Ultraskaņas nokrišņu process

Daļiņas, piemēram, nanodaļiņas, var rasties no apakšas uz augšu šķidrumos, izgulsnējot. Šajā procesā pārsātināts maisījums sāk veidot cietas daļiņas no ļoti koncentrēta materiāla, kas augs un beidzot nogulsnēsies. Lai kontrolētu daļiņu/kristālu izmēru un morfoloģiju, būtiska ir nokrišņu ietekmējošo faktoru kontrole.

Nokrišņu procesa fons

Pēdējos gados nanodaļiņas ir kļuvušas nozīmīgas daudzās jomās, piemēram, pārklājumos, polimēros, tintēs, farmācijā vai elektronikā. Svarīgs faktors, kas ietekmē nanomateriālu izmantošanu, ir nanomateriālu izmaksas. Tāpēc ir vajadzīgi rentabli veidi, kā nanomateriālus ražot lielos daudzumos. Lai gan procesi, piemēram, Emulgācija un kominucijas apstrāde ir No augšas uz leju vērsti procesi, nokrišņi ir augšupējs process nanoizmēra daļiņu sintēzei no šķidrumiem. Nokrišņi ietver:

• Vismaz divu šķidrumu sajaukšana
• pārsātinājums
• Nukleācija
• Daļiņu augšana
• Aglomerācija (parasti izvairās no zemas cietās vielas koncentrācijas vai stabilizējošiem aģentiem)

Nokrišņu sajaukšana

Sajaukšana ir būtisks nokrišņu solis, tāpat kā lielākajā daļā nokrišņu procesu ķīmiskās reakcijas ātrums ir ļoti augsts. Parasti nokrišņu reakcijām tiek izmantoti maisīšanas tvertņu reaktori (partijas vai nepārtraukti), statiskie vai rotora statora maisītāji. Sajaukšanas jaudas un enerģijas nehomogēnais sadalījums procesa tilpumā ierobežo sintezēto nanodaļiņu kvalitāti. Šis trūkums palielinās, palielinoties reaktora tilpumam. Uzlabota sajaukšanas tehnoloģija un laba kontrole pār ietekmēšanas parametriem rada mazākas daļiņas un labāku daļiņu viendabīgumu.

Impinga strūklu, mikrokanālu maisītāju vai Taylor-Couette reaktora izmantošana uzlabo sajaukšanas intensitāti un viendabīgumu. Tas noved pie īsāka sajaukšanas laika. Tomēr šīs metodes ir ierobežotas, un to ir iespējams palielināt.

Ultrasonication ir uzlabota sajaukšanas tehnoloģija, kas nodrošina augstāku bīdes un maisīšanas enerģiju bez mērogošanas ierobežojumiem. Tas arī ļauj neatkarīgi kontrolēt regulējošos parametrus, piemēram, enerģijas ievadi, reaktora konstrukciju, uzturēšanās laiku, daļiņu vai reaktīvās vielas koncentrāciju. Ultraskaņas kavitācija izraisa intensīvu mikro sajaukšanos un lokāli izkliedē lielu jaudu.

Magnetīta nanodaļiņu nokrišņi

Ultrasonication pielietošana nokrišņiem tika pierādīta ICVT (TU Clausthal) ar (2006) magnetīta nanodaļiņām. Banert izmantoja optimizētu sonoķīmisko reaktoru (labais attēls, barība 1: dzelzs šķīdums, barība 2: nogulsnēšanas līdzeklis, Noklikšķiniet, lai iegūtu lielāku skatu!), lai ražotu magnetīta nanodaļiņas “vienlaikus izgulsnējot dzelzs(III)hlorīda heksahidrāta un dzelzs(II)sulfāta heptahidrāta ūdens šķīdumu ar molāro attiecību Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Tā kā hidrodinamiskā iepriekšēja sajaukšana un makro sajaukšana ir svarīga un veicina ultraskaņas mikro sajaukšanu, reaktora ģeometrija un barošanas cauruļu stāvoklis ir svarīgi faktori, kas regulē procesa rezultātu. Savā darbā, Banert et al. salīdzināja dažādas reaktoru konstrukcijas. Uzlabota reaktora kameras konstrukcija var samazināt nepieciešamo īpatnējo enerģiju par koeficientu pieci.

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

Bez ultrasonikācijas tikai hidrodinamiskās sajaukšanas rezultātā tika radītas daļiņas, kuru vidējais daļiņu izmērs ir 45nm. Ultraskaņas sajaukšana samazināja iegūto daļiņu izmēru līdz 10nm un mazāk. Zemāk redzamajā grafikā parādīts Fe daļiņu izmēra sadalījums₃O₄ daļiņas, kas radušās nepārtrauktā ultraskaņas nokrišņu reakcijā (Banert et al., 2004).

Nākamais grafiks (Banert et al., 2006) parāda daļiņu izmēru kā konkrētās enerģijas pievades funkciju.

“Diagrammu var iedalīt trīs galvenajos režīmos. Zem aptuveni 1000 kJ/kg_Fe3O4 the mixing is controlled by the hydrodynamic effect. The particle size amounts to about 40-50 nm. Above 1000 kJ/kg the effect of the ultrasonic mixing becomes visible. The particle size decreases below 10 nm. With further increase of the specific power input the particle size remains in the same order of magnitude. The precipitation mixing process is fast enough to allow homogeneous nucleation.”

---

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.