Ultrahangos csapadékfolyamat

A részecskék, pl. nanorészecskék alulról felfelé keletkezhetnek folyadékokban kicsapódás útján. Ebben a folyamatban egy túltelített keverék szilárd részecskéket képez az erősen koncentrált anyagból, amely növekszik és végül kicsapódik. A részecske/kristály méretének és morfológiájának szabályozásához elengedhetetlen a csapadékot befolyásoló tényezők ellenőrzése.

A csapadékfolyamat háttere

Az elmúlt években a nanorészecskék számos területen jelentőségre tettek szert, például a bevonatokban, polimerekben, tintákban, gyógyszerekben vagy elektronikában. A nanoanyagok felhasználását befolyásoló egyik fontos tényező a nanoanyagok költsége. Ezért költséghatékony módszerekre van szükség a nanoanyagok ömlesztett mennyiségben történő előállításához. Míg a folyamatok, mint például Emulgeálás és a darabolás feldolgozása Felülről lefelé irányuló folyamatok, a csapadék alulról felfelé irányuló folyamat nanoméretű részecskék folyadékokból történő szintézisére. A csapadék a következőket foglalja magában:

• Legalább két folyadék keverése
• túltelítettség
• gócképződés
• Részecske növekedés
• Agglomeráció (Általában kerülik alacsony szilárdanyag-koncentrációval vagy stabilizálószerekkel)

Csapadék keverés

A keverés lényeges lépés a csapadékban, mivel a legtöbb csapadékfolyamat esetében a kémiai reakció sebessége nagyon magas. A kicsapódási reakciókhoz általában kevert tartályreaktorokat (szakaszos vagy folyamatos), statikus vagy rotor-állórész keverőket használnak. A keverési teljesítmény és energia inhomogén eloszlása a folyamat térfogatán belül korlátozza a szintetizált nanorészecskék minőségét. Ez a hátrány a reaktor térfogatának növekedésével nő. A fejlett keverési technológia és a befolyásoló paraméterek megfelelő ellenőrzése kisebb részecskéket és jobb részecskehomogenitást eredményez.

Az ütköző fúvókák, mikrocsatornás keverők vagy a Taylor-Couette reaktor használata javítja a keverési intenzitást és homogenitást. Ez rövidebb keverési időt eredményez. Ezek a módszerek azonban korlátozzák a bővítés lehetőségét.

Az ultrahangos kezelés egy fejlett keverési technológia, amely nagyobb nyírási és keverési energiát biztosít méretarányos korlátozások nélkül. Lehetővé teszi az irányító paraméterek ellenőrzését is, mint például a teljesítményfelvétel, a reaktor kialakítása, a tartózkodási idő, a részecske vagy a reaktáns koncentrációja függetlenül. Az ultrahangos kavitáció intenzív mikrokeverést indukál, és helyileg eloszlatja a nagy teljesítményt.

Magnetit nanorészecske kicsapás

Az ultrahangos kezelést csapadékra az ICVT-ben (TU Clausthal) mutatták be Banert és munkatársai (2006) magnetit nanorészecskékhez. Banert optimalizált szonokémiai reaktort használt (jobb oldali kép, 1. takarmány: vasoldat, 2. takarmány: kicsapódószer, Kattintson a nagyobb nézetért!) a magnetit nanorészecskék előállításához “vas(III)-klorid-hexahidrát és vas(II)-szulfát-heptahidrát Fe mólarányú vizes oldatának együttes kicsapatásával³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Mivel a hidrodinamikai előkeverés és a makrokeverés fontos, és hozzájárul az ultrahangos mikrokeveréshez, a reaktor geometriája és az adagolócsövek helyzete fontos tényezők, amelyek befolyásolják a folyamat eredményét. Munkájuk során Banert és mtsai. összehasonlította a különböző reaktorterveket. A reaktorkamra jobb kialakítása ötszörösére csökkentheti a szükséges fajlagos energiát.

A vasoldatot tömény ammónium-hidroxiddal, illetve nátrium-hidroxiddal csapjuk ki. A pH-gradiens elkerülése érdekében a kicsapószert feleslegben kell pumpálni. A magnetit szemcseméret-eloszlását foton korrelációs spektroszkópiával (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Ultrahangos kezelés nélkül az átlagos részecskeméretű részecskék 45nm csak a hidrodinamikai keveréssel készültek. Az ultrahangos keverés csökkentette a kapott részecskeméretet 10nm-re és kevesebbre. Az alábbi ábra a Fe szemcseméret-eloszlását mutatja₃O₄ folyamatos ultrahangos kicsapódási reakcióban keletkező részecskék (Banert és mások, 2004).

A következő ábra (Banert és mások, 2006) a részecskeméretet mutatja a fajlagos energiabevitel függvényében.

“A diagram három fő rendszerre osztható. Kb. 1000 kJ/kg alatt_Fe3O4 a keveredést a hidrodinamikai hatás szabályozza. A részecskeméret körülbelül 40-50 nm. 1000 kJ/kg felett az ultrahangos keverés hatása láthatóvá válik. A részecskeméret 10 nm alá csökken. A fajlagos bemeneti teljesítmény további növelésével a részecskeméret ugyanabban a nagyságrendben marad. A csapadékkeverési folyamat elég gyors ahhoz, hogy lehetővé tegye a homogén nukleációt.”

---

Irodalom / Hivatkozások

• 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.