Processo de precipitação por ultra-sons

As partículas, por exemplo nanopartículas, podem ser geradas de baixo para cima em líquidos por meio de precipitação. Neste processo, uma mistura supersaturada começa a formar partículas sólidas a partir do material altamente concentrado que irá crescer e finalmente precipitar. A fim de controlar o tamanho e a morfologia das partículas/cristais, é essencial controlar os factores que influenciam a precipitação.

Antecedentes do processo de precipitação

Nos últimos anos, as nanopartículas ganharam importância em muitos domínios, como os revestimentos, os polímeros, as tintas, os produtos farmacêuticos ou a eletrónica. Um fator importante que influencia a utilização de nanomateriais é o seu custo. Por conseguinte, são necessárias formas economicamente eficientes de fabricar nanomateriais em grandes quantidades. Embora os processos, como Emulsificação e o processamento de cominuição são processos descendentesA precipitação é um processo de baixo para cima para a síntese de partículas de tamanho nanométrico a partir de líquidos. A precipitação envolve:

• Mistura de pelo menos dois líquidos
• Supersaturação
• nucleação
• Crescimento de partículas
• Aglomeração (normalmente evitada por uma baixa concentração de sólidos ou por agentes estabilizadores)

Mistura de precipitação

A mistura é uma etapa essencial na precipitação, uma vez que, na maioria dos processos de precipitação, a velocidade da reação química é muito elevada. Normalmente, são utilizados reactores de tanque agitado (descontínuos ou contínuos), misturadores estáticos ou de rotor-estator para as reacções de precipitação. A distribuição não homogénea da potência e da energia de mistura no volume do processo limita a qualidade das nanopartículas sintetizadas. Esta desvantagem aumenta à medida que o volume do reator aumenta. Uma tecnologia de mistura avançada e um bom controlo dos parâmetros de influência resultam em partículas mais pequenas e numa melhor homogeneidade das partículas.

A aplicação de jactos de impacto, misturadores de microcanais ou a utilização de um reator Taylor-Couette melhoram a intensidade e a homogeneidade da mistura. Isto leva a tempos de mistura mais curtos. No entanto, estes métodos são limitados no que respeita ao potencial de aumento de escala.

A ultra-sons é uma tecnologia de mistura avançada que proporciona um maior cisalhamento e energia de agitação sem limitações de escala. Permite igualmente controlar de forma independente os parâmetros que regem a mistura, tais como a potência de entrada, a conceção do reator, o tempo de residência, a concentração de partículas ou de reagentes. A cavitação ultra-sónica induz uma micro-mistura intensa e dissipa localmente uma elevada potência.

Precipitação de nanopartículas de magnetite

A aplicação da ultrassonografia à precipitação foi demonstrada no ICVT (TU Clausthal) por Banert et al. (2006) para nanopartículas de magnetite. A Banert utilizou um reator sono-químico optimizado (imagem da direita, alimentação 1: solução de ferro, alimentação 2: agente de precipitação, Clique para ver maior!) para produzir as nanopartículas de magnetite “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. Uma vez que a pré-mistura hidrodinâmica e a macro-mistura são importantes e contribuem para a micro-mistura ultra-sónica, a geometria do reator e a posição dos tubos de alimentação são factores importantes que regem o resultado do processo. No seu trabalho, Banert et al. comparou diferentes concepções de reactores. Uma conceção melhorada da câmara do reator pode reduzir a energia específica necessária por um fator de cinco.

A solução de ferro é precipitada com hidróxido de amónio concentrado e hidróxido de sódio, respetivamente. A fim de evitar qualquer gradiente de pH, o precipitante tem de ser bombeado em excesso. A distribuição do tamanho das partículas da magnetite foi medida utilizando a espetroscopia de correlação de fotões (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Sem ultra-sons, as partículas com um tamanho médio de 45 nm foram produzidas apenas pela mistura hidrodinâmica. A mistura ultra-sónica reduziu o tamanho das partículas resultantes para 10 nm ou menos. O gráfico abaixo mostra a distribuição do tamanho das partículas de Fe₃O₄ partículas geradas numa reação de precipitação ultra-sónica contínua (Banert et al., 2004).

O gráfico seguinte (Banert et al., 2006) mostra o tamanho das partículas em função da energia específica utilizada.

“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 das partículas é de cerca de 40-50 nm. Acima de 1000 kJ/kg, o efeito da mistura ultra-sónica torna-se visível. O tamanho das partículas diminui para menos de 10 nm. Com um aumento adicional da potência específica de entrada, o tamanho das partículas mantém-se na mesma ordem de grandeza. O processo de mistura por precipitação é suficientemente rápido para permitir uma nucleação homogénea.”

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Literatura / Referências

• 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.