Postupak ultrazvučnog taloženja

Čestice, primjerice nanočestice, mogu se stvarati u tekućinama taloženjem pristupom odozdo prema gore. U tom procesu u prezasićenoj smjesi počinju nastajati čvrste čestice iz visokokoncentriranog materijala, koje rastu i naposljetku se talože. Za kontrolu veličine i morfologije čestica/kristala nužna je kontrola čimbenika koji utječu na taloženje.

Osnove postupka taloženja

Posljednjih su godina nanočestice dobile na važnosti u mnogim područjima, primjerice u premazima, polimerima, tintama, farmaceutskim proizvodima ili elektronici. Jedan od važnih čimbenika koji utječu na primjenu nanomaterijala jest njihov trošak. Stoga su potrebni troškovno učinkoviti načini proizvodnje nanomaterijala u velikim količinama. Dok su postupci poput emulgiranja i usitnjavanja postupci odozgo prema dolje, taloženje je postupak odozdo prema gore za sintezu čestica nanometarskih dimenzija iz tekućina. Taloženje obuhvaća:

• Miješanje najmanje dviju tekućina
• Prezasićenje
• Nukleaciju
• Rast čestica
• Aglomeraciju (obično se izbjegava niskom koncentracijom čvrste tvari ili stabilizatorima)

Miješanje pri taloženju

Miješanje je ključan korak u taloženju jer je u većini postupaka taloženja brzina kemijske reakcije vrlo velika. Za reakcije taloženja obično se upotrebljavaju kotlasti reaktori s miješalom (šaržni ili kontinuirani), statičke miješalice ili miješalice rotor-stator. Nehomogena raspodjela snage i energije miješanja unutar procesnog volumena ograničava kvalitetu sintetiziranih nanočestica. Taj nedostatak postaje izraženiji s povećanjem volumena reaktora. Napredna tehnologija miješanja i dobra kontrola utjecajnih parametara rezultiraju manjim česticama i većom homogenošću čestica.

Primjena sudarajućih mlazova, mikrokanalnih miješalica ili reaktora Taylor-Couette poboljšava intenzitet i homogenost miješanja. To dovodi do kraćih vremena miješanja. Ipak, mogućnosti povećanja mjerila tih metoda ograničene su.

Sonikacija je napredna tehnologija miješanja koja pruža veće smicanje i veću energiju miješanja bez ograničenja pri povećanju mjerila. Omogućuje i neovisnu kontrolu ključnih parametara, poput unesene snage, konstrukcije reaktora, vremena zadržavanja te koncentracije čestica ili reaktanata. Ultrazvučna kavitacija izaziva intenzivno mikromiješanje i lokalno disipira veliku snagu.

Taloženje nanočestica magnetita

Primjenu sonikacije pri taloženju nanočestica magnetita na institutu ICVT (TU Clausthal) prikazali su Banert i sur. (2006) . Banert je upotrijebio optimizirani sonokemijski reaktor (slika desno, dovod 1: otopina željeza, dovod 2: sredstvo za taloženje, Kliknite za veći prikaz!) za proizvodnju nanočestica magnetita „sutaloženjem vodene otopine željezova(III) klorida heksahidrata i željezova(II) sulfata heptahidrata s molarnim omjerom Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Budući da su hidrodinamičko predmiješanje i makromiješanje važni i doprinose ultrazvučnom mikromiješanju, geometrija reaktora i položaj dovodnih cijevi važni su čimbenici koji određuju rezultat procesa. U svojem su radu Banert i sur. usporedili različite konstrukcije reaktora. Poboljšana konstrukcija reaktorske komore može smanjiti potrebnu specifičnu energiju za faktor pet.

Otopina željeza taloži se koncentriranim amonijevim hidroksidom odnosno natrijevim hidroksidom. Kako bi se izbjegao bilo kakav gradijent pH, taložno sredstvo mora se dopremati pumpom u suvišku. Raspodjela veličine čestica magnetita izmjerena je fotonskom korelacijskom spektroskopijom (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Bez sonikacije, samo hidrodinamičkim miješanjem proizvedene su čestice srednje veličine 45nm. Ultrazvučno miješanje smanjilo je veličinu dobivenih čestica na 10nm i manje. Grafikon u nastavku prikazuje raspodjelu veličine čestica Fe₃O₄ nastalih u kontinuiranoj reakciji ultrazvučnog taloženja (Banert i sur., 2004).

Sljedeći grafikon (Banert i sur., 2006) prikazuje veličinu čestica u ovisnosti o specifičnom unosu energije.

„Dijagram se može podijeliti na tri glavna režima. Ispod približno 1000 kJ/kg_Fe3O4 miješanjem upravlja hidrodinamički učinak. Veličina čestica iznosi približno 40–50 nm. Iznad 1000 kJ/kg učinak ultrazvučnog miješanja postaje vidljiv. Veličina čestica smanjuje se na manje od 10 nm. S daljnjim povećanjem specifičnog unosa snage veličina čestica ostaje u istom redu veličine. Postupak miješanja pri taloženju dovoljno je brz da omogući homogenu nukleaciju.”

---

Literatura / Reference

• 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.