Sonofragmentation - ეფექტი ძალა ულტრაბგერითი on ნაწილაკების რღვევა
სონოფრაგმენტაცია აღწერს ნაწილაკების დაშლას ნანო ზომის ფრაგმენტებად მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით. განსხვავებით საერთო ულტრაბგერითი deagglomeration და milling – სადაც ნაწილაკები ძირითადად იფქვება და ნაწილაკთაშორისი შეჯახების შედეგად გამოყოფილია – , სონოფრაგმენტაცია გამოირჩევა ნაწილაკისა და დარტყმითი ტალღის პირდაპირი ურთიერთქმედებით. მაღალი სიმძლავრის/დაბალი სიხშირის ულტრაბგერა ქმნის კავიტაციას და, შესაბამისად, ინტენსიურ ათვლის ძალებს სითხეებში. კავიტაციური ბუშტის კოლაფსის და ნაწილაკთაშორისი შეჯახების ექსტრემალური პირობები ნაწილაკებს წვავს ძალიან წვრილ ზომის მასალამდე.
ნანო ნაწილაკების ულტრაბგერითი წარმოება და მომზადება
ნანო მასალების წარმოებისთვის ენერგეტიკული ულტრაბგერის ეფექტები ცნობილია: დისპერსირება, დეაგლომერაცია და დაფქვა. & დაფქვა, ისევე როგორც ფრაგმენტაცია გახმოვანებით, ხშირად მკურნალობის ერთადერთი ეფექტური მეთოდია ნანო ნაწილაკები. ეს განსაკუთრებით ეხება, როდესაც საქმე ეხება ძალიან კარგ ნანო მასალებს განსაკუთრებული ფუნქციონალურობით, რადგან ნანო ზომის უნიკალური ნაწილაკების მახასიათებლებია გამოხატული. სპეციფიკური ფუნქციონირებით ნანო მასალის შესაქმნელად, უზრუნველყოფილი უნდა იყოს თანაბარი და საიმედო ბგერითი პროცესი. Hielscher აწვდის ულტრაბგერით აღჭურვილობას ლაბორატორიული მასშტაბიდან სრული კომერციული წარმოების ზომამდე.
MultiSonoReactor MSR-4 არის სამრეწველო შიდა ჰომოგენიზატორი, რომელიც შესაფერისია ნაწილაკების და ნანომასალების ფრაგმენტაციისა და დაფქვისთვის.
სონო-ფრაგმენტაცია კავიტაციის გზით
ძლიერი ულტრაბგერითი ძალების შეყვანა სითხეებში ქმნის ექსტრემალურ პირობებს. როდესაც ულტრაბგერითი ავრცელებს თხევად გარემოს, ულტრაბგერითი ტალღები იწვევს შეკუმშვისა და იშვიათობის ციკლების მონაცვლეობას (მაღალი წნევის და დაბალი წნევის ციკლები). დაბალი წნევის ციკლების დროს სითხეში წარმოიქმნება მცირე ვაკუუმის ბუშტები. ესენი კავიტაცია ბუშტები იზრდება რამდენიმე დაბალი წნევის ციკლის განმავლობაში, სანამ არ მიაღწევენ იმ ზომას, როდესაც მათ არ შეუძლიათ მეტი ენერგიის შთანთქმა. მაქსიმალური შთანთქმის ენერგიის და ბუშტების ზომის ამ მდგომარეობაში, კავიტაციის ბუშტი ძალადობრივად იშლება და ქმნის ადგილობრივ ექსტრემალურ პირობებს. აფეთქების გამო კავიტაცია ბუშტები, ძალიან მაღალი ტემპერატურა დაახლ. 5000K და ზეწოლა დაახლ. ადგილობრივად მიღწეულია 2000 ატმ. აფეთქების შედეგად წარმოიქმნება სითხის ჭავლები 280 მ/წმ-მდე (≈1000 კმ/სთ) სიჩქარით. Sono-ფრაგმენტაცია აღწერს ამ ინტენსიური ძალების გამოყენებას ნაწილაკების ფრაგმენტაციისთვის მცირე განზომილებებზე ქვემიკრონულ და ნანო დიაპაზონში. პროგრესირებადი სონიკაციით, ნაწილაკების ფორმა კუთხოვანიდან სფერულში იქცევა, რაც ნაწილაკებს უფრო ღირებულს ხდის. სონოფრაგმენტაციის შედეგები გამოიხატება ფრაგმენტაციის სიჩქარის სახით, რომელიც აღწერილია, როგორც შეყვანილი სიმძლავრის, ხმოვანი მოცულობის და აგლომერატების ზომის ფუნქცია.
