초음파 침전 과정

예를 들어 나노 입자와 같은 입자는 침전을 통해 액체에서 상향식으로 생성될 수 있습니다. 이 과정에서 과포화 혼합물은 고농도 물질로부터 고체 입자를 형성하기 시작하여 성장하고 최종적으로 침전됩니다. 입자/결정 크기 및 형태를 제어하려면 침전 영향 요인을 제어하는 것이 필수적입니다.

침전 과정 배경

최근 몇 년 동안 나노 입자는 코팅, 폴리머, 잉크, 제약 또는 전자 제품과 같은 많은 분야에서 중요성을 얻었습니다. 나노 물질의 사용에 영향을 미치는 중요한 요인 중 하나는 나노 물질 비용입니다. 따라서 나노 물질을 대량으로 제조하는 비용 효율적인 방법이 필요합니다. 다음과 같은 프로세스 동안 유화 그리고 comminution 가공은 입니다 하향식 프로세스, 침전은 액체에서 나노 크기의 입자를 합성하기 위한 상향식 공정입니다. 강수량은 다음과 같습니다.

• 두 개 이상의 액체 혼합
• 과포화(Supersaturation)
• 핵형성(nucleation)
• 입자 성장
• 응집(일반적으로 낮은 고체 농도 또는 안정화제에 의해 피함)

침전 혼합

혼합은 대부분의 침전 과정과 마찬가지로 침전에서 필수적인 단계이며 화학 반응 속도가 매우 빠릅니다. 일반적으로 교반 탱크 반응기(배치 또는 연속), 정적 또는 회전자-고정자 혼합기가 침전 반응에 사용됩니다. 공정 부피 내에서 혼합력과 에너지의 불균일한 분포는 합성된 나노입자의 품질을 제한합니다. 이 단점은 반응기 부피가 증가함에 따라 증가합니다. 고급 혼합 기술과 영향을 미치는 매개변수에 대한 우수한 제어는 더 작은 입자와 더 나은 입자 균질성을 제공합니다.

충돌 제트, 마이크로 채널 믹서의 적용 또는 Taylor-Couette 반응기의 사용은 혼합 강도와 균질성을 향상시킵니다. 이로 인해 혼합 시간이 단축됩니다. 그러나 이러한 방법은 제한적이며 확장할 수 있는 잠재력이 있습니다.

초음파는 확장 제한없이 더 높은 전단 및 교반 에너지를 제공하는 고급 혼합 기술입니다. 또한 전원 입력, 반응기 설계, 체류 시간, 입자 또는 반응물 농도와 같은 제어 매개변수를 독립적으로 제어할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 강렬한 마이크로 혼합을 유도하고 국부적으로 고전력을 발산합니다.

마그네타이트 나노 입자 침전

강수량에 대한 초음파의 적용은 ICVT (TU Clausthal)에서 다음과 같이 입증되었습니다. Banert 외 (2006) 자철광 나노 입자용. Banert는 최적화 된 소노 화학 반응기를 사용했습니다 (오른쪽 그림, 피드 1 : 철 용액, 피드 2 : 침전제, 클릭하면 더 크게 볼 수 있습니다!)을 사용하여 자철광 나노입자를 생성합니다 “철(III)염화물 육수화물과 황산철(II)헵타하이드레이트의 수용액을 Fe의 몰비로 하여 침전시킴으로써³⁺/철²⁺ = 2:1. 유체역학적 사전 혼합 및 매크로 혼합이 중요하고 초음파 미세 혼합에 기여하기 때문에 반응기 형상과 공급 파이프의 위치는 공정 결과를 지배하는 중요한 요소입니다. 그들의 일에서, Banert 외 서로 다른 원자로 설계를 비교했습니다. 반응기 챔버의 개선된 설계는 필요한 특정 에너지를 5배 줄일 수 있습니다.

철 용액은 각각 농축 수산화 암모늄과 수산화 나트륨으로 침전됩니다. pH 기울기를 피하기 위해 침전제를 과도하게 펌핑해야 합니다. 마그네타이트의 입자 크기 분포는 광자 상관 분광법(PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

초음파가 없으면 평균 입자 크기가 45nm인 입자가 유체역학적 혼합만으로 생성되었습니다. 초음파 혼합은 결과 입자 크기를 10nm 이하로 줄였습니다. 아래 그래픽은 Fe의 입자 크기 분포를 보여줍니다.₃O₄ 연속적인 초음파 침전 반응(Banert 외, 2004).

다음 그래픽(Banert 외, 2006)는 입자 크기를 특정 에너지 입력의 함수로 표시합니다.

“다이어그램은 세 가지 주요 체제로 나눌 수 있습니다. 대략 1000 kJ/kg 이하_철3O4 혼합은 유체 역학 효과에 의해 제어됩니다. 입자 크기는 약 40~50nm입니다. 1000kJ/kg 이상에서는 초음파 혼합의 효과가 나타납니다. 입자 크기는 10nm 이하로 감소합니다. 입력되는 특정 전력이 더 증가하면 입자 크기는 동일한 크기로 유지됩니다. 침전 혼합 공정은 균일한 핵 형성을 허용할 만큼 충분히 빠릅니다.”

---

문헌 / 참고문헌

• 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.