กระบวนการตกตะกอนอัลตราโซนิก
อนุภาค เช่น อนุภาคนาโนสามารถสร้างขึ้นจากล่างขึ้นบนในของเหลวได้ด้วยการตกตะกอน ในกระบวนการนี้ ส่วนผสมอิ่มตัวยิ่งยวดจะเริ่มก่อตัวเป็นอนุภาคของแข็งจากวัสดุที่มีความเข้มข้นสูงซึ่งจะเติบโตและตกตะกอนในที่สุด ในการควบคุมขนาดอนุภาค/ผลึกและสัณฐานวิทยาการควบคุมปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการตกตะกอนเป็นสิ่งสําคัญ
พื้นหลังของกระบวนการตกตะกอน
อนุภาคนาโนมีความสําคัญในหลายสาขาเช่นสารเคลือบโพลีเมอร์หมึกยาหรืออุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ปัจจัยสําคัญประการหนึ่งที่มีอิทธิพลต่อการใช้วัสดุนาโนคือต้นทุนวัสดุนาโน ดังนั้นจึงจําเป็นต้องมีวิธีที่คุ้มค่าในการผลิตวัสดุนาโนในปริมาณมาก ในขณะที่กระบวนการเช่น อิมัลชัน และการประมวลผลการบดหยี้คือ กระบวนการจากบนลงล่างการตกตะกอนเป็นกระบวนการจากล่างขึ้นบนสําหรับการสังเคราะห์อนุภาคขนาดนาโนจากของเหลว ปริมาณน้ําฝนเกี่ยวข้องกับ:
- การผสมของเหลวอย่างน้อยสองชนิด
- ความอิ่มตัวยิ่งยวด
- นิวเคลียส
- การเจริญเติบโตของอนุภาค
- การรวมตัวกัน (โดยทั่วไปจะหลีกเลี่ยงโดยความเข้มข้นของแข็งต่ําหรือโดยสารทําให้เสถียร)
การผสมตะกอน
การผสมเป็นขั้นตอนสําคัญในการตกตะกอน เนื่องจากกระบวนการตกตะกอนส่วนใหญ่ ความเร็วของปฏิกิริยาเคมีจะสูงมาก โดยทั่วไปจะใช้เครื่องปฏิกรณ์ถังกวน (แบทช์หรือต่อเนื่อง) เครื่องผสมแบบคงที่หรือโรเตอร์สเตเตอร์สําหรับปฏิกิริยาการตกตะกอน การกระจายพลังการผสมและพลังงานที่ไม่สม่ําเสมอภายในปริมาตรของกระบวนการจํากัดคุณภาพของอนุภาคนาโนที่สังเคราะห์ ข้อเสียนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อปริมาตรของเครื่องปฏิกรณ์เพิ่มขึ้น เทคโนโลยีการผสมขั้นสูงและการควบคุมพารามิเตอร์ที่มีอิทธิพลที่ดีส่งผลให้อนุภาคมีขนาดเล็กลงและความเป็นเนื้อเดียวกันของอนุภาคที่ดีขึ้น
การใช้ไอพ่นกระแทก เครื่องผสมไมโครแชนเนล หรือการใช้เครื่องปฏิกรณ์ Taylor-Couette ช่วยเพิ่มความเข้มของการผสมและความสม่ําเสมอ สิ่งนี้นําไปสู่เวลาในการผสมที่สั้นลง แต่วิธีการเหล่านี้มีศักยภาพจํากัดที่จะขยายขนาด
Ultrasonication เป็นเทคโนโลยีการผสมขั้นสูงที่ให้พลังงานเฉือนและการกวนที่สูงขึ้นโดยไม่มีข้อ จํากัด ในการขยายขนาด นอกจากนี้ยังช่วยให้สามารถควบคุมพารามิเตอร์ที่ควบคุมเช่นกําลังไฟฟ้าเข้าการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เวลาพํานักอนุภาคหรือความเข้มข้นของสารตั้งต้นอย่างอิสระ โพรงอากาศอัลตราโซนิกทําให้เกิดการผสมไมโครที่เข้มข้นและกระจายพลังงานสูงในท้องถิ่น
การตกตะกอนอนุภาคนาโนแมกนีไทต์
การประยุกต์ใช้อัลตราโซนิกกับการตกตะกอนแสดงให้เห็นที่ ICVT (TU Clausthal) โดย Banert และคณะ (2006) สําหรับอนุภาคนาโนแมกนีไทต์ Banert ใช้เครื่องปฏิกรณ์เคมีโซโนที่ปรับให้เหมาะสม (ภาพขวา, ฟีด 1: สารละลายเหล็ก, ฟีด 2: สารตกตะกอน, คลิกเพื่อดูขนาดใหญ่!) เพื่อผลิตอนุภาคนาโนแมกนีไทต์ “โดยการตกตะกอนร่วมของสารละลายในน้ําของเหล็ก (III) คลอไรด์เฮกซาไฮเดรตและเหล็ก (II) ซัลเฟตเฮปตาไฮเดรตที่มีอัตราส่วนโมลาร์ของ Fe3+/เฟ2+ = 2:1 เนื่องจากการผสมล่วงหน้าของอุทกพลศาสตร์และการผสมมาโครมีความสําคัญและมีส่วนช่วยในการผสมไมโครอัลตราโซนิกรูปทรงของเครื่องปฏิกรณ์และตําแหน่งของท่อป้อนเป็นปัจจัยสําคัญที่ควบคุมผลลัพธ์ของกระบวนการ ในการทํางานของพวกเขา Banert และคณะ เปรียบเทียบการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ที่แตกต่างกัน การออกแบบห้องปฏิกรณ์ที่ได้รับการปรับปรุงสามารถลดพลังงานจําเพาะที่ต้องการได้ถึงห้าเท่า
สารละลายเหล็กตกตะกอนด้วยแอมโมเนียมไฮดรอกไซด์เข้มข้นและโซเดียมไฮดรอกไซด์ตามลําดับ เพื่อหลีกเลี่ยงการไล่ระดับค่า pH จะต้องสูบสารตกตะกอนมากเกินไป การกระจายขนาดอนุภาคของแมกนีไทต์ได้รับการวัดโดยใช้สเปกโทรสโกปีสหสัมพันธ์โฟตอน (PCS, Malvern NanoSizer ZS, มัลเวิร์น อิงค์).”
