Ուլտրաձայնային նստեցման գործընթաց

Մասնիկները, օրինակ՝ նանոմասնիկները, կարելի է հեղուկներում ստանալ նստեցման միջոցով՝ փոքրից մեծ կառուցվածքների ձևավորման սկզբունքով։ Այս գործընթացում գերհագեցած խառնուրդում բարձր կոնցենտրացիա ունեցող նյութից սկսում են առաջանալ պինդ մասնիկներ, որոնք աճում են և ի վերջո նստում։ Մասնիկների/բյուրեղների չափերն ու մորֆոլոգիան վերահսկելու համար անհրաժեշտ է վերահսկել նստեցման վրա ազդող գործոնները։

Նստեցման գործընթացի հիմունքները

Վերջին տարիներին նանոմասնիկները կարևորություն են ձեռք բերել բազմաթիվ ոլորտներում, ինչպիսիք են ծածկույթները, պոլիմերները, թանաքները, դեղագործությունը կամ էլեկտրոնիկան։ Նանոնյութերի կիրառման վրա ազդող կարևոր գործոններից մեկը դրանց արժեքն է։ Ուստի անհրաժեշտ են մեծ քանակներով նանոնյութեր արտադրելու տնտեսապես արդյունավետ եղանակներ։ Մինչդեռ այնպիսի գործընթացներ, ինչպիսիք են էմուլգացումը և մանրացումը, մեծից փոքր կառուցվածքների ստացման գործընթացներ են, նստեցումը հեղուկներից նանոչափային մասնիկների սինթեզի գործընթաց է՝ փոքրից մեծ կառուցվածքների ձևավորման սկզբունքով։ Նստեցումը ներառում է՝

• Առնվազն երկու հեղուկի խառնում
• Գերհագեցում
• Բյուրեղացման սաղմերի առաջացում
• Մասնիկների աճ
• Ագլոմերացում (սովորաբար կանխվում է պինդ նյութի ցածր կոնցենտրացիայի կամ կայունացնող նյութերի միջոցով)

Խառնումը նստեցման ընթացքում

Խառնումը նստեցման կարևոր փուլ է, քանի որ նստեցման գործընթացների մեծ մասում քիմիական ռեակցիայի արագությունը շատ բարձր է։ Նստեցման ռեակցիաների համար սովորաբար օգտագործվում են խառնիչով տարողունակ ռեակտորներ (պարբերական կամ անընդհատ գործողության), ստատիկ կամ ռոտոր–ստատորային խառնիչներ։ Գործընթացի ծավալում խառնման հզորության և էներգիայի անհամասեռ բաշխումը սահմանափակում է սինթեզվող նանոմասնիկների որակը։ Այս թերությունն ավելի է արտահայտվում ռեակտորի ծավալի մեծացման հետ։ Խառնման առաջադեմ տեխնոլոգիան և ազդող պարամետրերի լավ վերահսկումը հանգեցնում են ավելի փոքր մասնիկների և մասնիկների ավելի բարձր համասեռության։

Բախվող շիթերի, միկրոալիքային խառնիչների կամ Taylor-Couette ռեակտորի կիրառումը բարելավում է խառնման ինտենսիվությունն ու համասեռությունը։ Սա կրճատում է խառնման տևողությունը։ Սակայն այս մեթոդների մասշտաբավորման հնարավորությունները սահմանափակ են։

Ուլտրաձայնային մշակումը խառնման առաջադեմ տեխնոլոգիա է, որն ապահովում է ավելի ուժեղ սահք և խառնման ավելի մեծ էներգիա՝ առանց մասշտաբավորման սահմանափակումների։ Այն նաև թույլ է տալիս միմյանցից անկախ վերահսկել գործընթացը որոշող պարամետրերը, ինչպիսիք են ներմուծվող հզորությունը, ռեակտորի կառուցվածքը, ռեակտորում մնալու տևողությունը, մասնիկների կամ ռեագենտների կոնցենտրացիան։ Ուլտրաձայնային կավիտացիան առաջացնում է ինտենսիվ միկրոխառնում և տեղային կերպով ցրում բարձր հզորություն։

