Ultradźwiękowy proces wytrącania

Cząstki, np. nanocząstki, mogą być generowane oddolnie w cieczach za pomocą wytrącania. W tym procesie przesycona mieszanina zaczyna tworzyć stałe cząstki z wysoce stężonego materiału, które rosną i ostatecznie wytrącają się. Aby kontrolować rozmiar i morfologię cząstek/kryształów, niezbędna jest kontrola nad czynnikami wpływającymi na wytrącanie.

Tło procesu opadów

W ostatnich latach nanocząstki zyskały na znaczeniu w wielu dziedzinach, takich jak powłoki, polimery, tusze, farmaceutyki czy elektronika. Jednym z ważnych czynników wpływających na wykorzystanie nanomateriałów jest ich koszt. W związku z tym wymagane są opłacalne sposoby produkcji nanomateriałów w ilościach hurtowych. Podczas gdy procesy, takie jak emulgowanie i obróbka rozdrabniająca są procesy odgórneWytrącanie jest oddolnym procesem syntezy nanocząstek z cieczy. Wytrącanie obejmuje:

• Mieszanie co najmniej dwóch płynów
• przesycenie
• nukleacja
• Wzrost cząsteczek
• Aglomeracja (zazwyczaj unika się jej dzięki niskiemu stężeniu substancji stałych lub środkom stabilizującym)

Mieszanie opadów

Mieszanie jest niezbędnym etapem wytrącania, ponieważ w przypadku większości procesów wytrącania szybkość reakcji chemicznej jest bardzo wysoka. W reakcjach strącania powszechnie stosowane są reaktory zbiornikowe z mieszadłem (wsadowe lub ciągłe), mieszalniki statyczne lub mieszalniki typu rotor-stator. Niejednorodny rozkład mocy mieszania i energii w objętości procesu ogranicza jakość syntetyzowanych nanocząstek. Wada ta zwiększa się wraz ze wzrostem objętości reaktora. Zaawansowana technologia mieszania i dobra kontrola nad wpływającymi parametrami skutkują mniejszymi cząstkami i lepszą jednorodnością cząstek.

Zastosowanie dysz uderzeniowych, mieszadeł mikrokanałowych lub reaktora Taylor-Couette poprawia intensywność i jednorodność mieszania. Prowadzi to do skrócenia czasu mieszania. Metody te mają jednak ograniczone możliwości skalowania.

Ultradźwięki to zaawansowana technologia mieszania zapewniająca wyższe ścinanie i energię mieszania bez ograniczeń skalowania. Pozwala również na niezależną kontrolę parametrów regulacyjnych, takich jak pobór mocy, konstrukcja reaktora, czas przebywania, stężenie cząstek lub reagentów. Kawitacja ultradźwiękowa wywołuje intensywne mikromieszanie i lokalnie rozprasza dużą moc.

Wytrącanie nanocząstek magnetytu

Zastosowanie ultradźwięków do wytrącania zostało zademonstrowane w ICVT (TU Clausthal) przez Banert et al. (2006) dla nanocząstek magnetytu. Banert zastosował zoptymalizowany reaktor sonochemiczny (prawy obrazek, wsad 1: roztwór żelaza, wsad 2: środek strącający), Kliknij, aby powiększyć widok!) w celu wytworzenia nanocząstek magnetytu “przez współstrącanie wodnego roztworu heksahydratu chlorku żelaza(III) i heptahydratu siarczanu żelaza(II) o stosunku molowym Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Ponieważ wstępne mieszanie hydrodynamiczne i mieszanie makro są ważne i przyczyniają się do mikromieszania ultradźwiękowego, geometria reaktora i położenie rur zasilających są ważnymi czynnikami regulującymi wynik procesu. W ich pracy, Banert i in. porównano różne konstrukcje reaktorów. Ulepszona konstrukcja komory reaktora może zmniejszyć wymaganą energię właściwą pięciokrotnie.

Roztwór żelaza jest strącany odpowiednio stężonym wodorotlenkiem amonu i wodorotlenkiem sodu. Aby uniknąć gradientu pH, środek strącający musi być pompowany w nadmiarze. Rozkład wielkości cząstek magnetytu został zmierzony za pomocą spektroskopii korelacji fotonów (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Bez ultradźwięków, cząstki o średniej wielkości 45 nm były wytwarzane przez samo mieszanie hydrodynamiczne. Mieszanie ultradźwiękowe zmniejszyło wynikowy rozmiar cząstek do 10 nm i mniej. Poniższa grafika przedstawia rozkład wielkości cząstek Fe₃O₄ generowane w ciągłej ultradźwiękowej reakcji strącania (Banert et al., 2004).

Następna grafika (Banert et al., 2006) pokazuje rozmiar cząstek jako funkcję określonego wkładu energii.

“Wykres można podzielić na trzy główne reżimy. Poniżej około 1000 kJ/kg_Fe3O4 Mieszanie jest kontrolowane przez efekt hydrodynamiczny. Wielkość cząstek wynosi około 40-50 nm. Powyżej 1000 kJ/kg widoczny staje się efekt mieszania ultradźwiękowego. Wielkość cząstek zmniejsza się poniżej 10 nm. Przy dalszym wzroście mocy właściwej wielkość cząstek pozostaje w tym samym rzędzie wielkości. Proces mieszania opadów jest wystarczająco szybki, aby umożliwić jednorodne zarodkowanie.”

---

Literatura / Referencje

• 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.