Ultraschallgestëtzte Fällungsprozess

Partikelen, z. B. Nanopartikelen, kënnen a Flëssegkeeten duerch Fällung nom Bottom-up-Prinzip hiergestallt ginn. Bei dësem Prozess fänkt eng iwwersättegt Mëschung un, aus dem héich konzentréierte Material fest Partikelen ze bilden, déi wuessen a schliisslech ausfalen. Fir d’Gréisst an d’Morphologie vun de Partikelen a Kristaller ze kontrolléieren, ass et wesentlech, d’Faktoren ze kontrolléieren, déi d’Fällung beaflossen.

Hannergrond vum Fällungsprozess

An de leschte Joren hunn Nanopartikelen a ville Beräicher u Bedeitung gewonnen, zum Beispill bei Beschichtungen, Polymeren, Tënten, pharmazeutesche Produkter oder an der Elektronik. E wichtege Faktor, deen den Asaz vun Nanomaterialie beaflosst, sinn d’Käschte vum Nanomaterial. Dofir si käschteneffizient Methode fir d’Hierstellung vun Nanomaterialien a grousse Quantitéiten néideg. Wärend Prozesser wéi Emulgéierung an Zerkleinerung zu den Top-down-Prozessergehéieren, ass d’Fällung e Bottom-up-Prozess fir d’Synthes vu Partikelen an Nanogréisst aus Flëssegkeeten. D’Fällung ëmfaasst:

• Mëschung vun op d’mannst zwou Flëssegkeeten
• Iwwersättegung
• Keimbildung
• Partikelwuesstem
• Agglomeratioun (gëtt typescherweis duerch eng niddreg Feststoffkonzentratioun oder duerch Stabiliséierungsmëttele verhënnert)

Mëschung bei der Fällung

D’Mëschung ass e wesentleche Schrëtt bei der Fällung, well d’Geschwindegkeet vun der cheemescher Reaktioun bei de meeschte Fällungsprozesser ganz héich ass. Fir Fällungsreaktioune ginn normalerweis Réierbehälterreakteren (am Chargebetrib oder kontinuéierlech), statesch Mëscher oder Rotor-Stator-Mëscher agesat. Déi ongläichméisseg Verdeelung vun der Mëschleeschtung an der Mëschenergie am Prozessvolumen begrenzt d’Qualitéit vun de synthetiséierten Nanopartikelen. Dësen Nodeel hëlt mat zouhuelendem Reaktervolumen zou. Eng fortgeschratt Mëschtechnologie an eng gutt Kontroll vun den Aflossparameteren erginn méi kleng Partikelen an eng besser Homogenitéit vun de Partikelen.

Den Asaz vu Stralen, déi openeentreffen, vu Mikrokanalmëscher oder vun engem Taylor-Couette-Reakter verbessert d’Mëschintensitéit an d’Homogenitéit. Dat féiert zu méi kuerze Mëschzäiten. Allerdéngs ass d’Méiglechkeet, dës Methoden op e méi grousse Moossstaf ze iwwerdroen, begrenzt.

D’Ultraschallbehandlung ass eng fortgeschratt Mëschtechnologie, déi méi héich Schéierwierkung a Réierenergie ouni Aschränkunge bei der Iwwerdroung op e méi grousse Moossstaf bitt. Si erlaabt et och, déi entscheedend Parameteren, wéi déi agebrachte Leeschtung, d’Bauweis vum Reakter, d’Verweilzäit an d’Partikel- oder Reaktantekonzentratioun, onofhängeg vuneneen ze kontrolléieren. D’Ultraschallkavitatioun bewierkt eng intensiv Mikromëschung an dissipéiert lokal eng héich Leeschtung.

Fällung vu Magnetit-Nanopartikelen

Den Asaz vun der Ultraschallbehandlung fir d’Fällung gouf um ICVT (TU Clausthal) vum Fuerscherteam Banert et al. (2006) fir Magnetit-Nanopartikelen demonstréiert. De Banert huet en optiméierte sonocheemesche Reakter benotzt (Bild riets, Zoufloss 1: Eiseléisung, Zoufloss 2: Fällungsmëttel, Klickt fir eng méi grouss Vue!), fir d’Magnetit-Nanopartikelen hierzestellen, an zwar “duerch d’Kofällung vun enger wässerlecher Léisung vun Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat an Eisen(II)-sulfat-Heptahydrat mat engem molare Verhältnis vu Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Well d’hydrodynamesch Virmëschung an d’Makromëschung wichteg sinn an zur Ultraschallmikromëschung bäidroen, sinn d’Geometrie vum Reakter an d’Positioun vun den Zouflossréier wichteg Faktoren, déi d’Prozessresultat bestëmmen. An hirer Aarbecht hunn Banert et al. verschidde Reakterbauweise verglach. Eng verbessert Bauweis vun der Reakterkummer kann déi néideg spezifesch Energie ëm de Faktor fënnef reduzéieren.

D’Eiseléisung gëtt mat konzentréiertem Ammoniumhydroxid respektiv Natriumhydroxid gefält. Fir all pH-Gradient ze vermeiden, muss d’Fällungsmëttel am Iwwerschoss agepompelt ginn. D’Partikelgréissteverdeelung vum Magnetit gouf mat Photonenkorrelatiounsspektroskopie gemooss (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Ouni Ultraschallbehandlung goufen eleng duerch d’hydrodynamesch Mëschung Partikele mat enger mëttlerer Partikelgréisst vu 45nm hiergestallt. D’Ultraschallmëschung huet déi resultéierend Partikelgréisst op 10nm a manner reduzéiert. D’Grafik hei drënner weist d’Gréissteverdeelung vun de Fe₃O₄ -Partikelen, déi an enger kontinuéierlecher Ultraschallfällungsreaktioun hiergestallt goufen (Banert et al., 2004).

Déi nächst Grafik (Banert et al., 2006) weist d’Partikelgréisst als Funktioun vum spezifeschen Energieantrag.

“Den Diagramm kann an dräi Haaptberäicher agedeelt ginn. Ënner ongeféier 1000 kJ/kg_Fe3O4 gëtt d’Mëschung vum hydrodynameschen Effekt bestëmmt. D’Partikelgréisst läit bei ongeféier 40–50 nm. Iwwer 1000 kJ/kg gëtt den Effekt vun der Ultraschallmëschung siichtbar. D’Partikelgréisst fält ënner 10 nm. Wann de spezifesche Leeschtungsantrag weider erhéicht gëtt, bleift d’Partikelgréisst an därselwechter Gréisstenuerdnung. De Mëschprozess bei der Fällung ass séier genuch, fir eng homogen Keimbildung ze erméiglechen.”

---

Literatur / Referenzen

• 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.