Процес ултразвучног таложења

Честице, нпр. наночестице, могу се добити у течностима таложењем, приступом одоздо нагоре. У овом процесу, у презасићеној смеши почињу да се формирају чврсте честице од материјала присутног у високој концентрацији, које затим расту и на крају се таложе. За контролу величине и морфологије честица/кристала неопходна је контрола фактора који утичу на таложење.

Основе процеса таложења

Последњих година наночестице су добиле на значају у многим областима, као што су премази, полимери, мастила, фармацеутски производи или електроника. Један важан фактор који утиче на употребу наноматеријала јесте њихова цена. Зато су потребни економични начини производње наноматеријала у великим количинама. Док су процеси попут емулговања и уситњавања процеси одозго надоле, таложење је процес одоздо нагоре за синтезу честица нановеличине из течности. Таложење обухвата:

• Мешање најмање две течности
• Презасићење
• Нуклеацију
• Раст честица
• Агломерацију (обично се избегава ниском концентрацијом чврсте фазе или стабилизаторима)

Мешање при таложењу

Мешање је кључни корак у таложењу, јер је код већине процеса таложења брзина хемијске реакције веома велика. За реакције таложења обично се користе реактори са мешалицом (шаржни или континуални), статичке мешалице или роторско-статорске мешалице. Неравномерна расподела снаге и енергије мешања унутар процесне запремине ограничава квалитет синтетисаних наночестица. Овај недостатак се повећава са повећањем запремине реактора. Напредна технологија мешања и добра контрола утицајних параметара дају мање честице и већу уједначеност честица.

Примена сударајућих млазева, микроканалних мешалица или Тејлор–Куетовог реактора побољшава интензитет и хомогеност мешања. То доводи до краћег времена мешања. Ипак, могућности повећања размере ових метода су ограничене.

Ултразвучна обрада је напредна технологија мешања која обезбеђује веће смицање и већу енергију мешања без ограничења при повећању размере. Она такође омогућава независну контролу меродавних параметара, као што су улазна снага, конструкција реактора, време задржавања, концентрација честица или реактаната. Ултразвучна кавитација изазива интензивно микромешање и локално дисипира велику снагу.

Таложење наночестица магнетита

Примену ултразвучне обраде на таложење наночестица магнетита на ICVT (TU Clausthal) приказали су Banert et al. (2006) . Banert је користио оптимизован сонохемијски реактор (слика десно, довод 1: раствор гвожђа, довод 2: средство за таложење, Кликните за увећани приказ!) за добијање наночестица магнетита „копреципитацијом из воденог раствора хексахидрата гвожђе(III)-хлорида и хептахидрата гвожђе(II)-сулфата са моларним односом Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Пошто су хидродинамичко предмешање и макромешање важни и доприносе ултразвучном микромешању, геометрија реактора и положај доводних цеви важни су фактори који одређују резултат процеса. У свом раду, Banert et al. су упоредили различите конструкције реактора. Побољшана конструкција реакторске коморе може петоструко смањити потребну специфичну енергију.

Таложење из раствора гвожђа врши се концентрованим амонијум-хидроксидом, односно натријум-хидроксидом. Да би се избегао било какав градијент pH, таложни реагенс мора се пумпом доводити у вишку. Расподела величине честица магнетита мерена је фотонском корелационом спектроскопијом (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).“

Без ултразвучне обраде, само хидродинамичким мешањем добијене су честице средње величине 45nm. Ултразвучно мешање смањило је величину добијених честица на 10nm и мање. Графикон испод приказује расподелу величине честица Fe₃O₄ добијених континуалном реакцијом ултразвучног таложења (Banert et al., 2004).

Следећи графикон (Banert et al., 2006) приказује величину честица у зависности од специфичног уноса енергије.

„Дијаграм се може поделити на три главна режима. Испод приближно 1000 kJ/kg_Fe3O4 мешање је одређено хидродинамичким ефектом. Величина честица износи приближно 40–50 nm. Изнад 1000 kJ/kg ефекат ултразвучног мешања постаје видљив. Величина честица опада испод 10 nm. Са даљим повећањем специфичне улазне снаге, величина честица остаје у истом реду величине. Процес мешања при таложењу довољно је брз да омогући хомогену нуклеацију.“

---

Литература / Референце

• 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.