Processo de precipitação ultrassônica

Partículas, por exemplo, nanopartículas, podem ser geradas de baixo para cima em líquidos por meio de precipitação. Nesse processo, uma mistura supersaturada começa a formar partículas sólidas a partir do material altamente concentrado que crescerá e finalmente precipitará. Para controlar o tamanho e a morfologia da partícula/cristal, o controle sobre os fatores que influenciam a precipitação é essencial.

Fundo do processo de precipitação

Nos últimos anos, as nanopartículas ganharam importância em muitos campos, como revestimentos, polímeros, tintas, produtos farmacêuticos ou eletrônicos. Um fator importante que influencia o uso de nanomateriais é o custo do nanomaterial. Portanto, são necessárias maneiras econômicas de fabricar nanomateriais em grandes quantidades. Enquanto processos, como Emulsificação e processamento de cominuição são Processos de cima para baixo, a precipitação é um processo de baixo para cima para a síntese de partículas nanométricas a partir de líquidos. A precipitação envolve:

• Mistura de, pelo menos, dois líquidos
• Supersaturation
• nucleação
• Crescimento de partículas
• Aglomeração (normalmente evitada por baixa concentração de sólidos ou por agentes estabilizantes)

Mistura de precipitação

A mistura é uma etapa essencial na precipitação, pois para a maioria dos processos de precipitação, a velocidade da reação química é muito alta. Comumente, reatores de tanque agitado (batelada ou contínuo), misturadores estáticos ou rotor-estator estão sendo usados para reações de precipitação. A distribuição não homogênea do poder de mistura e da energia dentro do volume do processo limita a qualidade das nanopartículas sintetizadas. Essa desvantagem aumenta à medida que o volume do reator aumenta. A tecnologia de mistura avançada e o bom controle sobre os parâmetros de influência resultam em partículas menores e melhor homogeneidade das partículas.

A aplicação de jatos de impacto, misturadores de microcanais ou o uso de um reator Taylor-Couette melhoram a intensidade e a homogeneidade da mistura. Isso leva a tempos de mistura mais curtos. No entanto, esses métodos são limitados ao potencial de serem ampliados.

A ultrassonografia é uma tecnologia de mistura avançada que fornece maior cisalhamento e energia de agitação sem limitações de aumento de escala. Ele também permite controlar os parâmetros governantes, como entrada de energia, projeto do reator, tempo de residência, partícula ou concentração de reagente de forma independente. A cavitação ultrassônica induz micro mistura intensa e dissipa alta potência localmente.

Precipitação de nanopartículas de magnetita

A aplicação da ultrassonografia à precipitação foi demonstrada no ICVT (TU Clausthal) por Banert et al. (2006) para nanopartículas de magnetita. Banert usou um reator sonoquímico otimizado (imagem à direita, alimentação 1: solução de ferro, alimentação 2: agente de precipitação, Clique para ampliá-la!) para produzir as nanopartículas de magnetita “por co-precipitação de uma solução aquosa de cloreto de ferro(III) hexa-hidratado e sulfato de ferro(II) hepta-hidratado com uma razão molar de Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Como a pré-mistura hidrodinâmica e a macro mistura são importantes e contribuem para a micromistura ultrassônica, a geometria do reator e a posição dos tubos de alimentação são fatores importantes que regem o resultado do processo. Em seu trabalho, Banert et al. compararam diferentes projetos de reatores. Um design aprimorado da câmara do reator pode reduzir a energia específica necessária pelo fator de cinco.

A solução de ferro é precipitada com hidróxido de amônio concentrado e hidróxido de sódio, respectivamente. Para evitar qualquer gradiente de pH, o precipitante deve ser bombeado em excesso. A distribuição do tamanho das partículas da magnetita foi medida usando espectroscopia de correlação de fótons (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Sem ultrassom, partículas de tamanho médio de partícula de 45 nm foram produzidas apenas pela mistura hidrodinâmica. A mistura ultrassônica reduziu o tamanho de partícula resultante para 10 nm ou menos. O gráfico abaixo mostra a distribuição granulométrica de Fe₃O₄ partículas geradas em uma reação de precipitação ultrassônica contínua (Banert et al., 2004).

O próximo gráfico (Banert et al., 2006) mostra o tamanho da partícula em função da entrada de energia específica.

“O diagrama pode ser dividido em três regimes principais. Abaixo de cerca de 1000 kJ/kg_Fe3O4 A mistura é controlada pelo efeito hidrodinâmico. O tamanho da partícula é de cerca de 40-50 nm. Acima de 1000 kJ/kg o efeito da mistura ultrassônica torna-se visível. O tamanho da partícula diminui abaixo de 10 nm. Com o aumento adicional da entrada de potência específica, o tamanho da partícula permanece na mesma ordem de magnitude. O processo de mistura de precipitação é rápido o suficiente para permitir uma nucleação homogênea.”

Literatura

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 apresentado na Reunião Anual da GVC 2004.

Banert, T., Brenner, G., Peuker, U. A. (2006), Parâmetros operacionais de um reator de precipitação sonoquímica contínua, Proc. 5. WCPT, Orlando Fl., 23.-27. Abril de 2006.