Процес ультразвукової осідання

фон

В останні роки наночастинки набули важливості у багатьох областях, таких як покриття, полімери, чорнила, фармацевтика чи електроніка. Одним з важливих факторів, що впливають на використання наноматеріалів, є вартість наноматериалів. Тому необхідні економічно ефективні способи виробництва наноматеріалів у великих кількостях. Хоча процеси, як емульгування і обробка зрідження є зверху вниз процеси, опади - це процес знизу-вгору для синтезу частинок нанорозмірних з рідин. Опадів включає:

• Змішування щонайменше двох рідин
• Пересиченість
• зародження
• Рост частинок
• Агломерація
  (Як правило, уникати через низьку концентрацію твердого тіла або стабілізатори)

Змішування

Змішування є важливим кроком у процесі опадів, оскільки для більшості процесів опадів швидкість хімічної реакції дуже висока. Зазвичай для реакцій осадження використовують реактори з перемішеними танками (партійні або безперервні), статичні або роторно-статорні змішувачі. Неоднорідний розподіл потужності та енергії змішування в обсязі процесу обмежує якість синтезованих наночастинок. Цей недолік збільшується при збільшенні об'єму реактора. Розширені технології змішування та хороший контроль над параметрами, що впливають, призводять до менших часток і кращої однорідності частинок.

Застосування струшувачів, мікроканальних змішувачів або використання реактора Тейлора-Куетта покращує інтенсивність змішування та однорідність. Це призводить до коротшого часу змішування. Однак ці методи обмежують його потенціал для збільшення.

Ультразвукове випромінювання - це сучасна технологія змішування, що забезпечує високу енергію зсуву та перемішування без обмеження масштабу. Це також дозволяє самостійно контролювати параметри керування, такі як енерговитрати, конструкція реактора, час перебування, частка або концентрація реагенту. Ультразвукова кавітація викликає інтенсивне мікрозмішування і розсіює високу потужність локально.

Наночастинка магнетиту Опади

Застосування ультразвуку до атмосферних опадів було продемонстровано на ICVT (TU Clausthal) по Banert et al. (2006) для наночастинок магнетиту. Банерт використовував оптимізований сонохімічний реактор (праве зображення, корм 1: розчин заліза, корм 2: осадовий агент, Натисніть для збільшення!) для одержання наночастинок магнетиту “шляхом спільного осадження водного розчину гексагідрату хлориду (III) і гептагідрату сульфату заліза (II) з молярним співвідношенням Fe³⁺/ Fe²⁺ = 2: 1. Оскільки гідродинамічне попереднє змішування та макро змішування 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. порівнювали різні конструкції реакторів. Покращений дизайн камери реактора може зменшити необхідну питому енергію у п'ять разів.

Розчин заліза осаджують концентрованим гідроксидом амонію та гідроксидом натрію відповідно. Щоб уникнути будь-якого градієнта pH, осаджувач потрібно перекачувати у надлишку. Розподіл частинок розміру магнетиту вимірювали за допомогою фотонного кореляційного спектроскопії (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.)”

Без ультразвуку частинки середнього розміру часток 45 нм створювалися лише за допомогою гідродинамічного змішування. Ультразвукове змішування зменшує розмір частинок до 10 нм і менше. Графік нижче показує розподіл часток частинок Fe₃О.₄ частинки, що утворюються при неперервній реакції ультразвукової атмосфери (Banert et al., 2004)

Наступна графіка (Banert et al., 2006) показує розмір часток як функцію від конкретного енергопотужного споживання.

“Діаграму можна розділити на три основних режими. Нижче близько 1000 кДж / кг_Fe3O4 змішування контролюється гідродинамічним ефектом. Розмір частинок становить приблизно 40-50 нм. Вище 1000 кДж / кг ефект ультразвукового змішування стає видимим. Розмір частинок зменшується нижче 10 нм. З подальшим збільшенням питомої енерговитрати розмір частинок залишається на тому ж порядку. Перемішування досить швидко, щоб однорідне зародження.”

Література

Банерт, Т., Хорст, К., Кунц, У., Пьюкер, У.А. (2004 р.), Континуелефляйзування з ультразвукового випромінювання у басейні Ейзена- (II, III) Oxid, ICVT, TU-Clausthal, плакат, представлений на щорічній зустрічі GVC 2004.

Банерт, Т., Бреннер, G., Peuker, UA (2006), Робочі параметри безперервного сонохімічного реактора осадження, Proc. 5. WCPT, Orlando Fl., 23-27. Квітень 2006 р.