई है।” (Modragon et al., 2012)
Petzold et al. (2009) भी Aerosil पाउडर के कण-समुच्चयों के विघटन के लिए इसी निष्कर्ष पर पहुँचे। उन्होंने पाया कि अत्यधिक केंद्रित ऊर्जा के प्रयोग के कारण अल्ट्रासोनिक प्रोब सबसे प्रभावी परिक्षेपण प्रणाली है।

सिलिका नैनोकणों के कण-समुच्चयों के विघटन और परिक्षेपण के लिए अल्ट्रासोनिकेटर

जब नैनो-सिलिका का उपयोग औद्योगिक अनुप्रयोगों, अनुसंधान या पदार्थ विज्ञान में किया जाता है, तो सूखे सिलिका पाउडर को एक तरल प्रावस्था में मिलाना आवश्यक होता है। नैनो-सिलिका के परिक्षेपण के लिए एक विश्वसनीय और प्रभावी परिक्षेपण तकनीक की आवश्यकता होती है, जो समुच्चयों से अलग-अलग सिलिका कणों को अलग करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्रदान करे। अल्ट्रासोनिकेटर शक्तिशाली और विश्वसनीय डिस्पर्सरों के रूप में सुविख्यात हैं, इसलिए इनका उपयोग सिलिका, नैनोट्यूब, ग्राफीन, खनिजों और कई अन्य सामग्रियों के कण-समुच्चयों को विघटित करने तथा उन्हें एक तरल प्रावस्था में समरूप रूप से वितरित करने के लिए किया जाता है।

Hielscher Ultrasonics सभी प्रकार के समांगीकरण और कण-समुच्चय विघटन अनुप्रयोगों के लिए उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक डिस्पर्सरों का डिज़ाइन, निर्माण और वितरण करता है। नैनो-परिक्षेपणों के उत्पादन में उच्च-प्रदर्शन वाले उत्पाद प्राप्त करने के लिए सोनिकेशन का सटीक नियंत्रण और नैनोकणों के निलंबन का विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक उपचार आवश्यक हैं।
Hielscher Ultrasonics के प्रोसेसर आपको ऊर्जा इनपुट, अल्ट्रासोनिक तीव्रता, आयाम, दाब, तापमान और अवधारण समय जैसे सभी महत्वपूर्ण प्रसंस्करण मापदंडों पर पूर्ण नियंत्रण देते हैं। इससे आप मापदंडों को इष्टतम स्थितियों के अनुरूप समायोजित कर सकते हैं, जिससे नैनोसिलिका स्लरियों जैसे उच्च-गुणवत्ता वाले नैनो-परिक्षेपण प्राप्त होते हैं।
किसी भी आयतन / क्षमता के लिए: Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर और सहायक उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रदान करता है। इससे आपके अनुप्रयोग और उत्पादन क्षमता के लिए आदर्श अल्ट्रासोनिक प्रणाली का विन्यास किया जा सकता है। कुछ मिलीलीटर वाली छोटी शीशियों से लेकर प्रति घंटे हज़ारों गैलन की उच्च-आयतन प्रवाह धाराओं तक, Hielscher आपकी प्रक्रिया के लिए उपयुक्त अल्ट्रासोनिक समाधान प्रदान करता है।
मज़बूती: हमारी अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ मज़बूत और विश्वसनीय हैं। सभी Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर 24/7/365 संचालन के लिए बनाए गए हैं और उन्हें बहुत कम रखरखाव की आवश्यकता होती है।
उपयोग में सुगमता: हमारे अल्ट्रासोनिक उपकरणों का परिष्कृत सॉफ़्टवेयर सरल और विश्वसनीय सोनिकेशन के लिए सोनिकेशन सेटिंग्स को पहले से चुनने और सहेजने की सुविधा देता है। सहज मेनू तक डिजिटल रंगीन टच डिस्प्ले के माध्यम से आसानी से पहुँचा जा सकता है। दूरस्थ ब्राउज़र नियंत्रण से आप किसी भी इंटरनेट ब्राउज़र के माध्यम से संचालन और निगरानी कर सकते हैं। स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग प्रत्येक सोनिकेशन चक्र के प्रक्रिया मापदंडों को अंतर्निर्मित SD कार्ड पर सहेजती है।
उत्कृष्ट ऊर्जा दक्षता: वैकल्पिक प्रकीर्णन तकनीकों की तुलना में, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर अपनी उत्कृष्ट ऊर्जा दक्षता और कण आकार वितरण में बेहतर परिणामों के कारण श्रेष्ठ हैं।

यह चार्ट ultra-turrax की तुलना में Hielscher UIP1000 से सिलिका के अल्ट्रासोनिक प्रकीर्णन का महत्वपूर्ण लाभ दिखाता है। अल्ट्रासोनिकेशन में कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है और इससे सिलिका के कणों का आकार बहुत अधिक घट जाता है।

नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है: