Ultraskaņas nogulsnēšanas process

Daļiņas, piemēram, nanodaļiņas, var tikt ģenerētas no apakšas uz augšu šķidrumos, izmantojot nogulsnēšanu. Šajā procesā pārsātināta maisījuma sāk veidoties cietas daļiņas no ļoti koncentrēta materiāla, kas aug un galu galā nogulsnējas. Lai kontrolētu daļiņu/kristālu izmēru un morfoloģiju, kontrole pār nogulsnēšanu ietekmējošiem faktoriem ir būtiska.

Nogulsnēšanas procesa fons

Pēdējos gados nanodaļiņas ir ieguvušas nozīmi daudzās jomās, piemēram, pārklājumos, polimēros, tintēs, farmaceitiskajos preparātos vai elektronikā. Viens no svarīgiem faktoriem, kas ietekmē nanomateriālu izmantošanu, ir nanomateriālu cena. Tāpēc ir nepieciešami rentabli veidi, kā ražot nanomateriālus lielos apjomos. Lai gan procesi, piemēram, emulgēšana un sasmalcināšana ir top-down procesi, nogulsnēšana ir process no apakšas uz augšu nanoizmēra daļiņu sintēzei no šķidrumiem. Nogulsnēšana ietver:

• Vismaz divu šķidrumu sajaukšana
• Pārsātināšanās
• Kodolu veidošanās
• Daļiņu augšana
• Aglomerācija (parasti tiek izvairīta ar zemu cieto vielu koncentrāciju vai stabilizējošiem aģentiem)

Nogulsnēšanas sajaukšana

Sajaukšana ir būtisks solis nogulsnēšanā, jo vairumā nogulsnēšanas procesu ķīmiskās reakcijas ātrums ir ļoti augsts. Parasti nogulsnēšanas reakcijām tiek izmantoti maisīšanas tvertnes reaktori (partiju vai nepārtrauktas darbības), statiskie vai rotora-statora maisītāji. Neviendabīga sajaukšanas jaudas un enerģijas sadalījums procesa tilpumā ierobežo sintezēto nanodaļiņu kvalitāti. Šis trūkums pieaug, palielinoties reaktora tilpumam. Uzlabota sajaukšanas tehnoloģija un laba kontrole pār ietekmējošiem parametriem nodrošina mazākas daļiņas un labāku daļiņu viendabīgumu.

Impinga strūklu, mikrokanālu maisītāju vai Taylor-Couette reaktora izmantošana uzlabo sajaukšanas intensitāti un viendabīgumu. Tas noved pie īsākiem sajaukšanas laikiem. Tomēr šo metožu mērogošanas potenciāls ir ierobežots.

Ultraskaņas apstrāde ir uzlabota sajaukšanas tehnoloģija, kas nodrošina augstākus bīdes un maisīšanas enerģijas līmeņus bez mērogošanas ierobežojumiem. Tā ļauj neatkarīgi kontrolēt noteicošos parametrus, piemēram, jaudas ievadi, reaktora dizainu, uzturēšanās laiku, daļiņu vai reaģentu koncentrāciju. Ultraskaņas kavitācija izraisa intensīvu mikrosajaukšanu un lokāli izkliedē augstu jaudu.

Magnetīta nanodaļiņu nogulsnēšana

Ultraskaņas apstrādes pielietošanu nogulsnēšanā ICVT (TU Clausthal) demonstrēja Banert et al. (2006) magnetīta nanodaļiņām. Banert izmantoja optimizētu sonoķīmisko reaktoru (labajā attēlā, padeve 1: dzelzs šķīdums, padeve 2: nogulsnēšanas aģents, Klikšķiniet, lai skatītu lielākā izmērā!), lai iegūtu magnetīta nanodaļiņas “ar dzelzs(III)hlorīda heksahidrāta un dzelzs(II)sulfāta heptahidrāta ūdens šķīduma kopnoglulsnēšanu ar molāro attiecību Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Tā kā hidrodinamiskā iepriekšējā sajaukšana un makrosajaukšana ir svarīga un veicina ultraskaņas mikrosajaukšanu, reaktora ģeometrija un padeves cauruļu novietojums ir svarīgi faktori, kas nosaka procesa rezultātu. Savā darbā Banert et al. salīdzināja dažādus reaktoru dizainus. Uzlabots reaktora kameras dizains var samazināt nepieciešamo īpatnējo enerģiju piecas reizes.

Dzelzs šķīdumu nogulsnē attiecīgi ar koncentrētu amonija hidroksīdu un nātrija hidroksīdu. Lai izvairītos no jebkāda pH gradienta, nogulsnētājs ir jāiepumpē pārākumā. Magnetīta daļiņu izmēra sadalījums tika mērīts, izmantojot fotonu korelācijas spektroskopiju (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Bez ultraskaņas apstrādes, ar vidējo daļiņu izmēru 45nm, daļiņas tika iegūtas tikai ar hidrodinamisko sajaukšanu. Ultraskaņas sajaukšana samazināja iegūto daļiņu izmēru līdz 10nm un mazāk. Zemāk redzamajā grafikā parādīts Fe₃O₄ daļiņu izmēra sadalījums nepārtrauktā ultraskaņas nogulsnēšanas reakcijā (Banert et al., 2004).

Nākamajā grafikā (Banert et al., 2006) parādīts daļiņu izmērs kā funkcija no īpatnējās enerģijas ievades.

“Diagramma var tikt sadalīta trīs galvenajos režīmos. Zem aptuveni 1000 kJ/kg_Fe3O4 sajaukšanu kontrolē hidrodinamiskais efekts. Daļiņu izmērs ir aptuveni 40-50 nm. Virs 1000 kJ/kg ultraskaņas sajaukšanas efekts kļūst redzams. Daļiņu izmērs samazinās zem 10 nm. Palielinoties īpatnējās jaudas ievadei, daļiņu izmērs paliek tādā pašā kārtā. Nogulsnēšanas sajaukšanas process ir pietiekami ātrs, lai ļautu homogēnu kodolu veidošanos.”

---

Literatūra / Atsauces

• 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.