ულტრაბგერითი ნალექის წარმოქმნის პროცესი

ნაწილაკები, მაგ. ნანონაწილაკები, შეიძლება წარმოიქმნას „ქვევიდან ზემოთ“ სითხეებში ნალექის წარმოქმნის გზით. ამ პროცესში, ზეგაჯერებული ნარევი იწყებს მყარი ნაწილაკების ფორმირებას მაღალკონცენტრირებული მასალისგან, რომლებიც გაიზრდება და საბოლოოდ ნალექად დაეცემა. იმისათვის, რომ კონტროლდებოდეს ნაწილაკის/კრისტალის ზომა და მორფოლოგია, აუცილებელია ნალექის წარმოქმნაზე მოქმედი ფაქტორების კონტროლი.

ნალექის წარმოქმნის პროცესის ფონი

ბოლო წლებში ნანონაწილაკებმა მნიშვნელობა შეიძინეს მრავალ სფეროში, როგორიცაა საფარები, პოლიმერები, მელნები, ფარმაცევტიკა ან ელექტრონიკა. ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი ფაქტორი, რომელიც გავლენას ახდენს ნანომასალების გამოყენებაზე, არის ნანომასალის ღირებულება. ამიტომ საჭიროა ნანომასალების დიდი რაოდენობით წარმოების ეკონომიკურად ეფექტური გზები. მაშინ როცა ისეთი პროცესები, როგორიცაა ემულსიფიკაცია და დაფქვა არის „ზემოდან ქვევით“ პროცესები, ნალექის წარმოქმნა არის „ქვევიდან ზემოთ“ პროცესი სითხეებიდან ნანოზომის ნაწილაკების სინთეზისთვის. ნალექის წარმოქმნა მოიცავს:

• მინიმუმ ორი სითხის შერევა
• ზეგაჯერება
• კრისტალიზაციის ჩანასახების წარმოქმნა
• ნაწილაკის ზრდა
• აგლომერაცია (ჩვეულებრივ თავიდან აცილებულია მყარი ფაზის დაბალი კონცენტრაციით ან სტაბილიზატორების გამოყენებით)

შერევა ნალექის წარმოქმნისას

შერევა არის ნალექის წარმოქმნის აუცილებელი ეტაპი, რადგან ნალექის წარმოქმნის უმეტეს პროცესებში ქიმიური რეაქციის სიჩქარე ძალიან მაღალია. ჩვეულებრივ, ნალექის წარმოქმნის რეაქციებისთვის გამოიყენება სარეველით აღჭურვილი ავზური რეაქტორები (პერიოდული ან უწყვეტი მოქმედების), სტატიკური ან როტორ-სტატორული მიქსერები. შერევის სიმძლავრისა და ენერგიის არაერთგვაროვანი განაწილება პროცესის მოცულობაში ზღუდავს სინთეზირებული ნანონაწილაკების ხარისხს. ეს უარყოფითი მხარე იზრდება რეაქტორის მოცულობის ზრდასთან ერთად. შერევის თანამედროვე ტექნოლოგია და მოქმედი პარამეტრების კარგი კონტროლი იძლევა უფრო მცირე ნაწილაკებს და ნაწილაკების უკეთეს ერთგვაროვნებას.

ერთმანეთთან შეჯახებული ჭავლების, მიკროარხიანი მიქსერების ან ტეილორ-კუეტის რეაქტორის გამოყენება აუმჯობესებს შერევის ინტენსივობასა და ერთგვაროვნებას. ეს იწვევს შერევის დროის შემცირებას. თუმცა ამ მეთოდების მასშტაბის გაზრდის შესაძლებლობა შეზღუდულია.

ულტრაბგერითი დამუშავება არის შერევის თანამედროვე ტექნოლოგია, რომელიც უზრუნველყოფს უფრო მაღალ ძვრით და აღრევის ენერგიას მასშტაბირების შეზღუდვების გარეშე. ის ასევე საშუალებას იძლევა დამოუკიდებლად კონტროლდებოდეს პროცესის განმსაზღვრელი პარამეტრები, როგორიცაა მიწოდებული სიმძლავრე, რეაქტორის კონსტრუქცია, რეაქტორში დაყოვნების დრო, ნაწილაკების ან რეაგენტის კონცენტრაცია. ულტრაბგერითი კავიტაცია იწვევს ინტენსიურ მიკროშერევას და უზრუნველყოფს მაღალი სიმძლავრის ლოკალურ დისიპაციას.

