Ultrasoon precipitatieproces

Deeltjes, bijvoorbeeld nanodeeltjes, kunnen via een bottom-upbenadering in vloeistoffen worden gevormd door middel van precipitatie. Bij dit proces begint een oververzadigd mengsel vaste deeltjes te vormen uit het sterk geconcentreerde materiaal. Deze deeltjes groeien en slaan uiteindelijk neer. Om de deeltjes- en kristalgrootte en de morfologie te beheersen, is beheersing van de factoren die de precipitatie beïnvloeden essentieel.

Achtergrond van het precipitatieproces

De afgelopen jaren hebben nanodeeltjes aan belang gewonnen op veel gebieden, zoals coatings, polymeren, inkten, farmaceutische producten en elektronica. Een belangrijke factor die het gebruik van nanomaterialen beïnvloedt, zijn de kosten van het nanomateriaal. Daarom zijn kostenefficiënte manieren nodig om nanomaterialen in grote hoeveelheden te produceren. Terwijl processen zoals emulgering en verkleiningsprocessen top-downprocessen zijn, is precipitatie een bottom-upproces voor de synthese van deeltjes op nanoschaal uit vloeistoffen. Precipitatie omvat:

• Mengen van ten minste twee vloeistoffen
• Oververzadiging
• Kiemvorming
• Deeltjesgroei
• Agglomeratie (doorgaans vermeden door een lage concentratie vaste stoffen of door stabilisatoren)

Mengen bij precipitatie

Mengen is een essentiële stap bij precipitatie, omdat bij de meeste precipitatieprocessen de snelheid van de chemische reactie zeer hoog is. Voor precipitatiereacties worden doorgaans geroerde tankreactoren (batchgewijs of continu), statische mengers of rotor-statormengers gebruikt. De inhomogene verdeling van het mengvermogen en de energie binnen het procesvolume beperkt de kwaliteit van de gesynthetiseerde nanodeeltjes. Dit nadeel neemt toe naarmate het reactorvolume groter wordt. Geavanceerde mengtechnologie en een goede beheersing van de beïnvloedende parameters resulteren in kleinere deeltjes en een betere deeltjeshomogeniteit.

Het toepassen van botsende vloeistofstralen, microkanaalmengers of een Taylor-Couette-reactor verbetert de mengintensiteit en homogeniteit. Dit leidt tot kortere mengtijden. Deze methoden hebben echter beperkte mogelijkheden voor opschaling.

Sonicatie is een geavanceerde mengtechnologie die hogere afschuiving en meer roerenergie biedt zonder beperkingen bij opschaling. Hiermee kunnen ook de bepalende parameters, zoals toegevoerd vermogen, reactorontwerp, verblijftijd en de concentratie van deeltjes of reactanten, onafhankelijk worden geregeld. De ultrasone cavitatie veroorzaakt intensieve micromenging en dissipeert lokaal een hoog vermogen.

Precipitatie van magnetietnanodeeltjes

De toepassing van sonicatie bij precipitatie werd bij het ICVT (TU Clausthal) aangetoond door Banert et al. (2006) voor magnetietnanodeeltjes. Banert gebruikte een geoptimaliseerde sonochemische reactor (afbeelding rechts, toevoer 1: ijzeroplossing, toevoer 2: precipitatiemiddel, Klik voor een grotere weergave!) om de magnetietnanodeeltjes te produceren “door coprecipitatie van een waterige oplossing van ijzer(III)chloridehexahydraat en ijzer(II)sulfaatheptahydraat met een molaire verhouding van Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Omdat hydrodynamische voormenging en macromenging belangrijk zijn en bijdragen aan de ultrasone micromenging, zijn de reactorgeometrie en de positie van de toevoerleidingen belangrijke factoren die het procesresultaat bepalen. In hun onderzoek vergeleken Banert et al. verschillende reactorontwerpen. Een verbeterd ontwerp van de reactorkamer kan de benodigde specifieke energie met een factor vijf verminderen.

De ijzeroplossing wordt geprecipiteerd met respectievelijk geconcentreerd ammoniumhydroxide en natriumhydroxide. Om elke pH-gradiënt te vermijden, moet het precipitatiemiddel in overmaat worden toegepompt. De deeltjesgrootteverdeling van magnetiet is gemeten met fotoncorrelatiespectroscopie (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Zonder sonicatie werden uitsluitend door hydrodynamische menging deeltjes met een gemiddelde deeltjesgrootte van 45nm geproduceerd. Ultrasone menging verminderde de resulterende deeltjesgrootte tot 10nm en kleiner. De onderstaande grafiek toont de deeltjesgrootteverdeling van Fe₃O₄ -deeltjes die in een continue ultrasone precipitatiereactie zijn gevormd (Banert et al., 2004).

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

“Het diagram kan worden onderverdeeld in drie hoofdregimes. Onder ongeveer 1000 kJ/kg_Fe3O4 wordt de menging bepaald door het hydrodynamische effect. De deeltjesgrootte bedraagt ongeveer 40–50 nm. Boven 1000 kJ/kg wordt het effect van de ultrasone menging zichtbaar. De deeltjesgrootte daalt tot onder 10 nm. Bij een verdere toename van de specifieke vermogenstoevoer blijft de deeltjesgrootte in dezelfde orde van grootte. Het mengproces bij precipitatie is snel genoeg om homogene kiemvorming 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.