Postopek ultrazvočnega obarjanja

Delce, npr. nanodelce, lahko v tekočinah ustvarimo z obarjanjem po pristopu od spodaj navzgor. Pri tem postopku se v prenasičeni zmesi iz močno koncentrirane snovi začnejo oblikovati trdni delci, ki rastejo in se nazadnje oborijo. Za nadzor velikosti in morfologije delcev/kristalov je bistven nadzor dejavnikov, ki vplivajo na obarjanje.

Osnove postopka obarjanja

V zadnjih letih so nanodelci pridobili pomen na številnih področjih, kot so premazi, polimeri, črnila, farmacevtski izdelki in elektronika. Pomemben dejavnik, ki vpliva na uporabo nanomaterialov, je njihova cena. Zato so potrebni stroškovno učinkoviti načini proizvodnje nanomaterialov v velikih količinah. Medtem ko so postopki, kot sta emulgiranje in drobljenje, postopki od zgoraj navzdol, je obarjanje postopek od spodaj navzgor za sintezo delcev nanometrske velikosti iz tekočin. Obarjanje vključuje:

• Mešanje vsaj dveh tekočin
• Prenasičenost
• Nukleacija
• Rast delcev
• Aglomeracija (običajno jo preprečujemo z nizko koncentracijo trdnih snovi ali stabilizacijskimi sredstvi)

Mešanje pri obarjanju

Mešanje je bistven korak pri obarjanju, saj je pri večini postopkov obarjanja hitrost kemijske reakcije zelo velika. Za reakcije obarjanja se običajno uporabljajo reaktorji z mešalom (šaržni ali kontinuirni), statična mešala ali rotorsko-statorska mešala. Nehomogena porazdelitev moči in energije mešanja znotraj procesne prostornine omejuje kakovost sintetiziranih nanodelcev. Ta pomanjkljivost je izrazitejša z večanjem prostornine reaktorja. Napredna tehnologija mešanja in dober nadzor vplivnih parametrov omogočata manjše delce in boljšo homogenost delcev.

Uporaba trkajočih se curkov, mikrokanalnih mešal ali Taylor-Couetteovega reaktorja izboljša intenzivnost in homogenost mešanja. To skrajša čas mešanja. Vendar imajo te metode omejene možnosti prenosa v večje merilo.

Sonikacija je napredna tehnologija mešanja, ki zagotavlja večji strig in več energije za mešanje brez omejitev pri prenosu v večje merilo. Omogoča tudi neodvisen nadzor ključnih parametrov, kot so vnos moči, zasnova reaktorja, zadrževalni čas ter koncentracija delcev ali reaktantov. Ultrazvočna kavitacija povzroča intenzivno mikromešanje in lokalno disipacijo velike moči.

Obarjanje nanodelcev magnetita

Uporabo sonikacije pri obarjanju so na ICVT (TU Clausthal) prikazali Banert et al. (2006) na primeru nanodelcev magnetita. Banert je uporabil optimiziran sonokemijski reaktor (slika desno, dovod 1: raztopina železa, dovod 2: obarjalno sredstvo, Kliknite za večji prikaz!) za proizvodnjo nanodelcev magnetita »s soobarjanjem vodne raztopine železovega(III) klorida heksahidrata in železovega(II) sulfata heptahidrata z molskim razmerjem Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Ker sta hidrodinamično predmešanje in makromešanje pomembna ter prispevata k ultrazvočnemu mikromešanju, sta geometrija reaktorja in položaj dovodnih cevi pomembna dejavnika, ki določata rezultat postopka. V svojem delu so Banert et al. primerjali različne zasnove reaktorjev. Izboljšana zasnova reaktorske komore lahko zmanjša potrebno specifično energijo za faktor pet.

Raztopino železa obarjamo s koncentriranim amonijevim hidroksidom oziroma natrijevim hidroksidom. Da bi preprečili kakršen koli gradient pH, je treba obarjalno sredstvo dovajati s črpalko v presežku. Porazdelitev velikosti delcev magnetita je bila izmerjena s fotonsko korelacijsko spektroskopijo (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Brez sonikacije so zgolj s hidrodinamičnim mešanjem nastali delci s povprečno velikostjo 45nm. Ultrazvočno mešanje je velikost nastalih delcev zmanjšalo na 10nm in manj. Spodnji graf prikazuje porazdelitev velikosti delcev Fe₃O₄ , nastalih pri kontinuirni reakciji ultrazvočnega obarjanja (Banert et al., 2004).

Naslednji graf (Banert et al., 2006) prikazuje velikost delcev v odvisnosti od specifičnega vnosa energije.

»Diagram lahko razdelimo na tri glavna območja. Pod približno 1000 kJ/kg_Fe3O4 mešanje določa hidrodinamični učinek. Velikost delcev znaša približno 40–50 nm. Nad 1000 kJ/kg postane učinek ultrazvočnega mešanja viden. Velikost delcev se zmanjša pod 10 nm. Z nadaljnjim povečevanjem specifičnega vnosa moči velikost delcev ostaja v istem velikostnem redu. Mešanje pri obarjanju je dovolj hitro, da omogoča homogeno nukleacijo.«

---

Literatura / Viri

• 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.