Процесс осаждения ультразвуком

Частицы, например, наночастицы, могут образовываться снизу вверх в жидкостях с помощью осаждения. В этом процессе пересыщенная смесь начинает образовывать твердые частицы из высококонцентрированного материала, которые будут расти и, в конечном итоге, выпадать в осадок. Для контроля размера и морфологии частиц/кристаллов необходим контроль над факторами, влияющими на атмосферные осадки.

Предыстория процесса осаждения

В последние годы наночастицы приобрели важное значение во многих областях, таких как покрытия, полимеры, чернила, фармацевтика или электроника. Одним из важных факторов, влияющих на использование наноматериалов, является стоимость наноматериалов. Поэтому необходимы экономически эффективные способы производства наноматериалов в больших количествах. В то время как процессы, такие как эмульгирование и переработки измельчения Нисходящие процессы, осаждение — это восходящий процесс синтеза наноразмерных частиц из жидкостей. Осадки включают в себя:

• Смешивание не менее двух жидкостей
• пересыщение
• зарождение кристалла
• Рост частиц
• Агломерация (обычно избегается благодаря низкой концентрации твердых частиц или стабилизирующим агентам)

Перемешивание осадков

Перемешивание является важным этапом осаждения, так как для большинства процессов осаждения скорость химической реакции очень высока. Как правило, для реакций осаждения используются реакторы с перемешиванием (периодического действия или непрерывного действия), статические или роторно-статорные смесители. Неравномерное распределение мощности и энергии перемешивания в объеме процесса ограничивает качество синтезируемых наночастиц. Этот недостаток увеличивается по мере увеличения объема реактора. Передовая технология смешивания и хороший контроль над влияющими параметрами приводят к уменьшению размера частиц и повышению их однородности.

Применение ударных форсунок, микроканальных смесителей или использование реактора Тейлора-Куэтта повышает интенсивность и однородность смешивания. Это приводит к сокращению времени смешивания. Тем не менее, эти методы ограничены в своих возможностях.

Ультразвуковая обработка — это передовая технология смешивания, обеспечивающая более высокую энергию сдвига и перемешивания без ограничений по масштабированию. Это также позволяет независимо контролировать определяющие параметры, такие как потребляемая мощность, конструкция реактора, время пребывания, концентрация частиц или реагента. Ультразвуковая кавитация вызывает интенсивное микроперемешивание и локально рассеивает высокую мощность.

Осаждение наночастиц магнетита

Применение ультразвука к атмосферным осадкам было продемонстрировано в ICVT (TU Clausthal) с помощью Banert et al. (2006) для наночастиц магнетита. Компания Banert использовала оптимизированный сонохимический реактор (справа, подача 1: раствор железа, подача 2: осадитель, Нажмите, чтобы увеличить изображение!) для получения наночастиц магнетита “совместным осаждением водного раствора гексагидрата хлорида железа (III) и гептагидрата сульфата железа (II) с молярным соотношением Fe³⁺/Фе²⁺ = 2:1. Поскольку гидродинамическое предварительное смешивание и макросмешивание имеют важное значение и способствуют ультразвуковому микроперемешиванию, геометрия реактора и положение питательных труб являются важными факторами, определяющими результат процесса. В своей работе Banert et al. Сравнили различные конструкции реакторов. Усовершенствованная конструкция камеры реактора позволяет снизить требуемую удельную энергию в пять раз.

Раствор железа осаждается концентрированными гидроксидом аммония и гидроксидом натрия соответственно. Чтобы избежать какого-либо градиента pH, осадитель должен быть откачан в избытке. Распределение частиц магнетита по размерам было измерено с помощью фотонной корреляционной спектроскопии (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Без ультразвука частицы со средним размером частиц 45 нм получались только за счет гидродинамического перемешивания. Ультразвуковое перемешивание уменьшило размер получаемых частиц до 10 нм и менее. На приведенном ниже графике показано распределение Fe по размерам частиц₃O₄ частицы, образующиеся в результате непрерывной реакции ультразвукового осаждения (Banert et al., 2004).

Следующий график (Banert et al., 2006) показывает размер частиц в зависимости от удельного расхода энергии.

“Диаграмму можно разделить на три основных режима. Ниже около 1000 кДж/кг_Фе3О4 перемешивание контролируется гидродинамическим эффектом. Размер частиц составляет около 40-50 нм. При температуре выше 1000 кДж/кг становится заметным эффект ультразвукового перемешивания. Размер частиц уменьшается ниже 10 нм. При дальнейшем увеличении удельной мощности размер частиц остается на том же уровне. Процесс перемешивания осадков происходит достаточно быстро, чтобы обеспечить гомогенную нуклеацию.”

---

Литература / Литература

• 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.