Сонофрагментация – влияние мощного ультразвука на разрушение частиц

Сонофрагментация описывает разрушение частиц на наноразмерные фрагменты под действием ультразвука высокой мощности. В отличие от обычной ультразвуковой деагломерации и измельчения – при которых частицы преимущественно измельчаются и разделяются вследствие межчастичных столкновений – сонофрагментация характеризуется непосредственным взаимодействием частицы с ударной волной. Ультразвук высокой мощности и низкой частоты создаёт кавитацию и тем самым вызывает интенсивные сдвиговые силы в жидкостях. Экстремальные условия схлопывания кавитационных пузырьков и межчастичных столкновений обеспечивают измельчение частиц до очень мелкодисперсного материала.

Ультразвуковое получение и подготовка наночастиц

Воздействие мощного ультразвука при получении наноматериалов хорошо известно: диспергирование, деагломерация и измельчение, а также фрагментация посредством обработки ультразвуком часто являются единственным эффективным методом обработки наночастиц. Это особенно актуально для очень мелкодисперсных наноматериалов с особыми функциональными свойствами, поскольку при наноразмерах проявляются уникальные характеристики частиц. Для получения наноматериала с определёнными функциональными свойствами необходимо обеспечить равномерный и надёжный процесс обработки ультразвуком. Hielscher поставляет ультразвуковое оборудование от лабораторного масштаба до полномасштабного промышленного производства.

Сонофрагментация посредством кавитации

Воздействие мощных ультразвуковых сил на жидкости создаёт экстремальные условия. При распространении ультразвука в жидкой среде ультразвуковые волны вызывают чередующиеся циклы сжатия и разрежения (циклы высокого и низкого давления). Во время циклов низкого давления в жидкости возникают небольшие вакуумные пузырьки. Эти кавитационные пузырьки растут в течение нескольких циклов низкого давления, пока не достигнут размера, при котором они больше не могут поглощать энергию. В этом состоянии максимальной поглощённой энергии и максимального размера кавитационный пузырёк резко схлопывается, создавая локальные экстремальные условия. В результате схлопывания кавитационных пузырьков локально достигаются очень высокие температуры около 5000K и давления около 2000atm. Схлопывание приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280m/s (≈1000km/h). Сонофрагментация описывает использование этих интенсивных сил для дробления частиц до меньших размеров в субмикронном и нанодиапазоне. По мере обработки ультразвуком форма частиц меняется от угловатой к сферической, что повышает ценность частиц. Результаты сонофрагментации выражаются скоростью фрагментации, которая описывается как функция подводимой мощности, объёма, обрабатываемого ультразвуком, и размера агломератов.
Kusters et al. (1994) исследовали фрагментацию агломератов с применением ультразвука в связи с её энергопотреблением. Результаты исследователей «указывают на то, что метод ультразвукового диспергирования может быть столь же эффективным, как и традиционные методы измельчения. Промышленное применение ультразвукового диспергирования (например, более крупные зонды, непрерывный поток суспензии) может несколько изменить эти результаты, однако в целом ожидается, что причиной выбора этого метода измельчения является не удельное энергопотребление, а его способность получать чрезвычайно мелкие (субмикронные) частицы». [Kusters et al. 1994] В частности, для порошков, подверженных эрозии, таких как диоксид кремния или диоксид циркония, было установлено, что удельная энергия, необходимая на единицу массы порошка, при ультразвуковом измельчении ниже, чем при традиционных методах измельчения. Обработка ультразвуком воздействует на частицы не только посредством измельчения, но и путём полирования твёрдых частиц. Благодаря этому может быть достигнута высокая сферичность частиц.

