Ултразвучни процес преципитације

Честице, нпр. наночестице могу да се генеришу одоздо према горе у течностима помоћу преципитације. У овом процесу, презасићена смеша почиње да формира чврсте честице из високо концентрованог материјала који ће расти и коначно се таложити. Да би се контролисала величина и морфологија честица/кристала, неопходна је контрола над факторима који утичу на падавине.

Позадина процеса падавина

Последњих година, наночестице су добиле значај у многим областима, као што су премази, полимери, мастила, фармацеутски производи или електроника. Један важан фактор који утиче на употребу наноматеријала је цена наноматеријала. Због тога су потребни исплативи начини за производњу наноматеријала у великим количинама. Док процеси, као емулговање а уситњавање су процеси одозго надоле, преципитација је процес одоздо према горе за синтезу честица нано величине из течности. Падавине укључују:

• Мешање најмање две течности
• презасићеност
• нуклеација
• Раст честица
• Агломерација (обично се избегава ниском концентрацијом чврсте супстанце или стабилизаторима)

Мешање падавина

Мешање је суштински корак у таложењу, као и за већину таложних процеса, брзина хемијске реакције је веома велика. Обично се за реакције таложења користе реактори са мешањем (серијски или континуирани), статички или ротор-статорски миксери. Нехомогена дистрибуција снаге мешања и енергије унутар запремине процеса ограничава квалитет синтетизованих наночестица. Овај недостатак се повећава како се запремина реактора повећава. Напредна технологија мешања и добра контрола параметара утицаја резултирају мањим честицама и бољом хомогеношћу честица.

Примена ударних млазница, микроканалних миксера или употреба Таилор-Цоуетте реактора побољшавају интензитет и хомогеност мешања. Ово доводи до краћег времена мешања. Ипак, ове методе су ограничене потенцијалом за повећање.

Ултрасоницатион је напредна технологија мешања која обезбеђује већу енергију смицања и мешања без ограничења повећања. Такође омогућава да се контролишу главни параметри, као што су улазна снага, дизајн реактора, време боравка, честица или концентрација реактаната. Ултразвучна кавитација индукује интензивно микро мешање и локално распршује велику снагу.

Преципитација наночестица магнетита

Примена ултразвучне обраде падавинама демонстрирана је на ИЦВТ (ТУ Цлаустхал) од стране Банерт и др. (2006) за наночестице магнетита. Банерт је користио оптимизовани соно-хемијски реактор (десна слика, напајање 1: раствор гвожђа, напајање 2: агенс за преципитацију, Кликните за већи приказ!) за производњу наночестица магнетита “копреципитацијом воденог раствора гвожђе(ИИИ)хлорид хексахидрата и гвожђе(ИИ)сулфат хептахидрата са моларним односом Фе³⁺/Фе²⁺ = 2:1. Пошто су хидродинамичко претходно мешање и макро мешање важни и доприносе ултразвучном микро мешању, геометрија реактора и положај доводних цеви су важни фактори који управљају резултатом процеса. У свом раду, Банерт и др. упоредили различите дизајне реактора. Побољшани дизајн реакторске коморе може смањити потребну специфичну енергију за фактор пет.

Раствор гвожђа се исталожи концентрованим амонијум хидроксидом, односно натријум хидроксидом. Да би се избегао било какав пХ градијент, таложник се мора пумпати у вишку. Расподела величине честица магнетита је мерена коришћењем фотонске корелационе спектроскопије (ПЦС, Малверн НаноСизер ЗС, Малверн Инц.).”

Без ултразвучне обраде, честице средње величине честица од 45 нм су произведене само хидродинамичким мешањем. Ултразвучно мешање смањило је резултујућу величину честица на 10 нм и мање. График испод приказује расподелу величине честица Фе₃О₄ честице настале у континуираној реакцији ултразвучне преципитације (Банерт ет ал., 2004).

Следећа графика (Банерт и сар., 2006) приказује величину честица као функцију специфичног уноса енергије.

“Дијаграм се може поделити у три главна режима. Испод око 1000 кЈ/кг_Фе3О4 the mixing is controlled by the hydrodynamic effect. The particle size amounts to about 40-50 nm. Above 1000 kJ/kg the effect of the ultrasonic mixing becomes visible. The particle size decreases below 10 nm. With further increase of the specific power input the particle size remains in the same order of magnitude. The precipitation mixing process is fast enough to allow homogeneous nucleation.”

---

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.