Ultrasone kristallisatie en neerslag

Sono-kristallisatie en sonoprecipitatie

De toepassing van ultrasone golven tijdens kristallisatie en precipitatie heeft verschillende positieve effecten op het proces.
Vermogensechografie helpt om

• oververzadigde/oververzadigde oplossingen vormen
• een snelle nucleatie starten
• de snelheid van kristalgroei regelen
• de neerslag regelen
• controlepolymorfen
• onzuiverheden verminderen
• een uniforme kristalgrootteverdeling verkrijgen
• een gelijkmatige morfologie verkrijgen
• ongewenste afzetting op oppervlakken voorkomen
• secundaire nucleatie initiëren
• de scheiding vast-vloeibaar verbeteren

Verschil tussen kristallisatie en neerslag

Zowel kristallisatie als precipitatie zijn oplosbaarheidsgedreven processen, waarbij een vaste fase, kristal of neerslag, ontstaat uit een oplossing die het verzadigingspunt heeft overschreden. Het onderscheid tussen kristallisatie en precipitatie hangt af van het vormingsmechanisme en de aard van het eindproduct.

Bij kristallisatie vindt een methodische en geleidelijke ontwikkeling van een kristallijn rooster plaats, selectief samengesteld uit organische moleculen, wat uiteindelijk een zuivere en goed gedefinieerde kristallijne of polymorfe verbinding oplevert. Omgekeerd leidt precipitatie tot de snelle vorming van vaste fasen uit een oververzadigde oplossing, wat resulteert in de vorming van kristallijne of amorfe vaste stoffen. Het is belangrijk om op te merken dat het onderscheid tussen kristallisatie en precipitatie lastig kan zijn, omdat veel organische stoffen zich aanvankelijk manifesteren als amorfe, niet-kristallijne vaste stoffen, die vervolgens een overgang ondergaan om echt kristallijn te worden. In zulke gevallen wordt de afbakening tussen nucleatie en de vorming van een amorfe vaste stof tijdens precipitatie ingewikkeld.

De kristallisatie- en neerslagprocessen worden bepaald door twee fundamentele stappen: nucleatie en kristalgroei. Nucleatie begint wanneer moleculen van opgeloste stoffen in een oververzadigde oplossing zich ophopen en clusters of kernen vormen, die dan dienen als basis voor de daaropvolgende groei van vaste fasen.

Veelvoorkomende problemen met kristallisatie- en neerslagprocessen

Kristallisatie en precipitatie zijn normaal gesproken ofwel zeer selectief of zeer snel voortplantende processen en daardoor nauwelijks te beheersen. Het resultaat is dat over het algemeen nucleatie optreedt willekeurigzodat de kwaliteit van de resulterende kristallen (neerslag) ongecontroleerd is. De kristallen die dan ontstaan hebben een onregelmatige kristalgrootte, zijn ongelijk verdeeld en hebben een niet-uniforme vorm. Dergelijke willekeurig neergeslagen kristallen veroorzaken grote kwaliteitsproblemen omdat kristalgrootte, kristaldistributie en morfologie cruciale kwaliteitscriteria zijn voor de neergeslagen deeltjes. Een ongecontroleerde kristallisatie en precipitatie betekent een slecht product.

Oplossing: Kristallisatie en precipitatie onder Sonicatie

Met ultrasoon geassisteerde kristallisatie (sonokristallisatie) en precipitatie (sonoprecipitatie) kunnen de procesomstandigheden nauwkeurig worden geregeld. Alle belangrijke parameters van de ultrasone kristallisatie kunnen nauwkeurig worden beïnvloed – wat resulteert in een gecontroleerde nucleatie en kristallisatie. De ultrasoon geprecipiteerde kristallen hebben een meer uniforme grootte en een meer kubusvormige morfologie. De gecontroleerde omstandigheden van sonokristallisatie en sonoprecipitatie zorgen voor een hoge reproduceerbaarheid en een continue kristalkwaliteit. Alle resultaten die op kleine schaal zijn bereikt, kunnen volledig lineair worden opgeschaald. Ultrasone kristallisatie en precipitatie maken de verfijnde productie van kristallijne nanodeeltjes mogelijk. – zowel op laboratorium- als op industriële schaal.

