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 / กก_{เฟ 3 โอ 4} การผสมถูกควบคุมโดยผลกระทบของไฮโดรไดนามิก ขนาดของอนุภาคมีประมาณ 40-50 นาโนเมตร ที่ค่าพลังงานมากกว่า 1000 กิโลจูลต่อกิโลกรัม ผลกระทบของการผสมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงจะเริ่มเห็นได้ชัดเจน ขนาดของอนุภาคจะลดลงต่ำกว่า 10 นาโนเมตร เมื่อเพิ่มกำลังไฟฟ้าต่อหน่วยมากขึ้น ขนาดของอนุภาคจะยังคงอยู่ในระดับเดียวกัน กระบวนการผสมโดยการตกตะกอนมีความรวดเร็วเพียงพอที่จะทำให้เกิดการเกิดนิวเคลียสอย่างสม่ำเสมอ”

---

วรรณกรรม / อ้างอิง

• 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.