Proces ultrazvučnog taloženja

Čestice, npr. nanočestice, mogu se stvarati odozdo prema gore u tekućinama pomoću taloženja. U ovom procesu, prezasićena smjesa počinje stvarati krute čestice iz visoko koncentriranog materijala koji će rasti i konačno se istaložiti. Kako bi se kontrolirala veličina i morfologija čestica/kristala, ključna je kontrola čimbenika koji utječu na taloženje.

Pozadina procesa taloženja

U posljednjih nekoliko godina, nanočestice su dobile na važnosti u mnogim područjima, kao što su premazi, polimeri, tinte, farmaceutski proizvodi ili elektronika. Jedan važan čimbenik koji utječe na korištenje nanomaterijala je cijena nanomaterijala. Stoga su potrebni isplativi načini za proizvodnju nanomaterijala u velikim količinama. Dok procesi, kao emulgiranje i obrada usitnjavanja su procesi odozgo prema dolje, taloženje je proces odozdo prema gore za sintezu čestica nano veličine iz tekućina. Padalina uključuje:

• Miješanje najmanje dvije tekućine
• prezasićenost
• nukleacija
• Rast čestica
• Aglomeracija (obično se izbjegava niskom koncentracijom čvrste tvari ili stabilizirajućim agensima)

Miješanje taloženja

Miješanje je bitan korak u taloženju, budući da je za većinu procesa taloženja brzina kemijske reakcije vrlo velika. Obično se za reakcije taloženja koriste reaktori u spremniku s miješalicom (šaržni ili kontinuirani), statične ili rotor-statorske miješalice. Nehomogena raspodjela snage miješanja i energije unutar procesnog volumena ograničava kvalitetu sintetiziranih nanočestica. Ovaj nedostatak se povećava kako se volumen reaktora povećava. Napredna tehnologija miješanja i dobra kontrola nad utjecajnim parametrima rezultiraju manjim česticama i boljom homogenošću čestica.

Primjena udarnih mlaznica, mikrokanalnih miješalica ili uporaba Taylor-Couette reaktora poboljšavaju intenzitet miješanja i homogenost. To dovodi do kraćih vremena miješanja. Ipak, te metode ograničavaju mogućnost povećanja.

Ultrasonication je napredna tehnologija miješanja koja pruža veću energiju smicanja i miješanja bez ograničenja povećanja. Također omogućuje neovisnu kontrolu upravljačkih parametara, kao što su ulazna snaga, dizajn reaktora, vrijeme zadržavanja, koncentracija čestica ili reaktanata. Ultrazvučna kavitacija izaziva intenzivno mikro miješanje i raspršuje veliku snagu lokalno.

Taloženje nanočestica magnetita

Primjenu ultrazvučne obrade na taloženje demonstrirao je na ICVT (TU Clausthal) Banert i sur. (2006) za nanočestice magnetita. Banert je koristio optimizirani sonokemijski reaktor (desna slika, punjenje 1: otopina željeza, napajanje 2: sredstvo za taloženje, Kliknite za veći prikaz!) za proizvodnju nanočestica magnetita “sutaloženjem vodene otopine željezo(III)klorid heksahidrata i željezo(II)sulfata heptahidrata s molarnim omjerom Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Budući da su hidrodinamičko prethodno miješanje i makro miješanje važni i pridonose ultrazvučnom mikro miješanju, geometrija reaktora i položaj dovodnih cijevi važni su čimbenici koji upravljaju rezultatom procesa. U svom radu, Banert i sur. usporedio različite dizajne reaktora. Poboljšani dizajn reaktorske komore može smanjiti potrebnu specifičnu energiju za faktor pet.

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

Bez ultrazvučne obrade, čestice srednje veličine od 45 nm proizvedene su samo hidrodinamičkim miješanjem. Ultrazvučno miješanje smanjilo je rezultirajuću veličinu čestica na 10 nm i manje. Grafikon ispod prikazuje distribuciju veličine čestica Fe₃O₄ čestice nastale u kontinuiranoj reakciji ultrazvučnog taloženja (Banert i sur., 2004).

Sljedeća grafika (Banert i sur., 2006) prikazuje veličinu čestica kao funkciju specifičnog unosa energije.

“Dijagram se može podijeliti u tri glavna režima. Ispod oko 1000 kJ/kg_Fe3O4 Miješanje se kontrolira hidrodinamičkim učinkom. Veličina čestica iznosi oko 40-50 nm. Iznad 1000 kJ/kg učinak ultrazvučnog miješanja postaje vidljiv. Veličina čestica smanjuje se ispod 10 nm. Daljnjim povećanjem specifične ulazne snage veličina čestica ostaje u istom redoslijedu veličine. Proces miješanja taloženja 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.