Ultrasoon neerslagproces

Deeltjes, bijv. nanodeeltjes, kunnen bottom-up worden gegenereerd in vloeistoffen door middel van precipitatie. In dit proces vormt een oververzadigd mengsel vaste deeltjes uit het sterk geconcentreerde materiaal die groeien en uiteindelijk neerslaan. Om de grootte en morfologie van de deeltjes/kristallen te controleren, is het essentieel om de factoren die de precipitatie beïnvloeden te beheersen.

Neerslagproces Achtergrond

In de afgelopen jaren hebben nanodeeltjes op veel gebieden aan belang gewonnen, zoals coatings, polymeren, inkt, farmaceutica of elektronica. Een belangrijke factor die het gebruik van nanomaterialen beïnvloedt, zijn de kosten van nanomaterialen. Daarom zijn er kostenefficiënte manieren nodig om nanomaterialen in grote hoeveelheden te produceren. Terwijl processen, zoals Emulgering en verwerkingsprocessen zijn top-downprocessenPrecipitatie is een bottom-up proces voor de synthese van nanodeeltjes uit vloeistoffen. De precipitatie omvat:

• Mengen van minstens twee vloeistoffen
• oververzadiging
• nucleatie
• Deeltjesgroei
• Agglomeratie (meestal vermeden door lage vaste concentratie of door stabiliserende middelen)

Neerslagmenging

Het mengen is een essentiële stap in de precipitatie, omdat bij de meeste precipitatieprocessen de snelheid van de chemische reactie erg hoog is. Meestal worden geroerde tankreactoren (batch of continu), statische of rotor-statormengers gebruikt voor precipitatiereacties. De inhomogene verdeling van de mengkracht en energie binnen het procesvolume beperkt de kwaliteit van de gesynthetiseerde nanodeeltjes. Dit nadeel neemt toe naarmate het reactorvolume toeneemt. Geavanceerde mengtechnologie en goede controle over de beïnvloedende parameters resulteren in kleinere deeltjes en betere deeltjeshomogeniteit.

De toepassing van botsende jets, microkanaalmengers of het gebruik van een Taylor-Couette reactor verbeteren de mengintensiteit en homogeniteit. Dit leidt tot kortere mengtijden. Toch zijn deze methoden beperkt in hun mogelijkheden om opgeschaald te worden.

Ultrasoon mengen is een geavanceerde mengtechnologie die een hogere schuifkracht en roerenergie oplevert zonder schaalbaarheidsbeperkingen. Het maakt het ook mogelijk om de leidende parameters, zoals opgenomen vermogen, reactorontwerp, verblijftijd, deeltjes- of reactantconcentratie onafhankelijk te regelen. De ultrasone cavitatie induceert intense micromenging en voert lokaal een hoog vermogen af.

Magnetiet nanodeeltjes neerslag

De toepassing van ultrasoon op neerslag werd gedemonstreerd op het ICVT (TU Clausthal) door Banert et al. (2006) voor magnetietnanodeeltjes. Banert gebruikte een geoptimaliseerde sonochemische reactor (rechter foto, voeding 1: ijzeroplossing, voeding 2: precipitatiemiddel, Klik voor een grotere weergave!) om de magnetietnanodeeltjes te produceren “door co-precipitatie van een waterige oplossing van ijzer(III)chloridehexahydraat en ijzer(II)sulfaatheptahydraat met een molaire verhouding van Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Aangezien hydrodynamische voormenging en macro-menging belangrijk zijn en bijdragen aan de ultrasone micro-menging, zijn de geometrie van de reactor en de positie van de toevoerbuizen belangrijke factoren die het procesresultaat bepalen. In hun werk, Banert et al. verschillende reactorontwerpen vergeleken. Een verbeterd ontwerp van de reactorkamer kan de vereiste specifieke energie met een factor vijf verlagen.

De ijzeroplossing wordt neergeslagen met respectievelijk geconcentreerd ammoniumhydroxide en natriumhydroxide. Om een pH-gradiënt te voorkomen, moet het neerslagmiddel in overmaat worden gepompt. De deeltjesgrootteverdeling van magnetiet is gemeten met fotoncorrelatiespectroscopie (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Zonder ultrasoon mengen werden deeltjes met een gemiddelde deeltjesgrootte van 45 nm geproduceerd door het hydrodynamisch mengen alleen. Ultrasoon mengen reduceerde de resulterende deeltjesgrootte tot 10 nm en minder. De grafiek hieronder toont de deeltjesgrootteverdeling van Fe₃O₄ deeltjes die ontstaan in een continue ultrasone neerslagreactie (Banert et al., 2004).

De volgende afbeelding (Banert et al., 2006) toont de deeltjesgrootte als functie van de specifieke energie-input.

“Het diagram kan worden onderverdeeld in drie hoofdregimes. Onder ongeveer 1000 kJ/kg_Fe3O4 het mengen wordt geregeld door het hydrodynamische effect. De deeltjesgrootte bedraagt ongeveer 40-50 nm. Boven 1000 kJ/kg wordt het effect van ultrasoon mengen zichtbaar. De deeltjesgrootte neemt af tot minder dan 10 nm. Bij verdere toename van het toegevoerde specifieke vermogen blijft de deeltjesgrootte in dezelfde orde van grootte. Het neerslagmengproces is snel genoeg om homogene nucleatie mogelijk te maken.”

---

Literatuur / Referenties

• 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.