Procesul de precipitare cu ultrasunete

Particulele, de exemplu nanoparticulele, pot fi generate de jos în sus în lichide prin precipitare. În acest proces, un amestec suprasaturat începe să formeze particule solide din materialul foarte concentrat care va crește și în cele din urmă va precipita. Pentru a controla dimensiunea și morfologia particulelor/cristalelor, controlul asupra factorilor care influențează precipitațiile este esențial.

Fundalul procesului de precipitare

În ultimii ani, nanoparticulele au câștigat importanță în multe domenii, cum ar fi acoperirile, polimerii, cernelurile, produsele farmaceutice sau electronice. Un factor important care influențează utilizarea nanomaterialelor este costul nanomaterialelor. Prin urmare, sunt necesare modalități eficiente din punctul de vedere al costurilor de fabricare a nanomaterialelor în cantități mari. În timp ce procesele, cum ar fi Emulsionare și prelucrarea prin pulverizare sunt Procese de sus în jos, precipitarea este un proces ascendent pentru sinteza particulelor de dimensiuni nanometrice din lichide. Precipitațiile implică:

• Amestecarea a cel puțin două lichide
• suprasaturație
• Nucleație
• Creșterea particulelor
• Aglomerare (de obicei evitată prin concentrație solidă scăzută sau prin agenți de stabilizare)

Amestecarea precipitațiilor

Amestecarea este un pas esențial în precipitare, deoarece pentru majoritatea proceselor de precipitare, viteza reacției chimice este foarte mare. În mod obișnuit, reactoarele cu rezervor agitat (lot sau continuu), mixerele statice sau rotor-stator sunt utilizate pentru reacțiile de precipitare. Distribuția neomogenă a puterii și energiei de amestecare în volumul procesului limitează calitatea nanoparticulelor sintetizate. Acest dezavantaj crește odată cu creșterea volumului reactorului. Tehnologia avansată de amestecare și un control bun asupra parametrilor de influență au ca rezultat particule mai mici și o omogenitate mai bună a particulelor.

Aplicarea jeturilor de lovire, a mixerelor cu micro-canale sau utilizarea unui reactor Taylor-Couette îmbunătățește intensitatea și omogenitatea amestecului. Acest lucru duce la timpi de amestecare mai scurți. Cu toate acestea, aceste metode sunt limitate, potențialul de a fi extinse.

Ultrasonication este o tehnologie avansată de amestecare care oferă o forfecare mai mare și energie de agitare fără limitări de scalare. De asemenea, permite controlul independent al parametrilor de guvernare, cum ar fi puterea de intrare, proiectarea reactorului, timpul de rezidență, particulele sau concentrația reactantului. Cavitația cu ultrasunete induce micro amestecare intensă și disipează puterea mare la nivel local.

Precipitații de nanoparticule de magnetit

Aplicarea ultrasonication la precipitații a fost demonstrată la ICVT (TU Clausthal) prin Banert și colab. (2006) pentru nanoparticule de magnetit. Banert a folosit un reactor sono-chimic optimizat (imaginea din dreapta, alimentarea 1: soluție de fier, alimentarea 2: agent de precipitare, Faceți clic pentru o vizualizare mai mare!) pentru producerea nanoparticulelor de magnetit “prin coprecipitarea unei soluții apoase de clorură de fier (III) hexahidrat și heptahidrat de sulfat de fier (II) cu un raport molar de Fe³⁺/F²⁺ = 2:1. Deoarece pre-amestecarea hidrodinamică și amestecarea macro sunt importante și contribuie la micro-amestecarea cu ultrasunete, geometria reactorului și poziția conductelor de alimentare sunt factori importanți care guvernează rezultatul procesului. În munca lor, Banert și colab. a comparat diferite modele de reactoare. Un design îmbunătățit al camerei reactorului poate reduce energia specifică necesară cu factorul cinci.

Soluția de fier este precipitată cu hidroxid de amoniu concentrat și, respectiv, hidroxid de sodiu. Pentru a evita orice gradient de pH, precipitantul trebuie pompat în exces. Distribuția dimensiunii particulelor magnetitului a fost măsurată folosind spectroscopia de corelație fotonică (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Fără ultrasonication, particule cu o dimensiune medie a particulelor de 45nm au fost produse numai prin amestecarea hidrodinamică. Amestecarea cu ultrasunete a redus dimensiunea particulelor rezultate la 10nm și mai puțin. Graficul de mai jos arată distribuția dimensiunii particulelor Fe₃O₄ particule generate într-o reacție continuă de precipitare cu ultrasunete (Banert și colab., 2004).

Următorul grafic (Banert și colab., 2006) arată dimensiunea particulelor în funcție de aportul specific de energie.

“Diagrama poate fi împărțită în trei regimuri principale. Sub aproximativ 1000 kJ/kg_Fe3O4 amestecul este controlat de efectul hidrodinamic. Dimensiunea particulelor se ridică la aproximativ 40-50 nm. Peste 1000 kJ/kg, efectul amestecului cu ultrasunete devine vizibil. Dimensiunea particulelor scade sub 10 nm. Cu o creștere suplimentară a puterii specifice absorbite, dimensiunea particulelor rămâne în același ordin de mărime. Procesul de amestecare prin precipitare este suficient de rapid pentru a permite nuclearea omogenă.”

---

Literatură / Referințe

• 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.