Ультразвуковий процес осадження

Частинки, наприклад наночастинки, можна генерувати знизу вгору в рідинах за допомогою осадження. У цьому процесі пересичена суміш починає утворювати тверді частинки з висококонцентрованого матеріалу, які зростають і нарешті осаджуються. Для контролю розміру та морфології частинок/кристалів необхідний контроль над факторами, що впливають на осадження.

Передумови процесу осадження

За останні роки наночастинки набули важливого значення у багатьох галузях, таких як покриття, полімери, чорнила, фармацевтика та електроніка. Важливим фактором, що впливає на використання наноматеріалів, є вартість наноматеріалів. Тому необхідні економічно ефективні способи виробництва наноматеріалів у великих обсягах. Хоча процеси, такі як емульгування та подрібнення, є процесами зверху вниз, осадження є процесом знизу вгору для синтезу нанорозмірних частинок із рідин. Осадження включає:

• Змішування щонайменше двох рідин
• Пересичення
• Зародкоутворення
• Зростання частинок
• Агломерація (зазвичай уникають за допомогою низької концентрації твердих речовин або стабілізуючих агентів)

Змішування при осадженні

Змішування є важливим етапом при осадженні, оскільки для більшості процесів осадження швидкість хімічної реакції дуже висока. Зазвичай для реакцій осадження використовуються реактори з перемішуванням (періодичної або безперервної дії), статичні або роторно-статорні змішувачі. Нерівномірний розподіл потужності та енергії змішування в об’ємі процесу обмежує якість синтезованих наночастинок. Цей недолік зростає зі збільшенням об’єму реактора. Передові технології змішування та хороший контроль над параметрами, що впливають, призводять до отримання менших частинок та кращої однорідності частинок.

Застосування зустрічних струменів, мікроканальних змішувачів або використання реактора Тейлора–Куетта покращує інтенсивність та однорідність змішування. Це призводить до скорочення часу змішування. Однак ці методи мають обмежений потенціал для масштабування.

Ультразвукова обробка – це передова технологія змішування, яка забезпечує вищі зсувні сили та енергію перемішування без обмежень масштабування. Вона також дозволяє незалежно контролювати керуючі параметри, такі як потужність, конструкція реактора, час перебування, концентрація частинок або реагентів. Ультразвукова кавітація індукує інтенсивне мікрозмішування та локально розсіює високу потужність.

Осадження магнетитових наночастинок

Застосування ультразвукової обробки для осадження було продемонстровано в ICVT (TU Clausthal) авторами Banert et al. (2006) для магнетитових наночастинок. Банерт використовував оптимізований сонохімічний реактор (праворуч, подача 1: розчин заліза, подача 2: агент осадження, Натисніть для перегляду більшого зображення!) для отримання магнетитових наночастинок “шляхом спільного осадження водного розчину хлориду заліза(III) гексагідрату та сульфату заліза(II) гептагідрату з мольним співвідношенням Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Оскільки гідродинамічне попереднє змішування та макрозмішування є важливими та сприяють ультразвуковому мікрозмішуванню, геометрія реактора та положення подаючих труб є важливими факторами, що визначають результат процесу. У своїй роботі Banert et al. порівняли різні конструкції реакторів. Покращена конструкція камери реактора може зменшити необхідну специфічну енергію в п’ять разів.

Розчин заліза осаджують концентрованим гідроксидом амонію та гідроксидом натрію відповідно. Щоб уникнути будь-якого градієнта pH, осаджувач має подаватися в надлишку. Розподіл частинок за розміром магнетиту вимірювали за допомогою спектроскопії фотонної кореляції (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Без ультразвукової обробки частинки середнім розміром 45nm були отримані лише за допомогою гідродинамічного змішування. Ультразвукове змішування зменшило розмір отриманих частинок до 10nm та менше. Графік нижче показує розподіл частинок Fe₃O₄ за розміром, отриманих у безперервній ультразвуковій реакції осадження (Banert et al., 2004).

Наступний графік (Banert et al., 2006) показує розмір частинок як функцію специфічної енергії, що подається.

“Діаграму можна розділити на три основні режими. Нижче приблизно 1000 kJ/kg_Fe3O4 змішування контролюється гідродинамічним ефектом. Розмір частинок становить приблизно 40-50 nm. Вище 1000 kJ/kg ефект ультразвукового змішування стає помітним. Розмір частинок зменшується нижче 10 nm. При подальшому збільшенні специфічної потужності, що подається, розмір частинок залишається в тому ж порядку величини. Процес змішування при осадженні є досить швидким, щоб дозволити гомогенне зародкоутворення.”

---

Література / Посилання

• 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.