Ultrahangos kicsapatási eljárás

Folyadékokban kicsapatással alulról felfelé építkező módon állíthatók elő részecskék, például nanorészecskék. Ebben a folyamatban a túltelített keverékben a nagy koncentrációban jelen lévő anyagból szilárd részecskék kezdenek kialakulni, amelyek növekednek, majd végül kiválnak. A részecskék/kristályok méretének és morfológiájának szabályozásához elengedhetetlen a kicsapatást befolyásoló tényezők szabályozása.

A kicsapatási eljárás háttere

Az elmúlt években a nanorészecskék számos területen váltak fontossá, például a bevonatok, polimerek, tinták, gyógyszerek és az elektronika területén. A nanoanyagok felhasználását befolyásoló egyik fontos tényező a nanoanyagok költsége. Ezért költséghatékony módszerekre van szükség a nanoanyagok nagy mennyiségben történő előállításához. Míg az olyan eljárások, mint az emulgeálás és az aprítás, felülről lefelé építkező eljárások, a kicsapatás alulról felfelé építkező eljárás nanoméretű részecskék folyadékokból történő szintézisére. A kicsapatás a következőket foglalja magában:

• Legalább két folyadék összekeverése
• Túltelítettség
• Gócképződés
• Részecskék növekedése
• Agglomeráció (jellemzően alacsony szilárdanyag-koncentrációval vagy stabilizálószerekkel kerülhető el)

Keverés a kicsapatás során

A keverés a kicsapatás alapvető lépése, mivel a legtöbb kicsapatási eljárásban a kémiai reakció sebessége nagyon nagy. A kicsapatási reakciókhoz általában kevert tartályreaktorokat (szakaszos vagy folyamatos üzeműeket), statikus vagy rotor–sztátor keverőket használnak. A keverési teljesítmény és energia egyenetlen eloszlása a feldolgozott térfogaton belül korlátozza a szintetizált nanorészecskék minőségét. Ez a hátrány a reaktor térfogatának növekedésével fokozódik. A fejlett keverési technológia és a befolyásoló paraméterek megfelelő szabályozása kisebb részecskéket és jobb részecske-homogenitást eredményez.

Az egymásnak ütköző folyadéksugarak, a mikrocsatornás keverők vagy a Taylor–Couette-reaktor alkalmazása javítja a keverés intenzitását és homogenitását. Ez rövidebb keverési időkhöz vezet. E módszerek méretnövelési lehetőségei azonban korlátozottak.

Az ultrahangos kezelés fejlett keverési technológia, amely nagyobb nyíróhatást és keverési energiát biztosít méretnövelési korlátok nélkül. Emellett lehetővé teszi a meghatározó paraméterek, például a bevitt teljesítmény, a reaktorkialakítás, a tartózkodási idő, valamint a részecske- vagy reaktánskoncentráció egymástól független szabályozását. Az ultrahangos kavitáció intenzív mikrokeverést idéz elő, és helyileg nagy teljesítményt disszipál.

Magnetit-nanorészecskék kicsapatása

Az ultrahangos kezelés kicsapatásban történő alkalmazását az ICVT-ben (TU Clausthal) mutatták be Banert és munkatársai (2006) magnetit-nanorészecskék esetében. Banert optimalizált szonokémiai reaktort használt (jobb oldali kép, 1. betáplálás: vasoldat, 2. betáplálás: kicsapatószer, Kattintson a nagyobb nézetért!) a magnetit-nanorészecskék előállításához „vas(III)-klorid-hexahidrát és vas(II)-szulfát-heptahidrát vizes oldatának együttes kicsapatásával, amelyben a Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1 mólarány áll fenn. Mivel a hidrodinamikai előkeverés és a makrokeverés fontos, és hozzájárul az ultrahangos mikrokeveréshez, a reaktor geometriája és a betápláló csövek helyzete a folyamat eredményét meghatározó fontos tényezők. Munkájukban Banert és munkatársai különböző reaktorkialakításokat hasonlítottak össze. A reaktorkamra továbbfejlesztett kialakítása az ötödére csökkentheti a szükséges fajlagos energiát.

A vasoldatot tömény ammónium-hidroxiddal, illetve nátrium-hidroxiddal csapatják ki. Bármilyen pH-gradiens elkerülése érdekében a kicsapatószert feleslegben kell szivattyúzni. A magnetit részecskeméret-eloszlását fotonkorrelációs spektroszkópiával mérték (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Ultrahangos kezelés nélkül, kizárólag hidrodinamikai keveréssel 45nm átlagos részecskeméretű részecskéket állítottak elő. Az ultrahangos keverés a kapott részecskeméretet 10nm-re és az alá csökkentette. Az alábbi ábra a folyamatos ultrahangos kicsapatási reakcióban előállított Fe₃O₄ részecskék méreteloszlását mutatja (Banert és munkatársai, 2004).

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

„A diagram három fő tartományra osztható. Körülbelül 1000 kJ/kg_Fe3O4 alatt a keverést 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 teljesítménybevitel további növelésével a részecskeméret ugyanabban a nagyságrendben marad. A kicsapatás során végzett keverés elég gyors ahhoz, hogy lehetővé tegye a homogén gócképződést.”

---

Szakirodalom / 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.