Processo di precipitazione a ultrasuoni

Le particelle, ad esempio le nanoparticelle, possono essere generate dal basso verso l'alto nei liquidi mediante precipitazione. In questo processo, una miscela supersatura inizia a formare particelle solide dal materiale altamente concentrato che crescono e infine precipitano. Per controllare le dimensioni e la morfologia delle particelle/cristalli, è essenziale controllare i fattori che influenzano la precipitazione.

Processo di precipitazione Contesto

Negli ultimi anni, le nanoparticelle hanno acquisito importanza in molti campi, come rivestimenti, polimeri, inchiostri, prodotti farmaceutici o elettronici. Un fattore importante che influenza l'uso dei nanomateriali è il loro costo. Pertanto, sono necessari metodi efficienti dal punto di vista dei costi per produrre nanomateriali in quantità massicce. Mentre i processi, come emulsificazione e il processo di comminuzione sono processi top-downLa precipitazione è un processo bottom-up per la sintesi di particelle di dimensioni nano a partire da liquidi. La precipitazione comporta:

• Miscelazione di almeno due liquidi
• Supersaturazione
• Nucleazione
• Crescita delle particelle
• Agglomerazione (in genere evitata da una bassa concentrazione di solidi o da agenti stabilizzanti)

Miscelazione delle precipitazioni

La miscelazione è una fase essenziale della precipitazione, poiché per la maggior parte dei processi di precipitazione la velocità della reazione chimica è molto elevata. Per le reazioni di precipitazione vengono comunemente utilizzati reattori a vasca agitata (batch o continui), miscelatori statici o a rotore-statore. La distribuzione disomogenea della potenza e dell'energia di miscelazione all'interno del volume del processo limita la qualità delle nanoparticelle sintetizzate. Questo svantaggio aumenta con l'aumentare del volume del reattore. Una tecnologia di miscelazione avanzata e un buon controllo dei parametri influenti consentono di ottenere particelle più piccole e una migliore omogeneità delle particelle.

L'applicazione di getti impingenti, di miscelatori a microcanali o l'uso di un reattore Taylor-Couette migliorano l'intensità e l'omogeneità della miscelazione. Questo porta a tempi di miscelazione più brevi. Tuttavia, questi metodi sono limitati dal potenziale di scalabilità.

L'ultrasonicazione è una tecnologia di miscelazione avanzata che fornisce un'energia di taglio e di agitazione più elevata senza limitazioni di scala. Inoltre, consente di controllare in modo indipendente i parametri di governo, come la potenza assorbita, il design del reattore, il tempo di residenza, la concentrazione di particelle o di reagenti. La cavitazione ultrasonica induce un'intensa micro-miscelazione e dissipa localmente un'elevata potenza.

Precipitazione di nanoparticelle di magnetite

L'applicazione degli ultrasuoni alla precipitazione è stata dimostrata all'ICVT (TU Clausthal) da Banert et al. (2006) per le nanoparticelle di magnetite. Banert ha utilizzato un reattore sono-chimico ottimizzato (immagine a destra, alimentazione 1: soluzione di ferro, alimentazione 2: agente di precipitazione, Clicca per ingrandirla!) per produrre le nanoparticelle di magnetite “per co-precipitazione di una soluzione acquosa di cloruro di ferro (III) esaidrato e solfato di ferro (II) eptaidrato con un rapporto molare di Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Poiché la premiscelazione idrodinamica e la macro-miscelazione sono importanti e contribuiscono alla micro-miscelazione a ultrasuoni, la geometria del reattore e la posizione dei tubi di alimentazione sono fattori importanti che regolano il risultato del processo. Nel loro lavoro, Banert et al. ha confrontato diversi progetti di reattori. Un design migliore della camera del reattore può ridurre di cinque volte l'energia specifica richiesta.

La soluzione di ferro viene precipitata rispettivamente con idrossido di ammonio e idrossido di sodio concentrati. Per evitare qualsiasi gradiente di pH, il precipitante deve essere pompato in eccesso. La distribuzione granulometrica della magnetite è stata misurata con la spettroscopia di correlazione fotonica (PCS), Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Senza ultrasuoni, la sola miscelazione idrodinamica ha prodotto particelle di dimensioni medie di 45 nm. La miscelazione a ultrasuoni ha ridotto le dimensioni delle particelle risultanti a 10 nm o meno. Il grafico seguente mostra la distribuzione delle dimensioni delle particelle di Fe₃O₄ particelle generate in una reazione di precipitazione continua ad ultrasuoni (Banert et al., 2004).

Il grafico successivo (Banert et al., 2006) mostra la dimensione delle particelle in funzione dell'energia specifica immessa.

“Il diagramma può essere suddiviso in tre regimi principali. Al di sotto di circa 1000 kJ/kg_Fe3O4 la miscelazione è controllata dall'effetto idrodinamico. La dimensione delle particelle è di circa 40-50 nm. Al di sopra di 1000 kJ/kg, l'effetto della miscelazione a ultrasuoni diventa visibile. La dimensione delle particelle diminuisce al di sotto dei 10 nm. Con un ulteriore aumento della potenza specifica assorbita, la dimensione delle particelle rimane dello stesso ordine di grandezza. Il processo di miscelazione per precipitazione è abbastanza veloce da consentire una nucleazione omogenea.”

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Letteratura / Riferimenti

• 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.