Sonofragmentimi – Efekti i ultratingujve me fuqi të lartë në copëtimin e grimcave

Sonofragmentimi përshkruan copëtimin e grimcave në fragmente me përmasa nanometrike nga ultratingujt me fuqi të lartë. Në dallim nga deaglomerimi dhe bluarja e zakonshme me ultratinguj – ku grimcat kryesisht bluhen dhe ndahen nga përplasjet ndërmjet tyre – sonofragmentimi dallohet nga ndërveprimi i drejtpërdrejtë midis grimcës dhe valës goditëse. Ultratingujt me fuqi të lartë dhe frekuencë të ulët krijojnë kavitacion dhe, në këtë mënyrë, forca të fuqishme prerëse në lëngje. Kushtet ekstreme të kolapsit të flluskave të kavitacionit dhe të përplasjeve ndërmjet grimcave i bluajnë grimcat në material me përmasa shumë të imëta.

Prodhimi dhe përgatitja e nanogrimcave me ultratinguj

Efektet e ultratingujve me fuqi të lartë për prodhimin e nanomaterialeve janë të mirënjohura: dispergimi, deaglomerimi dhe bluarja e imtësimi, si edhe fragmentimi përmes sonikimit, janë shpesh e vetmja metodë efektive për të trajtuar nanogrimcat. Kjo vlen veçanërisht për nanomaterialet shumë të imëta me funksionalitete të veçanta, pasi në përmasa nanometrike shfaqen karakteristika unike të grimcave. Për të krijuar nanomaterial me funksionalitete specifike, duhet të sigurohet një proces sonikimi i njëtrajtshëm dhe i besueshëm. Hielscher ofron pajisje me ultratinguj nga shkalla laboratorike deri te përmasat e prodhimit të plotë tregtar.

Sonofragmentimi përmes kavitacionit

Futja e forcave të fuqishme ultrasonike në lëngje krijon kushte ekstreme. Kur ultratingujt përhapen në një mjedis të lëngshëm, valët ultrasonike shkaktojnë cikle të alternuara ngjeshjeje dhe rrallimi (cikle me presion të lartë dhe presion të ulët). Gjatë cikleve me presion të ulët, në lëng formohen flluska të vogla vakumi. Këto flluska të kavitacionit rriten gjatë disa cikleve me presion të ulët derisa arrijnë një madhësi në të cilën nuk mund të përthithin më energji. Në këtë gjendje të energjisë së përthithur dhe të madhësisë maksimale të flluskës, flluska e kavitacionit pëson kolaps të vrullshëm dhe krijon kushte ekstreme në nivel lokal. Për shkak të implozionit të flluskave të kavitacionit , në nivel lokal arrihen temperatura shumë të larta prej afërsisht 5000K dhe presione prej afërsisht 2000atm. Implozioni krijon rryma lëngu me shpejtësi deri në 280m/s (≈1000km/h). Sonofragmentimi përshkruan përdorimin e këtyre forcave të fuqishme për t’i fragmentuar grimcat në përmasa më të vogla, në intervalin nënmikrometrik dhe nanometrik. Me përparimin e sonikimit, forma e grimcave kalon nga këndore në sferike, gjë që i bën grimcat më të vlefshme. Rezultatet e sonofragmentimit shprehen si shpejtësi fragmentimi, e cila përshkruhet si funksion i fuqisë së aplikuar, vëllimit të sonikuar dhe madhësisë së aglomerateve.
Kusters et al. (1994) hulumtuan fragmentimin e aglomerateve të asistuar me ultratinguj në raport me konsumin e tij të energjisë. Rezultatet e studiuesve „tregojnë se teknika e dispergimit me ultratinguj mund të jetë po aq efikase sa teknikat konvencionale të bluarjes. Praktika industriale e dispergimit me ultratinguj (p.sh. sonda më të mëdha, kalim i vazhdueshëm i suspensionit) mund t’i ndryshojë disi këto rezultate, por në përgjithësi pritet që konsumi specifik i energjisë të mos jetë arsyeja e përzgjedhjes së kësaj teknike të imtësimit, por më tepër aftësia e saj për të prodhuar grimca jashtëzakonisht të imëta (nënmikrometrike).“ [Kusters et al. 1994] Veçanërisht për pluhurat që i nënshtrohen erozionit, si silici ose zirkonia, u konstatua se energjia specifike e nevojshme për njësi të masës së pluhurit ishte më e ulët gjatë bluarjes me ultratinguj sesa me metodat konvencionale të bluarjes. Trajtimi me ultratinguj ndikon te grimcat jo vetëm përmes bluarjes dhe imtësimit, por edhe përmes lustrimit të lëndëve të ngurta. Në këtë mënyrë, mund të arrihet një sfericitet i lartë i grimcave.