კუსტერსი და სხვ. (1994) გამოიკვლია აგლომერატების ულტრაბგერითი დახმარებით ფრაგმენტაცია ენერგიის მოხმარებასთან მიმართებაში. მკვლევართა შედეგები „მიუთითებს, რომ ულტრაბგერითი დისპერსიის ტექნიკა შეიძლება იყოს ისეთივე ეფექტური, როგორც ჩვეულებრივი სახეხი ტექნიკა. ულტრაბგერითი დისპერსიის ინდუსტრიულმა პრაქტიკამ (მაგ. უფრო დიდი ზონდები, სუსპენზიის უწყვეტი გამტარუნარიანობა) შეიძლება გარკვეულწილად შეცვალოს ეს შედეგები, მაგრამ მთლიანობაში მოსალოდნელია, რომ ენერგიის სპეციფიკური მოხმარება არ არის ამ კომიუტრონული ტექნიკის შერჩევის მიზეზი, არამედ მისი უნარი. წარმოქმნის უკიდურესად წვრილ (სუბმიკრონულ) ნაწილაკებს.“ [Kusters et al. 1994] განსაკუთრებით ეროზიული ფხვნილებისთვის, როგორიცაა სილიციუმი ან ცირკონია, ფხვნილის მასის ერთეულზე საჭირო სპეციფიკური ენერგია აღმოჩნდა უფრო დაბალი ულტრაბგერითი დაფქვით, ვიდრე ჩვეულებრივი დაფქვის მეთოდები. Ultrasonication გავლენას ახდენს ნაწილაკების არა მხოლოდ დაფქვით და სახეხი, არამედ გასაპრიალებელი მყარი. ამრიგად, შესაძლებელია ნაწილაკების მაღალი სფერულობის მიღწევა.
სონო-ფრაგმენტაცია ნანომასალების კრისტალიზაციისთვის
„მიუხედავად იმისა, რომ ეჭვი არ ეპარება, რომ ნაწილაკთაშორისი შეჯახება ხდება ულტრაბგერით დასხივებულ მოლეკულური კრისტალების ნალექებში, ისინი არ არიან ფრაგმენტაციის დომინანტური წყარო. მოლეკულური კრისტალებისგან განსხვავებით, ლითონის ნაწილაკები არ ზიანდება უშუალოდ დარტყმითი ტალღებით და შეიძლება გავლენა იქონიოს მხოლოდ უფრო ინტენსიური (მაგრამ გაცილებით იშვიათი) ნაწილაკთაშორისი შეჯახებით. ლითონის ფხვნილების გაჟღერების დომინანტური მექანიზმების ცვლილება ასპირინის ხსნარებთან მიმართებაში ხაზს უსვამს ელასტიური მეტალის ნაწილაკებისა და მტვრევადი მოლეკულური კრისტალების თვისებებში განსხვავებებს.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]
ასპირინის ნაწილაკების სონოფრაგმენტაცია [Zeiger/ Suslick 2011]
გოპი და სხვ. (2008) გამოიკვლია მაღალი სისუფთავის სუბმიკრომეტრული ალუმინის კერამიკული ნაწილაკების წარმოება (ძირითადად 100 ნმ დიაპაზონში) მიკრომეტრის ზომის საკვებიდან (მაგ., 70-80 μm) სონოფრაგმენტაციის გამოყენებით. მათ დააფიქსირეს ალუმინის კერამიკული ნაწილაკების ფერისა და ფორმის მნიშვნელოვანი ცვლილება სონოფრაგმენტაციის შედეგად. მიკრონი, ქვემიკრონი და ნანო ზომის ნაწილაკები ადვილად მიიღება მაღალი სიმძლავრის სონიკით. ნაწილაკების სფერულობა გაიზარდა აკუსტიკური ველში შეკავების დროის მატებასთან ერთად.
