กระบวนการตกตะกอนด้วยอัลตราโซนิก

อนุภาค เช่น อนุภาคนาโน สามารถสร้างขึ้นในของเหลวด้วยวิธีจากล่างขึ้นบนโดยอาศัยการตกตะกอน ในกระบวนการนี้ สารผสมที่อิ่มตัวยิ่งยวดจะเริ่มก่อตัวเป็นอนุภาคของแข็งจากสารที่มีความเข้มข้นสูง ซึ่งจะเติบโตและตกตะกอนในที่สุด การควบคุมปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการตกตะกอนเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อควบคุมขนาดและสัณฐานวิทยาของอนุภาค/ผลึก

ข้อมูลพื้นฐานของกระบวนการตกตะกอน

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา อนุภาคนาโนมีความสำคัญมากขึ้นในหลายสาขา เช่น สารเคลือบ พอลิเมอร์ หมึกพิมพ์ เภสัชภัณฑ์ หรืออิเล็กทรอนิกส์ ปัจจัยสำคัญประการหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อการใช้วัสดุนาโนคือต้นทุนของวัสดุนาโน ดังนั้น จึงจำเป็นต้องมีวิธีผลิตวัสดุนาโนในปริมาณมากที่คุ้มค่าด้านต้นทุน ขณะที่กระบวนการต่าง ๆ เช่น การทำอิมัลชัน และกระบวนการลดขนาดเป็น กระบวนการจากบนลงล่าง การตกตะกอนเป็นกระบวนการจากล่างขึ้นบนสำหรับการสังเคราะห์อนุภาคขนาดนาโนจากของเหลว การตกตะกอนประกอบด้วย:

• การผสมของเหลวอย่างน้อยสองชนิด
• การอิ่มตัวยิ่งยวด
• การเกิดนิวเคลียส
• การเติบโตของอนุภาค
• การเกาะกลุ่ม (โดยทั่วไปหลีกเลี่ยงได้ด้วยการใช้ความเข้มข้นของของแข็งต่ำหรือสารช่วยให้คงตัว)

การผสมในการตกตะกอน

การผสมเป็นขั้นตอนสำคัญในการตกตะกอน เนื่องจากกระบวนการตกตะกอนส่วนใหญ่มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสูงมาก โดยทั่วไปจะใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบถังกวน (แบบแบตช์หรือแบบต่อเนื่อง) เครื่องผสมแบบสถิต หรือเครื่องผสมแบบโรเตอร์–สเตเตอร์สำหรับปฏิกิริยาการตกตะกอน การกระจายกำลังและพลังงานในการผสมที่ไม่สม่ำเสมอภายในปริมาตรที่ดำเนินกระบวนการเป็นข้อจำกัดต่อคุณภาพของอนุภาคนาโนที่สังเคราะห์ได้ ข้อเสียนี้เพิ่มขึ้นเมื่อปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีการผสมขั้นสูงและการควบคุมพารามิเตอร์ที่มีอิทธิพลอย่างเหมาะสมทำให้ได้อนุภาคที่เล็กลงและมีความสม่ำเสมอมากขึ้น

การใช้เจ็ตพุ่งชน เครื่องผสมแบบช่องจุลภาค หรือเครื่องปฏิกรณ์ Taylor-Couette ช่วยเพิ่มความเข้มและความสม่ำเสมอของการผสม ส่งผลให้ใช้เวลาผสมสั้นลง อย่างไรก็ตาม วิธีเหล่านี้มีข้อจำกัดด้านศักยภาพในการขยายขนาด

การใช้อัลตราโซนิกเป็นเทคโนโลยีการผสมขั้นสูงที่ให้แรงเฉือนและพลังงานในการกวนสูงกว่า โดยไม่มีข้อจำกัดในการขยายขนาด นอกจากนี้ยังช่วยให้ควบคุมพารามิเตอร์ที่กำหนดกระบวนการ เช่น กำลังที่ป้อนเข้า การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ เวลาพำนัก และความเข้มข้นของอนุภาคหรือสารตั้งต้น ได้อย่างอิสระจากกัน คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกทำให้เกิดการผสมระดับจุลภาคอย่างเข้มข้นและกระจายกำลังสูงเฉพาะบริเวณ