หากไม่มีอัลตราโซนิกอนุภาคที่มีขนาดอนุภาคเฉลี่ย 45nm ถูกผลิตโดยการผสมอุทกพลศาสตร์เพียงอย่างเดียว การผสมอัลตราโซนิกช่วยลดขนาดอนุภาคที่ได้เหลือ 10nm และน้อยกว่า กราฟิกด้านล่างแสดงการกระจายขนาดอนุภาคของ Fe3O4 อนุภาคที่สร้างขึ้นในปฏิกิริยาการตกตะกอนอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่อง (Banert และคณะ, 2004).
กราฟิกถัดไป (Banert และคณะ, 2006) แสดงขนาดอนุภาคเป็นฟังก์ชันของพลังงานเฉพาะที่ป้อน
“แผนภาพสามารถแบ่งออกเป็นสามระบอบการปกครองหลัก ต่ํากว่าประมาณ 1,000 kJ? กกเฟ 3 โอ 4 การผสมถูกควบคุมโดยเอฟเฟกต์อุทกพลศาสตร์ ขนาดอนุภาคมีขนาดประมาณ 40-50 นาโนเมตร สูงกว่า 1,000 kJ? กก. ผลของการผสมอัลตราโซนิกจะมองเห็นได้ ขนาดอนุภาคลดลงต่ํากว่า 10 นาโนเมตร เมื่อกําลังไฟฟ้าเฉพาะเพิ่มขึ้นอีกขนาดอนุภาคจะยังคงอยู่ในลําดับความสําคัญเท่ากัน กระบวนการผสมการตกตะกอนนั้นเร็วพอที่จะทําให้เกิดนิวเคลียสที่เป็นเนื้อเดียวกัน”
วรรณกรรม
Banert, T., Horst, C., Kunz, U., Peuker, U. A. (2004), Kontinuierliche Fällung im Ultraschalldurchflußreaktor am Beispiel von Eisen-(II,III) Oxid, ICVT, TU-Clausthal, โปสเตอร์นําเสนอในการประชุมประจําปี GVC 2004
Banert, T., Brenner, G., Peuker, UA (2006), พารามิเตอร์การทํางานของเครื่องปฏิกรณ์ตกตะกอนโซโนเคมีแบบต่อเนื่อง, Proc. 5. WCPT, ออร์แลนโด ฟลอริดา, 23.-27 เมษายน 2006
Die nächste Grafik (Banert และคณะ, 2006) zeigt die Partikelgröße als eine Funktion des spezifischen Energie-Inputs.
“Das Diagramm kann in drei Hauptabschnitte unterteilt werden. Unter ประมาณ 1000 กิโลจูล/กก.เฟ 3 โอ 4 wird das Mischen durch den hydrodynamischen Effekt gesteuert. Die Partikelgröße beträgt dabei ca. 40-50nm. Ab über1000kJ/kg wird der Effekt des Ultraschallmischens sichtbar. Die Partikelgröße verringert sich auf 10nm. Mit einem weiteren Anstieg der spezifischen Leistungszufuhr bleibt die Partikelgröße in der gleichen Größenordnung. Das Mischen erfolgt schnell genug, so dass eine homogene Nukleierung möglich wird.”
Literaturverweis
Banert, T., Horst, C., Kunz, U., Peuker, U. A. (2004), Kontinuierliche Fällung im Ultraschalldurchflußreaktor am Beispiel von Eisen-(II,III) Oxid, ICVT, TU-Clausthal, โปสเตอร์นําเสนอในการประชุมประจําปี GVC 2004
Banert, T., Brenner, G., Peuker, UA (2006), พารามิเตอร์การทํางานของเครื่องปฏิกรณ์ตกตะกอนโซโนเคมีแบบต่อเนื่อง, Proc. 5. WCPT, ออร์แลนโด ฟลอริดา, 23.-27 เมษายน 2006