Մագնետիտի նանոմասնիկների նստեցում

Մագնետիտի նանոմասնիկների նստեցման համար ուլտրաձայնային մշակման կիրառումը ICVT-ում (TU Clausthal) ցուցադրել են Banert-ը և համահեղինակները (2006) ։ Banert-ն օգտագործել է օպտիմալացված սոնոքիմիական ռեակտոր (աջակողմյան պատկերում, մուտքային հոսք 1՝ երկաթի լուծույթ, մուտքային հոսք 2՝ նստեցնող նյութ, Սեղմե՛ք՝ մեծացված տեսքը դիտելու համար։)՝ մագնետիտի նանոմասնիկներ ստանալու համար՝ «երկաթի(III) քլորիդի հեքսահիդրատի և երկաթի(II) սուլֆատի հեպտահիդրատի ջրային լուծույթի համատեղ նստեցմամբ՝ հետևյալ մոլային հարաբերակցությամբ՝ Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1։ Քանի որ հիդրոդինամիկական նախնական խառնումը և մակրոխառնումը կարևոր են և նպաստում են ուլտրաձայնային միկրոխառնմանը, ռեակտորի երկրաչափությունը և մատակարարման խողովակների դիրքը գործընթացի արդյունքը որոշող կարևոր գործոններ են։ Իրենց աշխատանքում Banert-ը և համահեղինակները համեմատել են ռեակտորների տարբեր կառուցվածքներ։ Ռեակտորի խցիկի բարելավված կառուցվածքը կարող է հինգ անգամ նվազեցնել պահանջվող տեսակարար էներգիան։

Երկաթի լուծույթը նստեցվում է համապատասխանաբար խիտ ամոնիումի հիդրօքսիդով և նատրիումի հիդրօքսիդով։ pH-ի ցանկացած գրադիենտից խուսափելու համար նստեցնող նյութը պետք է պոմպով մատակարարվի ավելցուկով։ Մագնետիտի մասնիկների չափային բաշխումը չափվել է ֆոտոնային կոռելյացիոն սպեկտրոսկոպիայի միջոցով (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Առանց ուլտրաձայնային մշակման՝ միայն հիդրոդինամիկական խառնմամբ, ստացվել են 45nm միջին չափով մասնիկներ։ Ուլտրաձայնային խառնումը ստացված մասնիկների չափը նվազեցրել է մինչև 10nm և ավելի քիչ։ Ստորև ներկայացված գրաֆիկը ցույց է տալիս մասնիկների չափային բաշխումը՝ Fe₃O₄ մասնիկների համար, որոնք ստացվել են անընդհատ ուլտրաձայնային նստեցման ռեակցիայի ընթացքում (Banert և համահեղինակներ, 2004).

Հաջորդ գրաֆիկը (Banert և համահեղինակներ, 2006) ցույց է տալիս մասնիկների չափի կախվածությունը ներմուծվող տեսակարար էներգիայից։

«Դիագրամը կարելի է բաժանել երեք հիմնական ռեժիմի։ Մոտավորապես 1000 kJ/kg_Fe3O4 արժեքից ցածր լինելու դեպքում խառնումը որոշվում է հիդրոդինամիկական ազդեցությամբ։ Մասնիկների չափը կազմում է մոտ 40–50 nm։ 1000 kJ/kg-ից բարձր արժեքների դեպքում ուլտրաձայնային խառնման ազդեցությունը դառնում է տեսանելի։ Մասնիկների չափը նվազում է 10 nm-ից ցածր։ Ներմուծվող տեսակարար հզորության հետագա մեծացման դեպքում մասնիկների չափը մնում է մեծության նույն կարգում։ Նստեցման ընթացքում խառնման գործընթացը բավականաչափ արագ է՝ համասեռ սաղմնառաջացում ապահովելու համար»։

---

Գրականություն / Հղումներ

• 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.