Сонофрагментация для кристаллизации наноматериалов

«Хотя практически не вызывает сомнений, что в суспензиях молекулярных кристаллов, подвергаемых воздействию ультразвука, действительно происходят межчастичные столкновения, они не являются преобладающим источником фрагментации. В отличие от молекулярных кристаллов, металлические частицы не повреждаются непосредственно ударными волнами и могут подвергаться воздействию только более интенсивных (но гораздо более редких) межчастичных столкновений. Смена преобладающих механизмов при обработке ультразвуком металлических порошков по сравнению с суспензиями аспирина подчёркивает различия в свойствах пластичных металлических частиц и хрупких молекулярных кристаллов». [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Сонофрагментация частиц аспирина [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) исследовали получение высокочистых субмикрометровых керамических частиц оксида алюминия (преимущественно в диапазоне менее 100 nm) из исходного материала микрометрового размера (например, 70–80 μm) с помощью сонофрагментации. Они наблюдали значительное изменение цвета и формы керамических частиц оксида алюминия в результате сонофрагментации. Частицы микронного, субмикронного и наноразмерного диапазонов можно легко получить посредством обработки ультразвуком высокой мощности. Сферичность частиц увеличивалась с увеличением времени пребывания в акустическом поле.

Диспергирование в поверхностно-активном веществе

Ввиду эффективного разрушения частиц ультразвуком применение поверхностно-активных веществ необходимо для предотвращения деагломерации полученных субмикронных и наноразмерных частиц. Чем меньше размер частиц, тем выше соотношение размеров площади поверхности, которую необходимо покрыть поверхностно-активным веществом, чтобы удерживать частицы во взвешенном состоянии и предотвращать их коагуляцию (агломерацию). Преимущество обработки ультразвуком заключается в диспергирующем действии: одновременно с измельчением и фрагментацией ультразвук диспергирует измельчённые фрагменты частиц с поверхностно-активным веществом, благодаря чему агломерация наночастиц (почти) полностью предотвращается.

Промышленное производство

Для поставки на рынок высококачественного наноматериала с исключительными функциональными свойствами требуется надёжное технологическое оборудование. Ультразвуковые аппараты мощностью до 16kW на единицу, которые можно объединять в кластеры, позволяют обрабатывать потоки практически неограниченного объёма. Благодаря полностью линейной масштабируемости ультразвуковых процессов ультразвуковые технологии можно без риска испытать в лаборатории, оптимизировать на настольной установке и затем без проблем внедрить в производственную линию. Поскольку ультразвуковое оборудование не требует большого пространства, его можно даже встроить в существующие технологические потоки. Эксплуатация проста, контроль и управление можно осуществлять дистанционно, а потребность в техническом обслуживании ультразвуковой системы практически ничтожна.

Распределение частиц по размерам и изображения сплава на основе Bi2Te3, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), до и после ультразвукового измельчения. a – распределение частиц по размерам; b – СЭМ-изображение до ультразвукового измельчения; c – СЭМ-изображение после ультразвукового измельчения в течение 4 h; d – СЭМ-изображение после ультразвукового измельчения в течение 8 h.
источник: Marquez-Garcia et al. 2015.

Литература / Источники

• Ambedkar, B. (2012): Ultrasonic Coal-Wash for De-Ashing and De-Sulfurization: Experimental Investigation and Mechanistic Modeling. Springer, 2012.
• Eder, Rafael J. P.; Schrank, Simone; Besenhard, Maximilian O.; Roblegg, Eva; Gruber-Woelfler, Heidrun; Khinast, Johannes G. (2012): Continuous Sonocrystallization of Acetylsalicylic Acid (ASA): Control of Crystal Size. Crystal Growth & Design 12/10, 2012. 4733-4738.
• Gopi, K. R.; Nagarajan, R. (2008): Advances in Nanoalumina Ceramic Particle Fabrication Using Sonofragmentation. IEEE Transactions on Nanotechnology 7/5, 2008. 532-537.
• Kusters, Karl; Pratsinis, Sotiris E.; Thoma, Steven G.; Smith, Douglas M. (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology 80, 1994. 253-263.
• Zeiger, Brad W.; Suslick, Kenneth S. (2011): Sonofragementation of Molecular Crystals. Journal of the American Chemical Society. 2011.