Ուլտրաձայնային տեղումների գործընթաց

Մասնիկները, օրինակ՝ նանոմասնիկները, կարող են առաջանալ հեղուկներում ներքևից վեր՝ տեղումների միջոցով: Այս գործընթացում գերհագեցած խառնուրդը սկսում է պինդ մասնիկներ ձևավորել բարձր խտացված նյութից, որոնք կաճեն և վերջապես նստեցվեն: Մասնիկների/բյուրեղների չափը և մորֆոլոգիան վերահսկելու համար էական նշանակություն ունի տեղումների վրա ազդող գործոնների վերահսկողությունը:

Տեղումների գործընթացի նախապատմություն

Վերջին տարիներին նանոմասնիկները մեծ նշանակություն են ձեռք բերել բազմաթիվ ոլորտներում, ինչպիսիք են ծածկույթները, պոլիմերները, թանաքները, դեղագործությունը կամ էլեկտրոնիկան: Նանոնյութերի օգտագործման վրա ազդող կարևոր գործոնը նանոնյութերի արժեքն է: Հետևաբար, նանոնյութերը մեծ քանակությամբ արտադրելու ծախսարդյունավետ եղանակներ են պահանջվում: Մինչ գործընթացները, ինչպես էմուլգացիա եւ մանրացման մշակումն են վերևից վար գործընթացներ, տեղումները հեղուկներից նանո չափի մասնիկների սինթեզի ներքևից վեր գործընթաց է։ Տեղումները ներառում են.

• Առնվազն երկու հեղուկի խառնուրդ
• գերհագեցվածություն
• միջուկացում
• Մասնիկների աճ
• Ագլոմերացիա (Սովորաբար խուսափում է ցածր պինդ կոնցենտրացիայի կամ կայունացնող նյութերի միջոցով)

Տեղումների խառնուրդ

Խառնումը էական քայլ է տեղումների մեջ, քանի որ տեղումների գործընթացների մեծ մասում քիմիական ռեակցիայի արագությունը շատ բարձր է: Սովորաբար, տեղումների ռեակցիաների համար օգտագործվում են խառնված տանկային ռեակտորներ (խմբաքանակային կամ շարունակական), ստատիկ կամ ռոտոր-ստատոր խառնիչներ: Գործընթացի ծավալում խառնվող հզորության և էներգիայի անհամասեռ բաշխումը սահմանափակում է սինթեզված նանոմասնիկների որակը: Այս թերությունը մեծանում է ռեակտորի ծավալի մեծացման հետ: Խառնման առաջադեմ տեխնոլոգիան և ազդող պարամետրերի լավ վերահսկումը հանգեցնում են ավելի փոքր մասնիկների և մասնիկների ավելի լավ համասեռության:

Հարվածող շիթերի, միկրոալիքային խառնիչների կիրառումը կամ Թեյլոր-Կուետ ռեակտորի օգտագործումը բարելավում են խառնման ինտենսիվությունը և միատարրությունը: Սա հանգեցնում է ավելի կարճ խառնման ժամանակների: Այդուհանդերձ, այս մեթոդները սահմանափակ են, քանի որ հնարավոր է մեծացնել:

Ultrasonication-ը խառնուրդի առաջադեմ տեխնոլոգիա է, որն ապահովում է ավելի բարձր կտրվածք և հուզիչ էներգիա՝ առանց մեծացման սահմանափակումների: Այն նաև թույլ է տալիս ինքնուրույն վերահսկել կառավարող պարամետրերը, ինչպիսիք են էներգիայի մուտքը, ռեակտորի ձևավորումը, բնակության ժամանակը, մասնիկների կամ ռեակտիվների կոնցենտրացիան: Ուլտրաձայնային կավիտացիան առաջացնում է ինտենսիվ միկրո խառնուրդ և ցրում է բարձր հզորությունը տեղական մակարդակում:

Մագնետիտի նանոմասնիկների տեղումներ

Ուլտրաձայնային կիրառումը տեղումների նկատմամբ ցուցադրվել է ICVT-ում (TU Clausthal) կողմից. Բաներթ և այլք: (2006) մագնիտիտ նանոմասնիկների համար: Բաներթն օգտագործել է օպտիմիզացված սոնո-քիմիական ռեակտոր (աջ նկար, սնուցում 1՝ երկաթի լուծույթ, սնուցում 2՝ տեղումների նյութ, Սեղմեք ավելի մեծ դիտման համար:) մագնետիտի նանոմասնիկներ արտադրելու համար “երկաթի (III) քլորիդ հեքսահիդրատի և երկաթի (II) սուլֆատի հեպտահիդրատի ջրային լուծույթի միաժամանակ նստեցմամբ՝ Fe-ի մոլային հարաբերակցությամբ³⁺/Ֆե²⁺ = 2։1։ Քանի որ հիդրոդինամիկ նախնական և մակրո խառնումը կարևոր են և նպաստում են ուլտրաձայնային միկրոխառնմանը, ռեակտորի երկրաչափությունը և սնուցող խողովակների դիրքը կարևոր գործոններ են, որոնք կարգավորում են գործընթացի արդյունքը: Իրենց աշխատանքում, Բաներթ և այլք: համեմատել տարբեր ռեակտորների նախագծերը: Ռեակտորի խցիկի բարելավված դիզայնը կարող է հինգ անգամ նվազեցնել պահանջվող հատուկ էներգիան:

Երկաթի լուծույթը նստեցվում է համապատասխանաբար խտացված ամոնիումի հիդրօքսիդով և նատրիումի հիդրօքսիդով: pH-ի ցանկացած գրադիենտից խուսափելու համար նստվածքը պետք է ավելցուկով մղվի: Մագնիտիտի մասնիկների չափերի բաշխումը չափվել է ֆոտոնների հարաբերակցության սպեկտրոսկոպիայի միջոցով (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.)”

Առանց ուլտրաձայնային մշակման, 45 նմ միջին մասնիկի չափի մասնիկներ են արտադրվել միայն հիդրոդինամիկ խառնուրդով: Ուլտրաձայնային խառնումը նվազեցրեց ստացված մասնիկի չափը մինչև 10 նմ և ավելի քիչ: Ստորև ներկայացված գրաֆիկը ցույց է տալիս Fe-ի մասնիկների չափի բաշխումը₃Օ₄ մասնիկներ, որոնք առաջանում են շարունակական ուլտրաձայնային տեղումների ռեակցիայի ժամանակ (Բաներթ և այլք, 2004 թ)

Հաջորդ գրաֆիկան (Բաներթ և այլք, 2006 թ) ցույց է տալիս մասնիկի չափը՝ որպես հատուկ էներգիայի ներդրման ֆունկցիա։

“Դիագրամը կարելի է բաժանել երեք հիմնական ռեժիմների. Մոտ 1000 կՋ/կգ ցածր_Fe3O4 Խառնումը կառավարվում է հիդրոդինամիկ էֆեկտով։ Մասնիկների չափը կազմում է մոտ 40-50 նմ։ 1000 կՋ/կգ-ից բարձր ուլտրաձայնային խառնման ազդեցությունը դառնում է տեսանելի։ Մասնիկների չափը նվազում է 10 նմ-ից ցածր։ Մուտքային տեսակարար հզորության հետագա աճի հետ մեկտեղ մասնիկների չափը մնում է նույն կարգի մեծության մեջ։ Տեղումների խառնման գործընթացը բավականաչափ արագ է՝ միատարր միջուկագոյացում թույլ տալու 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.