Sonofragmentacija – učinek visokozmogljivega ultrazvoka na lomljenje delcev

Sonofragmentacija opisuje lomljenje delcev v fragmente nanometrske velikosti z ultrazvokom velike moči. V nasprotju z običajno ultrazvočno deaglomeracijo in mletjem – pri katerih se delci predvsem meljejo in ločujejo zaradi medsebojnih trkov – sonofragmentacijo odlikuje neposredna interakcija med delcem in udarnim valom. Ultrazvok velike moči in nizke frekvence ustvarja kavitacijo in s tem intenzivne strižne sile v tekočinah. Ekstremne razmere ob kolapsu kavitacijskih mehurčkov in trkih med delci zmeljejo delce v zelo droben material.

Ultrazvočna proizvodnja in priprava nanodelcev

Učinki visokozmogljivega ultrazvoka pri proizvodnji nanomaterialov so dobro znani: dispergiranje, deaglomeracija, mletje in drobljenje ter fragmentacija s sonikacijo so pogosto edina učinkovita metoda za obdelavo nanodelcev. To še posebej velja za zelo drobne nanomateriale s posebnimi funkcionalnimi lastnostmi, saj se pri nanometrski velikosti izrazijo edinstvene značilnosti delcev. Za izdelavo nanomateriala s specifičnimi funkcionalnimi lastnostmi je treba zagotoviti enakomeren in zanesljiv postopek sonikacije. Hielscher dobavlja ultrazvočno opremo od laboratorijskega merila do polnega obsega komercialne proizvodnje.

Sonofragmentacija s kavitacijo

Vnos močnih ultrazvočnih sil v tekočine ustvarja ekstremne razmere. Ko se ultrazvok širi skozi tekoči medij, ultrazvočni valovi povzročajo izmenjujoče se cikle stiskanja in redčenja (cikle visokega in nizkega tlaka). Med cikli nizkega tlaka v tekočini nastanejo majhni vakuumski mehurčki. Ti kavitacijski mehurčki rastejo skozi več ciklov nizkega tlaka, dokler ne dosežejo velikosti, pri kateri ne morejo več absorbirati energije. V tem stanju največje absorbirane energije in največje velikosti mehurčka kavitacijski mehurček silovito kolapsira in lokalno ustvari ekstremne razmere. Zaradi implozije kavitacijskih mehurčkov se lokalno dosežejo zelo visoke temperature približno 5000K in tlaki približno 2000atm. Implozija povzroči tekočinske curke s hitrostjo do 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentacija opisuje uporabo teh intenzivnih sil za fragmentacijo delcev na manjše dimenzije v submikrometrskem in nanometrskem območju. Z napredovanjem sonikacije se oblika delcev spreminja iz oglate v kroglasto, kar povečuje njihovo vrednost. Rezultati sonofragmentacije se izražajo kot hitrost fragmentacije, ki je opisana kot funkcija dovedene moči, sonikaciji izpostavljene prostornine in velikosti aglomeratov.
Kusters et al. (1994) so raziskovali ultrazvočno podprto fragmentacijo aglomeratov v povezavi z njeno porabo energije. Rezultati raziskovalcev »kažejo, da je tehnika ultrazvočnega dispergiranja lahko enako učinkovita kot običajne tehnike mletja. Industrijska praksa ultrazvočnega dispergiranja (npr. večje sonde, neprekinjen pretok suspenzije) lahko te rezultate nekoliko spremeni, vendar se na splošno pričakuje, da specifična poraba energije ni razlog za izbiro te tehnike drobljenja, temveč njena sposobnost proizvajanja izjemno drobnih (submikrometrskih) delcev.« [Kusters et al. 1994] Zlasti pri prahovih, ki se drobijo z erozijo, kot sta silicijev dioksid ali cirkonijev dioksid, je bilo ugotovljeno, da je specifična energija, potrebna na enoto mase prahu, pri ultrazvočnem mletju manjša kot pri običajnih metodah mletja. Ultrazvočna obdelava vpliva na delce ne le z mletjem in drobljenjem, temveč tudi s poliranjem trdnih snovi. Tako je mogoče doseči visoko sferičnost delcev.

Sonofragmentacija za kristalizacijo nanomaterialov

»Čeprav skoraj ni dvoma, da v suspenzijah molekulskih kristalov, izpostavljenih ultrazvoku, prihaja do trkov med delci, ti niso prevladujoči vir fragmentacije. V nasprotju z molekulskimi kristali udarni valovi kovinskih delcev ne poškodujejo neposredno, nanje pa lahko vplivajo le intenzivnejši (vendar precej redkejši) trki med delci. Sprememba prevladujočih mehanizmov pri sonikaciji kovinskih prahov v primerjavi s suspenzijami aspirina poudarja razlike v lastnostih kovnih kovinskih delcev in drobljivih molekulskih kristalov.« [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentacija delcev aspirina [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) so raziskovali izdelavo submikrometrskih keramičnih delcev aluminijevega oksida visoke čistosti (pretežno v območju pod 100 nm) iz vhodnega materiala mikrometrske velikosti (npr. 70–80 μm) s sonofragmentacijo. Opazili so znatno spremembo barve in oblike keramičnih delcev aluminijevega oksida zaradi sonofragmentacije. Delce v mikrometrskem, submikrometrskem in nanometrskem območju je mogoče zlahka pridobiti s sonikacijo velike moči. Sferičnost delcev se je povečevala s podaljševanjem zadrževalnega časa v akustičnem polju.

Dispergiranje v površinsko aktivni snovi

Zaradi učinkovitega ultrazvočnega lomljenja delcev je uporaba površinsko aktivnih snovi nujna za preprečevanje deaglomeracije pridobljenih submikrometrskih delcev in delcev nanometrske velikosti. Manjša kot je velikost delcev, večje je razmerje dimenzij površinske ploskve, ki jo je treba prekriti s površinsko aktivno snovjo, da delci ostanejo v suspenziji in da se prepreči njihova koagulacija (aglomeracija). Prednost ultrazvočne obdelave je v učinku dispergiranja: hkrati z mletjem in fragmentacijo ultrazvok dispergira zmlete fragmente delcev s površinsko aktivno snovjo, tako da se aglomeracija nanodelcev (skoraj) popolnoma prepreči.

Industrijska proizvodnja

Za oskrbo trga z visokokakovostnim nanomaterialom, ki izraža izjemne funkcionalne lastnosti, je potrebna zanesljiva procesna oprema. Ultrazvočne naprave z močjo do 16kW na enoto, ki jih je mogoče povezovati v skupine, omogočajo obdelavo praktično neomejenih prostorninskih tokov. Zaradi povsem linearnega povečevanja obsega ultrazvočnih procesov je mogoče ultrazvočne aplikacije brez tveganja preizkusiti v laboratoriju, jih optimizirati v namiznem merilu in nato brez težav vključiti v proizvodno linijo. Ker ultrazvočna oprema ne potrebuje veliko prostora, jo je mogoče naknadno vgraditi tudi v obstoječe procesne tokove. Upravljanje je preprosto in ga je mogoče nadzorovati ter izvajati na daljavo, vzdrževanje ultrazvočnega sistema pa je skoraj zanemarljivo.

Porazdelitev velikosti delcev in slike SEM zlitine na osnovi Bi2Te3 pred ultrazvočnim mletjem in po njem. a – porazdelitev velikosti delcev; b – slika SEM pred ultrazvočnim mletjem; c – slika SEM po ultrazvočnem mletju, ki je trajalo 4 h; d – slika SEM po ultrazvočnem mletju, ki je trajalo 8 h.
vir: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Viri

• 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.