დისპერსია სურფაქტანტში
ულტრაბგერითი ნაწილაკების ეფექტური რღვევის გამო, ზედაპირული აქტიური ნივთიერებების გამოყენება აუცილებელია ქვემიკრონის და ნანო ზომის ნაწილაკების დეაგლომერაციის თავიდან ასაცილებლად. რაც უფრო მცირეა ნაწილაკების ზომა, მით უფრო მაღალია ზედაპირის ფართობის აპექტური თანაფარდობა, რომელიც უნდა იყოს დაფარული სურფაქტანტით, რათა შენარჩუნდეს ისინი სუსპენზიაში და თავიდან იქნას აცილებული ნაწილაკების შედედება (აგლომერაცია). ულტრაბგერითი მოქმედების უპირატესობა მდგომარეობს დისპერსიულ ეფექტში: დაფქვისა და ფრაგმენტაციის პარალელურად, ულტრაბგერითი დაფქვა ნაწილაკების ფრაგმენტები სურფაქტანტთან ერთად დაარბია ისე, რომ ნანო ნაწილაკების ხშირად აგლომერაცია (თითქმის) მთლიანად თავიდან ავიცილოთ.
ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ეფექტური და საიმედოა ნანონაწილაკების წყალში ან გამხსნელებში დისპერსიისთვის. სურათზე ჩანს ლაბორატორიული ულტრაბგერითი UP100H.
სამრეწველო წარმოება
ბაზარს მაღალი ხარისხის ნანო მასალით, რომელიც გამოხატავს არაჩვეულებრივ ფუნქციონალურობას, საჭიროა საიმედო გადამამუშავებელი მოწყობილობა. ულტრაბგერითი 16 კვტ-მდე სიმძლავრის ერთეულზე, რომლებიც ჯგუფდება, იძლევა პრაქტიკულად შეუზღუდავი მოცულობის ნაკადების დამუშავებას. ულტრაბგერითი პროცესების სრულად წრფივი მასშტაბურობის გამო, ულტრაბგერითი აპლიკაციები შეიძლება რისკის გარეშე შემოწმდეს ლაბორატორიაში, ოპტიმიზირებული იყოს სკამზე ზედა მასშტაბით და შემდეგ უპრობლემოდ განხორციელდეს საწარმოო ხაზში. იმის გამო, რომ ულტრაბგერითი მოწყობილობა არ საჭიროებს დიდ სივრცეს, მისი გადაკეთება შესაძლებელია მიმდინარე პროცესების ნაკადებშიც კი. ოპერაცია მარტივია და მისი მონიტორინგი და მართვა შესაძლებელია დისტანციური მართვის საშუალებით, ხოლო ულტრაბგერითი სისტემის მოვლა თითქმის უგულებელყოფილია.
Bi2Te3-ზე დაფუძნებული შენადნობის ნაწილაკების ზომის განაწილება და SEM გამოსახულებები ულტრაბგერითი დაფქვამდე და მის შემდეგ. ა – ნაწილაკების ზომის განაწილება; ბ – SEM გამოსახულება ულტრაბგერითი დაფქვის წინ; გ – SEM გამოსახულება ულტრაბგერითი დაფქვის შემდეგ 4 საათის განმავლობაში; დ – SEM სურათი ულტრაბგერითი დაფქვის შემდეგ 8 საათის განმავლობაში.
წყარო: მარკეს-გარსია და სხვ. 2015 წელი.
Დაგვიკავშირდით! / Გვკითხე ჩვენ!
ლიტერატურა / ლიტერატურა
- Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
- Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
- Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
- Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
- Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.
მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი UIP2000hdT (2kW, 20kHz) ნაწილაკების ეფექტური შერევის, ჰომოგენიზაციის, ნანოდისპერსიისა და სონოფრაგმენტაციისთვის.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების შერევას აპლიკაციების, დისპერსიის, ემულსიფიკაციისა და ექსტრაქციისთვის ლაბორატორიულ, საპილოტე და სამრეწველო მასშტაბებზე.
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორებისგან ლაბორატორია რომ სამრეწველო ზომა.