Proses Presipitasi Ultrasonik

Partikel, misalnya nanopartikel, dapat dihasilkan secara bottom-up dalam cairan melalui presipitasi. Dalam proses ini, campuran lewat jenuh mulai membentuk partikel padat dari bahan berkonsentrasi tinggi, yang kemudian tumbuh dan akhirnya mengendap. Untuk mengendalikan ukuran dan morfologi partikel/kristal, pengendalian faktor-faktor yang memengaruhi presipitasi sangat penting.

Latar Belakang Proses Presipitasi

Dalam beberapa tahun terakhir, nanopartikel semakin penting dalam berbagai bidang, seperti pelapis, polimer, tinta, farmasi, atau elektronik. Salah satu faktor penting yang memengaruhi penggunaan nanomaterial adalah biaya nanomaterial tersebut. Oleh karena itu, diperlukan cara yang hemat biaya untuk memproduksi nanomaterial dalam jumlah besar. Sementara proses seperti emulsifikasi dan proses pengecilan ukuran merupakan proses top-down, presipitasi merupakan proses bottom-up untuk menyintesis partikel berukuran nano dari cairan. Presipitasi melibatkan:

• Pencampuran setidaknya dua cairan
• Supersaturasi
• Nukleasi
• Pertumbuhan partikel
• Aglomerasi (Biasanya dihindari dengan konsentrasi padatan yang rendah atau dengan bahan penstabil)

Pencampuran dalam Presipitasi

Pencampuran merupakan tahap penting dalam presipitasi karena pada sebagian besar proses presipitasi, laju reaksi kimianya sangat tinggi. Umumnya, reaktor tangki berpengaduk (batch atau kontinu), pencampur statis, atau pencampur rotor-stator digunakan untuk reaksi presipitasi. Distribusi daya dan energi pencampuran yang tidak homogen di dalam volume proses membatasi kualitas nanopartikel yang disintesis. Kekurangan ini semakin besar seiring meningkatnya volume reaktor. Teknologi pencampuran canggih dan pengendalian yang baik terhadap parameter yang berpengaruh menghasilkan partikel yang lebih kecil dan homogenitas partikel yang lebih baik.

Penerapan jet yang saling bertumbukan, pencampur saluran mikro, atau penggunaan reaktor Taylor-Couette meningkatkan intensitas dan homogenitas pencampuran. Hal ini menghasilkan waktu pencampuran yang lebih singkat. Namun, metode-metode ini memiliki potensi peningkatan skala yang terbatas.

Ultrasonikasi merupakan teknologi pencampuran canggih yang memberikan gaya geser dan energi pengadukan yang lebih tinggi tanpa batasan peningkatan skala. Teknologi ini juga memungkinkan pengendalian parameter penentu, seperti masukan daya, desain reaktor, waktu tinggal, konsentrasi partikel, atau konsentrasi reaktan secara independen. Kavitasi ultrasonik menginduksi pencampuran mikro yang intens dan mendisipasikan daya tinggi secara lokal.

Presipitasi Nanopartikel Magnetit

Penerapan ultrasonikasi pada presipitasi didemonstrasikan di ICVT (TU Clausthal) oleh Banert et al. (2006) untuk nanopartikel magnetit. Banert menggunakan reaktor sonokimia yang dioptimalkan (gambar kanan, umpan 1: larutan besi, umpan 2: bahan pengendap, Klik untuk tampilan yang lebih besar!) untuk menghasilkan nanopartikel magnetit “melalui kopresipitasi larutan besi(III) klorida heksahidrat dan besi(II) sulfat heptahidrat dalam air dengan rasio molar Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Karena prapencampuran hidrodinamik dan pencampuran makro penting serta berkontribusi terhadap pencampuran mikro ultrasonik, geometri reaktor dan posisi pipa umpan merupakan faktor penting yang menentukan hasil proses. Dalam penelitian mereka, Banert et al. membandingkan berbagai desain reaktor. Desain ruang reaktor yang disempurnakan dapat mengurangi energi spesifik yang diperlukan menjadi seperlima.

Larutan besi diendapkan masing-masing dengan amonium hidroksida pekat dan natrium hidroksida. Untuk menghindari gradien pH, bahan pengendap harus dipompa dalam jumlah berlebih. Distribusi ukuran partikel magnetit telah diukur menggunakan spektroskopi korelasi foton (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Tanpa ultrasonikasi, partikel dengan ukuran rata-rata 45nm dihasilkan hanya melalui pencampuran hidrodinamik. Pencampuran ultrasonik mengurangi ukuran partikel yang dihasilkan menjadi 10nm dan lebih kecil. Grafik di bawah ini menunjukkan distribusi ukuran partikel Fe₃O₄ yang dihasilkan dalam reaksi presipitasi ultrasonik kontinu (Banert et al., 2004).

Grafik berikutnya (Banert et al., 2006) menunjukkan ukuran partikel sebagai fungsi masukan energi spesifik.

“Diagram ini dapat dibagi menjadi tiga rezim utama. Di bawah sekitar 1000 kJ/kg_Fe3O4 pencampuran dikendalikan oleh efek hidrodinamik. Ukuran partikel sekitar 40–50 nm. Di atas 1000 kJ/kg, efek pencampuran ultrasonik mulai terlihat. Ukuran partikel menurun hingga di bawah 10 nm. Dengan peningkatan lebih lanjut pada masukan daya spesifik, ukuran partikel tetap berada pada orde besaran yang sama. Proses pencampuran dalam presipitasi cukup cepat untuk memungkinkan nukleasi homogen.”

---

Literatur / Referensi

• 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.