Ultrazvočni proces obarjanja

Delci, npr. nanodelci, se lahko v tekočinah nastajajo od spodaj navzgor z obarjanjem. V tem procesu prenasičena zmes začne tvoriti trdne delce iz visoko koncentriranega materiala, ki bo rasel in se končno oboril. Za nadzor velikosti in morfologije delcev / kristalov je bistvenega pomena nadzor nad dejavniki, ki vplivajo na padavine.

Ozadje procesa padavin

V zadnjih letih so nanodelci postali pomembni na številnih področjih, kot so premazi, polimeri, črnila, farmacevtski izdelki ali elektronika. Eden od pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na uporabo nanomaterialov, so stroški nanomaterialov. Zato so potrebni stroškovno učinkoviti načini proizvodnje nanomaterialov v razsutem stanju. Medtem ko procesi, kot so emulgiranje in obdelava drobljenja sta Procesi od zgoraj navzdol, je obarjanje proces od spodaj navzgor za sintezo nanodelcev iz tekočin. Padavine vključujejo:

• Mešanje najmanj dveh tekočin
• prenasičenost
• nukleacija
• Rast delcev
• Aglomeracija (običajno se ji izognemo zaradi nizke koncentracije trdnih snovi ali stabilizatorjev)

Mešanje padavin

Mešanje je bistven korak pri padavinah, saj je pri večini procesov obarjanja hitrost kemične reakcije zelo visoka. Običajno se za reakcije obarjanja uporabljajo mešalni reaktorji (šaržni ali zvezni), statični ali rotor-statorski mešalniki. Nehomogena porazdelitev mešalne moči in energije v prostornini procesa omejuje kakovost sintetiziranih nanodelcev. Ta pomanjkljivost se povečuje s povečanjem prostornine reaktorja. Napredna tehnologija mešanja in dober nadzor nad vplivnimi parametri povzročita manjše delce in boljšo homogenost delcev.

Uporaba udarnih curkov, mikrokanalnih mešalnikov ali uporaba reaktorja Taylor-Couette izboljša intenzivnost in homogenost mešanja. To vodi do krajših časov mešanja. Vendar so te metode omejene, potencial za povečanje.

Ultrasonication je napredna tehnologija mešanja, ki zagotavlja večjo strižno in mešalno energijo brez omejitev povečanja. Omogoča tudi neodvisen nadzor upravljajočih parametrov, kot so vhodna moč, zasnova reaktorja, zadrževalni čas, koncentracija delcev ali reaktantov. Ultrazvočna kavitacija povzroča intenzivno mikro mešanje in lokalno razprši visoko moč.

Obarjanje magnetitnih nanodelcev

Uporaba ultrazvoka pri padavinah je bila prikazana na ICVT (TU Clausthal) z Banert et al. (2006) za magnetitne nanodelce. Banert je uporabil optimiziran sono-kemični reaktor (desna slika, dovod 1: raztopina železa, krma 2: sredstvo za obarjanje, Kliknite za večji pogled!) za proizvodnjo magnetitnih nanodelcev “s sočasnim obarjanjem vodne raztopine železovega (III) klorida heksahidrata in železovega (II) sulfata heptahidrata z molarnim razmerjem Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Ker sta hidrodinamično predhodno mešanje in makro mešanje pomembna in prispevata k ultrazvočnemu mikro mešanju, sta geometrija reaktorja in položaj dovodnih cevi pomembna dejavnika, ki urejata rezultat procesa. Pri svojem delu, Banert et al. primerjal različne modele reaktorjev. Izboljšana zasnova reaktorske komore lahko zmanjša potrebno specifično energijo za faktor pet.

Raztopino železa oborimo s koncentriranim amonijevim hidroksidom in natrijevim hidroksidom. Da bi se izognili kakršnemu koli gradientu pH, je treba oborino črpati v presežek. Porazdelitev velikosti delcev magnetita je bila izmerjena s pomočjo fotonske korelacijske spektroskopije (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Brez ultrasonication so delci povprečne velikosti delcev 45 nm nastali samo s hidrodinamičnim mešanjem. Ultrazvočno mešanje je zmanjšalo nastalo velikost delcev na 10 nm in manj. Spodnja grafika prikazuje porazdelitev velikosti delcev Fe₃O₄ delci, ki nastanejo v neprekinjeni ultrazvočni reakciji obarjanja (Banert et al., 2004).

Naslednja grafika (Banert et al., 2006) prikazuje velikost delcev kot funkcijo specifičnega vnosa energije.

“Diagram lahko razdelimo na tri glavne režime. Manj kot približno 1000 kJ/kg_Fe3O4 mešanje nadzoruje hidrodinamični učinek. Velikost delcev je približno 40-50 nm. Nad 1000 kJ/kg postane viden učinek ultrazvočnega mešanja. Velikost delcev se zmanjša pod 10 nm. Z nadaljnjim povečevanjem specifične vhodne moči velikost delcev ostane v istem velikostnem redu. Proces mešanja oborine je dovolj hiter, da omogoča homogeno nukleacijo.”

---

Literatura / Reference

• 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.