Sonofragmentimi për kristalizimin e nanomaterialeve

„Megjithëse ka pak dyshim se përplasjet ndërmjet grimcave ndodhin në suspensionet e kristaleve molekulare të ekspozuara ndaj ultratingujve, ato nuk janë burimi mbizotërues i fragmentimit. Në dallim nga kristalet molekulare, grimcat metalike nuk dëmtohen drejtpërdrejt nga valët goditëse dhe mund të ndikohen vetëm nga përplasjet më intensive (por shumë më të rralla) ndërmjet grimcave. Ndryshimi i mekanizmave mbizotërues gjatë sonikimit të pluhurave metalike krahasuar me suspensionet e aspirinës nxjerr në pah dallimet në vetitë e grimcave metalike të farkëtueshme dhe të kristaleve molekulare të thërrmueshme.“ [Zeiger/ Suslick 2011, 14532]

Sonofragmentimi i grimcave të aspirinës [Zeiger/ Suslick 2011]

Gopi et al. (2008) hulumtuan prodhimin e grimcave qeramike të aluminit oksid me pastërti të lartë dhe përmasa nënmikrometrike (kryesisht në intervalin nën 100 nm) nga lëndë ushqyese me përmasa mikrometrike (p.sh., 70–80 μm), duke përdorur sonofragmentimin. Ata vërejtën një ndryshim të ndjeshëm në ngjyrën dhe formën e grimcave qeramike të aluminit oksid si rezultat i sonofragmentimit. Grimcat me përmasa në intervalin mikrometrik, nënmikrometrik dhe nanometrik mund të përftohen lehtësisht përmes sonikimit me fuqi të lartë. Sfericiteti i grimcave u rrit me rritjen e kohës së qëndrimit në fushën akustike.

Dispergimi në surfaktant

Për shkak të copëtimit efektiv të grimcave me ultratinguj, përdorimi i surfaktantëve është thelbësor për të parandaluar deaglomerimin e grimcave të përftuara me përmasa nënmikrometrike dhe nanometrike. Sa më e vogël të jetë madhësia e grimcave, aq më i lartë është raporti i përmasave të sipërfaqes, e cila duhet të mbulohet me surfaktant për t’i mbajtur ato në suspension dhe për të shmangur koagulimin (aglomerimin) e grimcave. Përparësia e trajtimit me ultratinguj qëndron te efekti dispergues: njëkohësisht me bluarjen dhe fragmentimin, ultratingujt dispergojnë fragmentet e grimcave të bluara me surfaktantin, kështu që aglomerimi i nanogrimcave shmanget (pothuajse) plotësisht.

Prodhimi industrial

Për ta furnizuar tregun me nanomaterial me cilësi të lartë që shfaq funksionalitete të jashtëzakonshme, nevojiten pajisje të besueshme përpunimi. Aparatet me ultratinguj me fuqi deri në 16kW për njësi, të cilat mund të bashkohen në grupe, mundësojnë përpunimin e prurjeve vëllimore praktikisht të pakufizuara. Për shkak të shkallëzueshmërisë plotësisht lineare të proceseve me ultratinguj, aplikimet me ultratinguj mund të testohen pa rrezik në laborator, të optimizohen në shkallë me pajisje tavoline dhe më pas të zbatohen pa probleme në linjën e prodhimit. Meqë pajisjet me ultratinguj nuk kërkojnë hapësirë të madhe, ato mund të integrohen edhe në rrjedhat ekzistuese të procesit. Funksionimi është i lehtë dhe mund të monitorohet e të drejtohet nëpërmjet komandimit në distancë, ndërsa mirëmbajtja e një sistemi me ultratinguj është pothuajse e papërfillshme.

Shpërndarja e madhësisë së grimcave dhe imazhet SEM të aliazhit me bazë Bi2Te3 para dhe pas bluarjes me ultratinguj. a – Shpërndarja e madhësisë së grimcave; b – Imazh SEM para bluarjes me ultratinguj; c – Imazh SEM pas bluarjes me ultratinguj për 4 h; d – Imazh SEM pas bluarjes me ultratinguj për 8 h.
burimi: Marquez-Garcia et al. 2015.

Literatura / Referencat

• 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.