Procesi i precipitimit me ultratinguj

Grimcat, p.sh. nanogrimcat, mund të prodhohen në lëngje nga poshtë lart nëpërmjet precipitimit. Në këtë proces, një përzierje e mbingopur fillon të formojë grimca të ngurta nga materiali me përqendrim të lartë; këto grimca rriten dhe përfundimisht precipitojnë. Për të kontrolluar madhësinë dhe morfologjinë e grimcave/kristaleve, është thelbësor kontrolli i faktorëve që ndikojnë në precipitim.

Bazat e procesit të precipitimit

Vitet e fundit, nanogrimcat kanë fituar rëndësi në shumë fusha, si veshjet, polimeret, bojërat, produktet farmaceutike ose elektronika. Një faktor i rëndësishëm që ndikon në përdorimin e nanomaterialeve është kostoja e tyre. Prandaj, nevojiten mënyra me kosto të ulët për prodhimin e nanomaterialeve në sasi të mëdha. Ndërsa procese si emulsifikimi dhe përpunimi me imtësim janë procese nga lart poshtë, precipitimi është një proces nga poshtë lart për sintezën e grimcave me përmasa nanometrike nga lëngjet. Precipitimi përfshin:

• Përzierjen e të paktën dy lëngjeve
• Mbingopjen
• Bërthamëzimin
• Rritjen e grimcave
• Aglomerimin (zakonisht shmanget nëpërmjet përqendrimit të ulët të lëndës së ngurtë ose agjentëve stabilizues)

Përzierja gjatë precipitimit

Përzierja është një hap thelbësor në precipitim, pasi në shumicën e proceseve të precipitimit, shpejtësia e reaksionit kimik është shumë e lartë. Zakonisht, për reaksionet e precipitimit përdoren reaktorë me rezervuar me trazim (me tufa ose të vazhdueshëm), përzierës statikë ose përzierës rotor-stator. Shpërndarja johomogjene e fuqisë dhe e energjisë së përzierjes brenda vëllimit të procesit kufizon cilësinë e nanogrimcave të sintetizuara. Kjo mangësi rritet me rritjen e vëllimit të reaktorit. Teknologjia e përparuar e përzierjes dhe kontrolli i mirë i parametrave ndikues japin grimca më të vogla dhe homogjenitet më të mirë të grimcave.

Përdorimi i rrymave që përplasen, i përzierësve me mikrokanale ose i një reaktori Taylor-Couette përmirëson intensitetin dhe homogjenitetin e përzierjes. Kjo çon në kohë më të shkurtra përzierjeje. Megjithatë, këto metoda kanë mundësi të kufizuara për t’u zbatuar në shkallë më të madhe.

Trajtimi me ultratinguj është një teknologji e përparuar përzierjeje që siguron sforcim prerës dhe energji trazimi më të lartë, pa kufizime në kalimin në shkallë më të madhe. Ai gjithashtu mundëson kontrollin e pavarur të parametrave përcaktues, si fuqia hyrëse, projektimi i reaktorit, koha e qëndrimit, përqendrimi i grimcave ose i reaktantëve. Kavitacioni ultrasonik shkakton mikropërzierje intensive dhe disipon lokalisht fuqi të lartë.

Precipitimi i nanogrimcave të magnetitit

Zbatimi i trajtimit me ultratinguj në precipitim u demonstrua në ICVT (TU Clausthal) nga Banert et al. (2006) për nanogrimcat e magnetitit. Banert përdori një reaktor sonokimik të optimizuar (figura djathtas, furnizimi 1: tretësirë hekuri, furnizimi 2: agjent precipitimi, Klikoni për një pamje më të madhe!) për të prodhuar nanogrimcat e magnetitit “me bashkëprecipitimin e një tretësire ujore të heksahidratit të klorurit të hekurit(III) dhe heptahidratit të sulfatit të hekurit(II), me një raport molar Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Meqë parapërzierja hidrodinamike dhe makropërzierja janë të rëndësishme dhe kontribuojnë në mikropërzierjen me ultratinguj, gjeometria e reaktorit dhe pozicioni i tubave të furnizimit janë faktorë të rëndësishëm që përcaktojnë rezultatin e procesit. Në punën e tyre, Banert et al. krahasuan projektime të ndryshme reaktorësh. Një projektim i përmirësuar i dhomës së reaktorit mund ta zvogëlojë pesë herë energjinë specifike të nevojshme.

Tretësira e hekurit precipitohet përkatësisht me hidroksid amoni të përqendruar dhe hidroksid natriumi. Për të shmangur çdo gradient të pH-së, agjenti precipitues duhet të pompohet me tepricë. Shpërndarja e madhësisë së grimcave të magnetitit është matur duke përdorur spektroskopinë e korrelacionit të fotoneve (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Pa trajtim me ultratinguj, vetëm nga përzierja hidrodinamike u prodhuan grimca me madhësi mesatare prej 45nm. Përzierja me ultratinguj e zvogëloi madhësinë e grimcave të përftuara në 10nm dhe më pak. Grafiku më poshtë tregon shpërndarjen e madhësisë së grimcave të Fe₃O₄ të prodhuara në një reaksion të vazhdueshëm precipitimi me ultratinguj (Banert et al., 2004).

Grafiku pasues (Banert et al., 2006) tregon madhësinë e grimcave në varësi të energjisë specifike hyrëse.

“Diagrami mund të ndahet në tri regjime kryesore. Nën rreth 1000 kJ/kg_Fe3O4 përzierja kontrollohet nga efekti hidrodinamik. Madhësia e grimcave është rreth 40–50 nm. Mbi 1000 kJ/kg, efekti i përzierjes me ultratinguj bëhet i dukshëm. Madhësia e grimcave zvogëlohet nën 10 nm. Me rritjen e mëtejshme të fuqisë specifike hyrëse, madhësia e grimcave mbetet në të njëjtin rend madhësie. Procesi i përzierjes gjatë precipitimit është mjaft i shpejtë për të mundësuar bërthamëzim homogjen.”

---

Literatura / Referencat

• 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.