Процес ультразвукового осадження

Частинки, наприклад, наночастинки, можуть утворюватися в рідинах знизу вгору за допомогою опадів. У цьому процесі пересичена суміш починає утворювати тверді частинки з висококонцентрованого матеріалу, які будуть рости і, нарешті, випадати в осад. Для контролю розміру та морфології частинок/кристалів необхідний контроль за факторами, що впливають на опади.

Фон процесу опадів

Останніми роками наночастинки набули важливого значення в багатьох галузях, таких як покриття, полімери, чорнило, фармацевтика чи електроніка. Одним з важливих факторів, що впливають на використання наноматеріалів, є вартість наноматеріалів. Тому потрібні економічно ефективні способи виробництва наноматеріалів у великих кількостях. У той час як процеси, як емульгування та переробка коммінуції є Процеси зверху вниз, осадження – це процес знизу вгору для синтезу нанорозмірних частинок з рідин. Серед опадів вийде:

• Змішування не менше двох рідин
• перенасичення
• Зародження
• Зростання частинок
• Агломерація (зазвичай уникається за допомогою низької концентрації твердих речовин або стабілізуючих агентів)

Змішування опадів

Перемішування є важливим етапом опадів, так як для більшості процесів опадів швидкість хімічної реакції дуже висока. Зазвичай для реакцій осадження використовуються реактори зі змішаними баками (періодичної дії або безперервної), статичні або роторно-статорні змішувачі. Неоднорідний розподіл потужності і енергії змішування в межах об'єму процесу обмежує якість синтезованих наночастинок. Цей недолік зростає зі збільшенням обсягу реактора. Удосконалена технологія змішування та хороший контроль над параметрами, що впливають, призводять до менших частинок та кращої однорідності частинок.

Застосування ударних струменів, мікроканальних змішувачів або використання реактора Тейлора-Куетта покращують інтенсивність і однорідність перемішування. Це призводить до скорочення часу змішування. Проте ці методи обмежені та мають потенціал для масштабування.

Ультразвук – це вдосконалена технологія змішування, що забезпечує більш високу енергію зсуву та перемішування без обмежень масштабування. Це також дозволяє самостійно контролювати керуючі параметри, такі як вхідна потужність, конструкція реактора, час перебування, концентрація частинок або реагенту. Ультразвукова кавітація викликає інтенсивне мікроперемішування і локально розсіює високу потужність.

Осадження наночастинок магнетиту

Застосування ультразвуку до атмосферних опадів було продемонстровано на ICVT (TU Clausthal) за допомогою Banert та ін (2006) для наночастинок магнетиту. Банерт використовував оптимізований сонохімічний реактор (праве зображення, подача 1: розчин заліза, подача 2: агент осадження, Натисніть, щоб переглянути більше!) для отримання наночастинок магнетиту “шляхом спільного осадження водного розчину гексагідрату хлориду заліза (III) та гептагідрату сульфату заліза(II) з молярним співвідношенням Fe³⁺/Фе²⁺ = 2:1. Оскільки гідродинамічне попереднє перемішування та макроперемішування є важливими та сприяють ультразвуковому мікроперемішуванню, геометрія реактора та положення труб подачі є важливими факторами, що визначають результат процесу. У своїй роботі, Банерт та ін. порівнювали різні конструкції реакторів. Удосконалена конструкція камери реактора дозволяє знизити необхідну питому енергію в п'ять разів.

Розчин заліза осаджують концентрованим гідроксидом амонію і гідроксидом натрію відповідно. Щоб уникнути будь-якого градієнта рН, осад доводиться перекачувати в надлишку. Розподіл частинок магнетиту за розміром був виміряний за допомогою фотонної кореляційної спектроскопії (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Без ультразвуку частинки із середнім розміром частинок 45 нм утворювалися лише шляхом гідродинамічного перемішування. Ультразвукове змішування зменшило розмір отриманих частинок до 10 нм і менше. На графіку нижче показано гранулометричний склад Fe₃O₄ частинки, що утворюються в безперервній реакції ультразвукового осадження (Банерт та ін., 2004).

Наступний графік (Банерт та ін., 2006) показує розмір частинок як функцію від питомої енергії на вході.

“Схему можна розділити на три основні режими. Нижче приблизно 1000 кДж/кг_Fe3O4 the mixing is controlled by the hydrodynamic effect. The particle size amounts to about 40-50 nm. Above 1000 kJ/kg the effect of the ultrasonic mixing becomes visible. The particle size decreases below 10 nm. With further increase of the specific power input the particle size remains in the same order of magnitude. The precipitation mixing process is fast enough to allow homogeneous nucleation.”

---

Література / Список літератури

• 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.