Ultrasonik Çökeltme İşlemi

Parçacıklar, örneğin nanoparçacıklar, çökeltme yoluyla sıvılarda aşağıdan yukarıya doğru üretilebilir. Bu işlemde, aşırı doymuş bir karışım, büyüyecek ve sonunda çökelecek olan yüksek konsantrasyonlu malzemeden katı parçacıklar oluşturmaya başlar. Parçacık/kristal boyutunu ve morfolojisini kontrol etmek için, yağışı etkileyen faktörlerin kontrolü esastır.

Yağış Süreci Arka Planı

Son yıllarda, nanopartiküller kaplamalar, polimerler, mürekkepler, farmasötikler veya elektronik gibi birçok alanda önem kazanmıştır. Nanomalzemelerin kullanımını etkileyen önemli bir faktör de nanomalzeme maliyetidir. Bu nedenle, nanomalzemeleri toplu miktarlarda üretmek için uygun maliyetli yollar gereklidir. Süreçler ise, gibi emülsifikasyon ve ufalama işleme Yukarıdan aşağıya süreçler, çökeltme, sıvılardan nano boyutlu parçacıkların sentezi için aşağıdan yukarıya bir işlemdir. Yağış şunları içerir:

• En az iki sıvının karıştırılması
• aşırı doygunluk
• Çekirdeklenme
• Parçacık büyümesi
• Aglomerasyon (Tipik olarak düşük katı konsantrasyonu veya stabilize edici ajanlar ile önlenir)

Yağış Karıştırma

Karıştırma, çökeltmede önemli bir adımdır, çoğu çökeltme işleminde olduğu gibi, kimyasal reaksiyonun hızı çok yüksektir. Yaygın olarak, çökeltme reaksiyonları için karıştırılmış tank reaktörleri (kesikli veya sürekli), statik veya rotor-stator karıştırıcıları kullanılmaktadır. Karıştırma gücünün ve enerjisinin proses hacmi içindeki homojen olmayan dağılımı, sentezlenen nanopartiküllerin kalitesini sınırlar. Reaktör hacmi arttıkça bu dezavantaj artar. Gelişmiş karıştırma teknolojisi ve etkileyen parametreler üzerinde iyi kontrol, daha küçük partiküller ve daha iyi partikül homojenliği sağlar.

Çarpan jetlerin, mikro kanallı karıştırıcıların uygulanması veya bir Taylor-Couette reaktörünün kullanılması, karıştırma yoğunluğunu ve homojenliğini iyileştirir. Bu, daha kısa karıştırma sürelerine yol açar. Yine de bu yöntemler sınırlıdır, ölçeklendirilme potansiyeli vardır.

Ultrasonication, ölçek sınırlamaları olmaksızın daha yüksek kesme ve karıştırma enerjisi sağlayan gelişmiş bir karıştırma teknolojisidir. Ayrıca güç girişi, reaktör tasarımı, kalma süresi, parçacık veya reaktan konsantrasyonu gibi yönetim parametrelerinin bağımsız olarak kontrol edilmesine de izin verir. Ultrasonik kavitasyon, yoğun mikro karıştırmaya neden olur ve yüksek gücü yerel olarak dağıtır.

Manyetit Nanopartikül Çökeltme

Çökeltme için ultrasonikasyon uygulaması ICVT'de (TU Clausthal) gösterildi. Banert ve ark. (2006) manyetit nanopartiküller için. Banert optimize edilmiş bir sono-kimyasal reaktör kullandı (sağdaki resim, besleme 1: demir çözeltisi, besleme 2: çökeltme maddesi, Daha büyük görmek için tıklayın!) manyetit nanopartiküllerini üretmek için “sulu bir demir (III) klorür hekzahidrat ve demir (II) sülfat heptahidrat çözeltisinin Fe'nin molar oranı ile birlikte çökeltilmesi ile³⁺/Fe²⁺ = 2:1 olur. Hidrodinamik ön karıştırma ve makro karıştırma önemli olduğundan ve ultrasonik mikro karıştırmaya katkıda bulunduğundan, reaktör geometrisi ve besleme borularının konumu proses sonucunu yöneten önemli faktörlerdir. Çalışmalarında, Banert ve ark. farklı reaktör tasarımlarını karşılaştırdı. Reaktör odasının geliştirilmiş bir tasarımı, gerekli özgül enerjiyi beş kat azaltabilir.

Demir çözeltisi, sırasıyla konsantre amonyum hidroksit ve sodyum hidroksit ile çökeltilir. Herhangi bir pH gradyanından kaçınmak için, çökelticinin fazla pompalanması gerekir. Manyetitin parçacık boyutu dağılımı, foton korelasyon spektroskopisi (PCS, Malvern NanoBoyutlandırıcı ZS, Malvern Inc.).”

Ultrasonication olmadan, ortalama parçacık boyutu 45nm olan parçacıklar sadece hidrodinamik karıştırma ile üretildi. Ultrasonik karıştırma, elde edilen parçacık boyutunu 10nm ve daha azına düşürdü. Aşağıdaki grafik, Fe'nin partikül boyutu dağılımını göstermektedir.₃O₄ Sürekli bir ultrasonik çökeltme reaksiyonunda üretilen parçacıklar (Banert ve ark., 2004).

Sonraki grafik (Banert ve ark., 2006) parçacık boyutunu özgül enerji girişinin bir fonksiyonu olarak gösterir.

“Diyagram üç ana rejime ayrılabilir. Yaklaşık 1000 kJ/kg'ın altında_Fe3O4 Karıştırma hidrodinamik etki tarafından kontrol edilir. Parçacık boyutu yaklaşık 40-50 nm'dir. 1000 kJ/kg'ın üzerinde ultrasonik karıştırmanın etkisi görünür hale gelir. Parçacık boyutu 10 nm'nin altına düşer. Spesifik güç girişinin daha da artmasıyla partikül boyutu aynı büyüklükte kalır. Çökeltme karıştırma işlemi homojen çekirdeklenmeye izin verecek kadar hızlıdır.”

---

Literatür / Referanslar

• 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.