Ultrasone precipitatiewerkwijze

Deeltjes, bijvoorbeeld nanodeeltjes, kunnen door middel van neerslag bottom-up in vloeistoffen worden gegenereerd. In dit proces begint een oververzadigd mengsel vaste deeltjes te vormen uit het sterk geconcentreerde materiaal dat zal groeien en uiteindelijk zal neerslaan. Om de deeltjes/kristalgrootte en -morfologie onder controle te houden, is controle over de neerslag-invloedfactoren essentieel.

Achtergrond van het neerslagproces

In de afgelopen jaren, nanodeeltjes aan belang gewonnen op vele gebieden, zoals coatings, polymeren, inkten, farmaceutische of elektronica. Een belangrijke factor die van invloed het gebruik van nanomaterialen is het nanomateriaal kosten. Daarom kostenefficiënte manier te produceren nanomaterialen in bulkhoeveelheden vereist. Terwijl processen, zoals emulgering en vergruizing verwerking top-down processen, Precipitatie een bottom-up proces voor de synthese van nano-deeltjes uit vloeistoffen. Het neerslag omvat:

• Mengen van ten minste twee vloeistoffen
• oververzadiging
• nucleatie
• groei Particle
• Agglomeratie (meestal vermeden door een lage vaste concentratie of door stabilisatiemiddelen)

Neerslag mengen

Het mengen is een essentiële stap in de precipitatie, omdat voor de meeste precipitatieprocessen de snelheid van de chemische reactie zeer hoog is. Gewoonlijk 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 stralen, micro-channel mengers, of het gebruik van een Taylor-Couette reactor verbeteren van de menging intensiteit en homogeniteit. Dit leidt tot kortere mengtijden. Maar deze methoden zijn beperkt het potentieel om te worden opgeschaald.

Ultrasone trillingen is een geavanceerde mengtechnieken verschaffen hogere afschuiving en roerenergie zonder opschaling beperkingen. Het maakt het ook mogelijk de bepalende parameters, zoals vermogen, reactorontwerp, verblijftijd, deeltje, of reactant concentratie onafhankelijk regelen. De ultrasone cavitatie induceert intens micro mengen en afvoert hoog vermogen lokaal.

Magnetiet nanodeeltjes Neerslag

De toepassing van ultrasone trillingen aan neerslag werd gedemonstreerd op de ICVT (TU Clausthal) door Banert et al. (2006) voor magnetiet nanodeeltjes. Banert gebruikt een geoptimaliseerde sono-chemische reactor (rechter plaatje, feed 1: ijzeroplossing, voer 2: precipitatiemiddel Klik voor grotere weergave!) Het magnetiet nanodeeltjes “door co-precipitatie van een waterige oplossing van ijzer (III) chloride-hexahydraat en ijzer (II) sulfaat heptahydraat met een molaire verhouding Fe³⁺/ Fe²⁺ = 2: 1. Zoals hydrodynamische pre-mixen en mengen macro zijn belangrijk en dragen bij tot de ultrasone micro mengen, de reactorgeometrie en de positie van de toevoerbuizen zijn belangrijke factoren voor het procesresultaat. In hun werk, Banert et al. vergeleken verschillende reactoren. Een verbeterd ontwerp van de reactorkamer kan de specifieke benodigde energie te verminderen met een factor vijf.

De ijzeren oplossing wordt neergeslagen met geconcentreerd ammoniumhydroxide en natriumhydroxide resp. Om eventuele pH-gradiënt te vermijden, moet het neerslagmiddel boven te pompen. De deeltjesgrootteverdeling van magnetiet is gemeten met behulp foton correlatie spectroscopie (PCS, Malvern Nanosizer ZS, Malvern Inc.).”

Zonder ultrasone trillingen, werden deeltjes met een gemiddelde deeltjesgrootte van 45 nm door de hydrodynamische mengen alleen. Ultrasone mengen verlaagde de verkregen deeltjesgrootte tot 10 nm en minder. De afbeelding hieronder toont de deeltjesgrootteverdeling van Fe₃de₄ deeltjes die in een continue ultrasone neerslagreactie worden gegenereerd (Banert et al., 2004).

De volgende grafiek (Banert et al., 2006) Toont de deeltjesgrootte als functie van de specifieke ingangsenergie.

“Het schema kan worden onderverdeeld in drie hoofdcategorieën regimes. Hieronder ongeveer 1000 kJ / kg_Fe3O4 de menging wordt gecontroleerd door het hydrodynamische effect. De deeltjesgrootte bedraagt ongeveer 40-50 nm. Boven 1000 kJ/kg wordt het effect van het ultrasoon mengen zichtbaar. De deeltjesgrootte neemt af tot onder 10 nm. Bij verdere toename van het specifieke vermogen blijft de deeltjesgrootte in dezelfde orde van grootte. Het neerslagmengproces is snel genoeg om een homogene nucleatie mogelijk te maken.”

Literatuur

Banert, T., Horst, C., Kunz, U., Peuker, U.A., U.A.. (2004), Continuous neerslaan in Ultraschalldurchflußreaktor voorbeeld ijzer (II, III) oxide, ICVT, TU-Clausthal, Poster gepresenteerd op GVC Annual Meeting 2004.

Banert, T., Brenner, G., Peuker, U.A., Brenner... (2006), bedrijfsparameters van een continue sono-chemische neerslag reactor, Proc. 5. WCPT, Orlando Fl., 23.-27. April 2006.