การตกตะกอนอนุภาคนาโนแมกนีไทต์

การประยุกต์ใช้อัลตราโซนิกในการตกตะกอนได้รับการสาธิตที่ ICVT (TU Clausthal) โดย Banert et al. (2006) สำหรับอนุภาคนาโนแมกนีไทต์ Banert ใช้เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีที่ปรับให้เหมาะสม (ภาพด้านขวา สารป้อน 1: สารละลายเหล็ก สารป้อน 2: สารทำให้ตกตะกอน คลิกเพื่อดูภาพขนาดใหญ่!) เพื่อผลิตอนุภาคนาโนแมกนีไทต์ “ด้วยการตกตะกอนร่วมของสารละลายในน้ำของ iron(III)chloride hexahydrate และ iron(II)sulfate heptahydrate โดยมีอัตราส่วนโมลของ Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1 เนื่องจากการผสมเบื้องต้นด้วยกลศาสตร์ของไหลและการผสมระดับมหภาคมีความสำคัญและมีส่วนช่วยในการผสมระดับจุลภาคด้วยอัลตราโซนิก รูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์และตำแหน่งของท่อป้อนจึงเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดผลลัพธ์ของกระบวนการ ในงานวิจัยของพวกเขา Banert et al. ได้เปรียบเทียบการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่แตกต่างกัน การปรับปรุงการออกแบบห้องปฏิกิริยาสามารถลดพลังงานจำเพาะที่ต้องใช้ลงเหลือหนึ่งในห้าของเดิม

สารละลายเหล็กถูกทำให้ตกตะกอนด้วยแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์เข้มข้นและโซเดียมไฮดรอกไซด์ตามลำดับ เพื่อหลีกเลี่ยงความชันของค่า pH ใด ๆ ต้องปั๊มสารทำให้ตกตะกอนในปริมาณเกิน การกระจายขนาดอนุภาคของแมกนีไทต์ได้รับการวัดด้วยสเปกโทรสโกปีสหสัมพันธ์โฟตอน (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

เมื่อไม่ใช้อัลตราโซนิก การผสมด้วยกลศาสตร์ของไหลเพียงอย่างเดียวให้อนุภาคที่มีขนาดเฉลี่ย 45nm การผสมด้วยอัลตราโซนิกทำให้ขนาดอนุภาคที่ได้ลดลงเหลือ 10nm และเล็กกว่านั้น กราฟด้านล่างแสดงการกระจายขนาดของอนุภาค Fe₃O₄ ที่เกิดขึ้นในปฏิกิริยาการตกตะกอนด้วยอัลตราโซนิกแบบต่อเนื่อง (Banert et al., 2004).

กราฟถัดไป (Banert et al., 2006) แสดงขนาดอนุภาคเป็นฟังก์ชันของพลังงานจำเพาะที่ป้อนเข้า

“แผนภาพสามารถแบ่งออกเป็นสามช่วงหลัก ที่ระดับต่ำกว่าประมาณ 1000 kJ/kg_Fe3O4 การผสมถูกควบคุมโดยผลทางกลศาสตร์ของไหล ขนาดอนุภาคอยู่ที่ประมาณ 40–50 nm ที่ระดับสูงกว่า 1000 kJ/kg ผลของการผสมด้วยอัลตราโซนิกเริ่มปรากฏให้เห็น ขนาดอนุภาคลดลงต่ำกว่า 10 nm เมื่อเพิ่มกำลังจำเพาะที่ป้อนเข้าต่อไป ขนาดอนุภาคยังคงอยู่ในอันดับขนาดเดิม กระบวนการผสมในการตกตะกอนรวดเร็วเพียงพอที่จะทำให้เกิดนิวเคลียสแบบเอกพันธ์ได้”

---

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.