Ultraljud utfällningsprocess

Partiklar, t.ex. nanopartiklar, kan bildas nedifrån och upp i vätskor genom utfällning. I denna process börjar en övermättad blandning bilda fasta partiklar av det högkoncentrerade materialet som kommer att växa och slutligen fällas ut. För att kontrollera partikel-/kristallstorleken och morfologin är det viktigt att ha kontroll över de nederbördspåverkande faktorerna.

Bakgrund till nederbördsprocessen

Under de senaste åren har nanopartiklar fått betydelse inom många områden, t.ex. beläggningar, polymerer, bläck, läkemedel eller elektronik. En viktig faktor som påverkar användningen av nanomaterial är kostnaden för nanomaterial. Därför krävs kostnadseffektiva sätt att tillverka nanomaterial i bulk. Även om processer, som emulgering och finfördelningsbearbetning är Processer uppifrån och nedär nederbörd en bottom-up-process för syntes av partiklar i nanostorlek från vätskor. Nederbörden innebär:

• Blandning av minst två vätskor
• övermättnad
• kärnbildning
• Tillväxt av partiklar
• Agglomeration (Undviks vanligtvis genom låg koncentration av fasta ämnen eller med stabiliseringsmedel)

Blandning av nederbörd

Blandningen är ett viktigt steg i utfällningen, eftersom för de flesta utfällningsprocesser är hastigheten på den kemiska reaktionen mycket hög. Vanligtvis används omrörda tankreaktorer (satsvis eller kontinuerlig), statiska eller rotor-statorblandare för utfällningsreaktioner. Den inhomogena fördelningen av blandningskraft och energi inom processvolymen begränsar kvaliteten på de syntetiserade nanopartiklarna. Denna nackdel ökar i takt med att reaktorvolymen ökar. Avancerad blandningsteknik och god kontroll över de påverkande parametrarna resulterar i mindre partiklar och bättre partikelhomogenitet.

Appliceringen av infallande strålar, mikrokanalblandare eller användningen av en Taylor-Couette-reaktor förbättrar blandningsintensiteten och homogeniteten. Detta leder till kortare blandningstider. Ändå är dessa metoder begränsade så att potentialen kan skalas upp.

Ultraljud är en avancerad blandningsteknik som ger högre skjuvning och omrörningsenergi utan uppskalningsbegränsningar. Det gör det också möjligt att kontrollera de styrande parametrarna, såsom effekttillförsel, reaktordesign, uppehållstid, partikel- eller reaktantkoncentration oberoende. Ultraljudskavitationen inducerar intensiv mikroblandning och avleder hög effekt lokalt.

Utfällning av nanoopartikel av magnetit

Tillämpningen av ultraljud på nederbörd demonstrerades vid ICVT (TU Clausthal) av Banert et al. (2006) för nanopartiklar av magnetit. Banert använde en optimerad sono-kemisk reaktor (höger bild, matning 1: järnlösning, matning 2: utfällningsmedel, Klicka för större bild!) för att producera nanopartiklarna av magnetit “genom samfällning av en vattenlösning av järn(III)kloridhexahydrat och järn(II)sulfatheptahydrat med ett molförhållande på Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Eftersom hydrodynamisk förblandning och makroblandning är viktiga och bidrar till ultraljudsmikroblandningen, är reaktorgeometrin och matningsrörens position viktiga faktorer som styr processresultatet. I sitt arbete Banert et al. jämförde olika reaktorkonstruktioner. En förbättrad design av reaktorkammaren kan minska den specifika energi som krävs med en faktor fem.

Järnlösningen fälls ut med koncentrerad ammoniumhydroxid respektive natriumhydroxid. För att undvika pH-gradient måste fällningsmedlet pumpas i överskott. Partikelstorleksfördelningen av magnetit har mätts med hjälp av fotonkorrelationsspektroskopi (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Utan ultraljud producerades partiklar med en genomsnittlig partikelstorlek på 45 nm enbart genom hydrodynamisk blandning. Ultraljudsblandning minskade den resulterande partikelstorleken till 10 nm och mindre. Bilden nedan visar partikelstorleksfördelningen för Fe₃O₄ partiklar som genereras i en kontinuerlig ultraljudsutfällningsreaktion (Banert et al., 2004).

Nästa bild (Banert et al., 2006) visar partikelstorleken som en funktion av den specifika energitillförseln.

“Diagrammet kan delas in i tre huvudregimer. Under ca 1000 kJ/kg_Fe3O4 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.”

---

Litteratur / Referenser

• 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.