超音波析出プロセス

粒子、例えばナノ粒子は、沈殿によって液中でボトムアップ的に生成することができる。このプロセスでは、過飽和混合物が高濃度の物質から固体粒子を形成し始め、それが成長して最終的に沈殿する。粒子／結晶のサイズと形態を制御するためには、析出に影響する因子の制御が不可欠である。

降水プロセスの背景

近年、ナノ粒子は、コーティング、ポリマー、インク、医薬品、エレクトロニクスなど、多くの分野で重要性を増している。ナノ材料の使用に影響を与える重要な要因の一つは、ナノ材料のコストである。そのため、ナノ材料を大量に製造するコスト効率の高い方法が求められている。その一方で 乳化 と粉砕処理は トップダウンプロセス沈殿は、液体からナノサイズ粒子を合成するボトムアッププロセスである。析出には以下が含まれる：

• 少なくとも2つの液体の混合
• 過飽和
• 核生成
• 粒子成長
• 凝集（通常、低固形分濃度または安定化剤により回避される）

降水混合

ほとんどの沈殿プロセスでは、化学反応の速度が非常に速いため、混合は沈殿に不可欠なステップである。一般的に、攪拌槽反応器（バッチ式または連続式）、スタティックミキサーまたはローターステーターミキサーが沈殿反応に使用されている。プロセス容積内の混合力とエネルギーの不均一な分布は、合成されたナノ粒子の品質を制限する。この欠点は、反応器の容積が大きくなるほど大きくなる。高度な混合技術と影響するパラメーターの良好な制御により、粒子が小さくなり、粒子の均一性が向上する。

衝突噴流、マイクロチャンネルミキサー、またはテーラー・クエットリアクターの使用は、混合強度と均一性を向上させる。これは混合時間の短縮につながる。しかし、これらの方法はスケールアップの可能性に限界がある。

超音波処理は、スケールアップの制限なしに高いせん断力と攪拌エネルギーを提供する先進的な混合技術である。また、投入電力、リアクター設計、滞留時間、粒子、反応物濃度などの支配パラメータを個別に制御することも可能である。超音波キャビテーションは強力なマイクロミキシングを誘発し、局所的に高出力を消散させます。

マグネタイト・ナノ粒子析出

ICVT（クラウスタール工科大学）において、超音波の沈殿への応用が実証された。 バナート他（2006） マグネタイトナノ粒子用。バナートは最適化されたソノケミカル反応器を使用した（右の写真、フィード1：鉄溶液、フィード2：沈殿剤、 クリックで拡大)を用いてマグネタイト・ナノ粒子を製造した。 “のモル比で塩化鉄(III)六水和物と硫酸鉄(II)七水和物の水溶液を共沈させた。³⁺/フェ²⁺ = 2:1.流体力学的プレミキシングとマクロミキシングは重要であり、超音波マイクロミキシングに寄与するため、反応器の形状と供給管の位置はプロセス結果を支配する重要な要因である。彼らの研究では バナートら は異なるリアクター設計を比較した。原子炉室の設計を改良すれば、必要な比エネルギーを5分の1にすることができる。

鉄溶液はそれぞれ濃水酸化アンモニウムと水酸化ナトリウムで沈殿させる。pH勾配を避けるため、沈殿剤は過剰に送液する必要がある。マグネタイトの粒度分布は、光子相関分光法（PCS、 マルバーン ナノサイザーZS).”

超音波処理を行わなかった場合、流体力学的混合だけで平均粒径45nmの粒子が生成した。超音波混合により、得られる粒子径は10nm以下に減少した。下の図はFe₃O₄ 連続的な超音波沈殿反応(バナートら、2004).

次のグラフィック(バナートら、2006)は、比エネルギー投入量の関数としての粒子径を示している。

“この図は大きく3つの領域に分けられる。約1000kJ/kg以下_{鉄3酸化物} 混合は流体力学的効果によって制御される。粒子径は約40～50nmである。1000kJ/kgを超えると、超音波混合の効果が見られるようになる。粒子径は10nm以下に減少する。投入電力をさらに増加させても、粒子径は同じオーダーにとどまる。析出混合プロセスは、均一な核形成を可能にするのに十分な速さである。”

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文献・参考文献

• 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.