მაგნეტიტის ნანონაწილაკების ნალექის წარმოქმნა

ულტრაბგერითი დამუშავების გამოყენება ნალექის წარმოქმნაში დემონსტრირებული იქნა ICVT-ში (ტუ კლაუსთალი) Banert et al. (2006) მაგნეტიტის ნანონაწილაკებისთვის. ბანერტმა გამოიყენა ოპტიმიზებული სონო-ქიმიური რეაქტორი (მარჯვენა სურათი, კვება 1: რკინის ხსნარი, კვება 2: ნალექის წარმომქმნელი აგენტი, დააწკაპუნეთ უფრო დიდი ხედვისთვის!) მაგნეტიტის ნანონაწილაკების მისაღებად „რკინის(III) ქლორიდის ჰექსაჰიდრატისა და რკინის(II) სულფატის ჰეპტაჰიდრატის წყალხსნარის თანადალექვით, Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1 მოლური თანაფარდობით. ვინაიდან ჰიდროდინამიკური წინასწარი შერევა და მაკრო შერევა მნიშვნელოვანია და ხელს უწყობს ულტრაბგერით მიკრო შერევას, რეაქტორის გეომეტრია და კვების მილების მდებარეობა არის მნიშვნელოვანი ფაქტორები, რომლებიც განსაზღვრავენ პროცესის შედეგს. მათ მუშაობაში, Banert et al. შეადარეს რეაქტორების სხვადასხვა კონსტრუქცია. რეაქტორის კამერის გაუმჯობესებულ კონსტრუქციას შეუძლია საჭირო კუთრი ენერგიის ხუთჯერ შემცირება.

რკინის ხსნარი ილექება, შესაბამისად, კონცენტრირებული ამონიუმის ჰიდროქსიდითა და ნატრიუმის ჰიდროქსიდით. pH-ის გრადიენტის თავიდან ასაცილებლად დამლექავი რეაგენტი ტუმბოთი ჭარბი რაოდენობით უნდა მიეწოდებოდეს. მაგნეტიტის ნაწილაკების ზომის განაწილება გაიზომა ფოტონური კორელაციის სპექტროსკოპიის გამოყენებით (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

ულტრაბგერითი დამუშავების გარეშე, მხოლოდ ჰიდროდინამიკური შერევით მიღებული ნაწილაკების საშუალო ზომა იყო 45nm. ულტრაბგერითმა შერევამ მიღებული ნაწილაკების ზომა შეამცირა 10nm-მდე და უფრო ნაკლებამდე. ქვემოთ მოცემული გრაფიკი აჩვენებს Fe₃O₄ ნაწილაკების ზომის განაწილებას უწყვეტ ულტრაბგერით ნალექის წარმოქმნის რეაქციაში (Banert et al., 2004).

შემდეგი გრაფიკი (Banert et al., 2006) აჩვენებს ნაწილაკის ზომას კუთრი ენერგიის შეყვანის ფუნქციად.

“დიაგრამა შეიძლება დაიყოს სამ მთავარ რეჟიმად. დაახლოებით 1000 kJ/kg_Fe3O4 ქვემოთ შერევა კონტროლდება ჰიდროდინამიკური ეფექტით. ნაწილაკის ზომა შეადგენს დაახლოებით 40–50 nm-ს. 1000 kJ/kg-ზე მაღლა ულტრაბგერითი შერევის ეფექტი შესამჩნევი ხდება. ნაწილაკის ზომა მცირდება 10 nm-ზე ნაკლებამდე. კუთრი მიწოდებული სიმძლავრის შემდგომი ზრდისას ნაწილაკის ზომა სიდიდის იმავე რიგში რჩება. ნალექის წარმოქმნისას შერევის პროცესი საკმარისად სწრაფია, რათა შესაძლებელი იყოს კრისტალიზაციის ჩანასახების ჰომოგენური წარმოქმნა.“

---

ლიტერატურა / ლიტერატურული წყაროები

• 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.