TEM-beeld van ultrasoon gesynthetiseerde perovskiet nanokristallen: CH3NH3PbBr3 QD's (a) met en (b) zonder ultrasone behandeling.
(Afbeelding en onderzoek: ©Chen et al., 2007)

De effecten van ultrasone cavitatie op kristallisatie en precipitatie

Wanneer ultrasone golven met hoge energie worden gekoppeld aan vloeistoffen, ontstaan er door afwisselende cycli van hoge en lage druk bellen of holtes in de vloeistof. Deze bellen groeien gedurende verschillende cycli totdat ze geen energie meer kunnen absorberen, zodat ze tijdens een hogedrukcyclus heftig imploderen. Het fenomeen van zulke gewelddadige implosies van bellen staat bekend als akoestische cavitatie en wordt gekenmerkt door lokale extreme omstandigheden zoals zeer hoge temperaturen, hoge afkoelsnelheden, hoge drukverschillen, schokgolven en vloeistofstralen.
De effecten van ultrasone cavitatie bevorderen kristallisatie en precipitatie en zorgen voor een zeer homogene menging van de precursoren. Ultrasoon oplossen is een beproefde methode om oververzadigde oplossingen te produceren. Het intense mengen en de daardoor verbeterde massaoverdracht verbetert het inzaaien van de kernen. De ultrasone schokgolven helpen bij de vorming van de kernen. Hoe meer kernen er worden gevormd, hoe fijner en sneller de kristalgroei zal verlopen. Omdat ultrasone cavitatie zeer nauwkeurig kan worden geregeld, is het mogelijk om het kristallisatieproces te controleren. Natuurlijk bestaande barrières voor nucleatie worden gemakkelijk overwonnen door de ultrasone krachten.
Daarnaast helpt sonicatie bij zogenaamde secundaire nucleatie omdat de krachtige ultrasone schuifkrachten grotere kristallen of agglomeraten breken en deagglomereren.
Met ultrageluid kan een voorbehandeling van de precursors worden vermeden omdat sonicatie de reactiekinetiek verbetert.

Ultrasone cavitatie creëert zeer intense krachten die de kristallisatie- en neerslagprocessen bevorderen.

Kristalgrootte beïnvloeden door sonificatie

Ultrasoon geluid maakt de productie van kristallen op maat mogelijk. Drie algemene opties voor sonicatie hebben belangrijke effecten op de output:

• Initiële sonificatie:
  De korte toepassing van ultrasone geluidsgolven op een oververzadigde oplossing kan het zaaien en de vorming van kernen initiëren. Omdat sonicatie alleen in de beginfase wordt toegepast, verloopt de daaropvolgende kristalgroei ongehinderd, wat resulteert in groter kristallen.
• Continue Sonicatie:
  De voortdurende bestraling van de oververzadigde oplossing resulteert in kleine kristallen, aangezien de ononderbroken ultrasone trilling veel kernen creëert die resulteren in de groei van veel kristallen. kleine kristallen.

• Gepulseerde Sonicatie:
  Gepulseerd ultrageluid betekent de toepassing van ultrageluid in bepaalde intervallen. Een nauwkeurig gecontroleerde toevoer van ultrasone energie maakt het mogelijk om de kristalgroei te beïnvloeden om een op maat kristalgrootte.

Sonificatoren voor verbeterde kristallisatie- en neerslagprocessen

Sonokristallisatie- en sonoprecipitatieprocessen kunnen worden uitgevoerd in batches of gesloten reactoren, als continu inline proces of als in-situ reactie. Hielscher Ultrasonics levert u de perfect geschikte sonicator voor uw specifieke sono-kristallisatie- en sono-precipitatieproces. – Zowel voor onderzoeksdoeleinden in laboratoria en op laboratoriumschaal als voor industriële productie. Ons brede productassortiment voldoet aan al uw behoeften. Alle ultrasoonapparaten kunnen worden ingesteld op ultrasone pulsatiecycli – een eigenschap waarmee een kristalgrootte op maat kan worden beïnvloed.
Om de voordelen van ultrasone kristallisatie nog verder te verbeteren, wordt het gebruik van het Hielscher flowcelinzetstuk MultiPhaseCavitator aanbevolen. Dit speciale inzetstuk zorgt voor de injectie van de precursor via 48 fijne canules, waardoor de initiële zaaiing van de kernen wordt verbeterd. De precursors kunnen exact worden gedoseerd, waardoor het kristallisatieproces zeer controleerbaar is.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: