Quá trình kết tủa siêu âm

Các hạt, ví dụ như các hạt nano có thể được tạo ra từ dưới lên trong chất lỏng bằng phương pháp kết tủa. Trong quá trình này, một hỗn hợp siêu bão hòa bắt đầu hình thành các hạt rắn từ vật liệu đậm đặc sẽ phát triển và cuối cùng kết tủa. Để kiểm soát kích thước và hình thái hạt / tinh thể, việc kiểm soát các yếu tố ảnh hưởng đến lượng mưa là điều cần thiết.

Bối cảnh quá trình kết tủa

Trong những năm gần đây, các hạt nano đã đạt được tầm quan trọng trong nhiều lĩnh vực, chẳng hạn như sơn, polyme, mực, dược phẩm hoặc điện tử. Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc sử dụng vật liệu nano là chi phí vật liệu nano. Do đó, cần có những cách hiệu quả về chi phí để sản xuất vật liệu nano với số lượng lớn. Trong khi các quy trình, như Nhũ tương hóa và xử lý giảm thiểu là Quy trình từ trên xuống, kết tủa là một quá trình từ dưới lên để tổng hợp các hạt có kích thước nano từ chất lỏng. Lượng mưa bao gồm:

• Trộn ít nhất hai chất lỏng
• Siêu bão hòa
• Tạo mầm
• Tăng trưởng hạt
• Kết tụ (Thường tránh được bằng nồng độ rắn thấp hoặc bằng các chất ổn định)

Trộn lượng mưa

Việc trộn là một bước thiết yếu trong quá trình kết tủa, vì đối với hầu hết các quá trình kết tủa, tốc độ của phản ứng hóa học rất cao. Thông thường, các lò phản ứng bể khuấy (hàng loạt hoặc liên tục), máy trộn tĩnh hoặc rôto-stato đang được sử dụng cho các phản ứng kết tủa. Sự phân bố không đồng nhất của công suất trộn và năng lượng trong thể tích quá trình làm hạn chế chất lượng của các hạt nano tổng hợp. Nhược điểm này tăng lên khi thể tích lò phản ứng tăng lên. Công nghệ trộn tiên tiến và kiểm soát tốt các thông số ảnh hưởng dẫn đến các hạt nhỏ hơn và tính đồng nhất hạt tốt hơn.

Việc áp dụng máy bay phản lực va chạm, máy trộn vi kênh hoặc sử dụng lò phản ứng Taylor-Couette cải thiện cường độ trộn và tính đồng nhất. Điều này dẫn đến thời gian trộn ngắn hơn. Tuy nhiên, những phương pháp này bị hạn chế tiềm năng được nhân rộng.

Ultrasonication là một công nghệ trộn tiên tiến cung cấp năng lượng cắt và khuấy cao hơn mà không có giới hạn quy mô. Nó cũng cho phép kiểm soát các thông số chi phối, chẳng hạn như đầu vào nguồn, thiết kế lò phản ứng, thời gian cư trú, hạt hoặc nồng độ chất phản ứng một cách độc lập. Các cavitation siêu âm gây ra vi pha trộn dữ dội và tiêu tan công suất cao tại địa phương.

Kết tủa hạt nano magnetit

Việc áp dụng ultrasonication để kết tủa đã được chứng minh tại ICVT (TU Clausthal) bởi Banert và cộng sự (2006) cho các hạt nano magnetit. Banert đã sử dụng một lò phản ứng hóa học sono được tối ưu hóa (hình bên phải, thức ăn 1: dung dịch sắt, thức ăn 2: chất kết tủa, Nhấp để xem lớn hơn!) để sản xuất các hạt nano magnetit “bằng cách đồng kết tủa dung dịch nước sắt(III)clorua hexahydrat và heptahydrat sắt(II)sulfat với tỷ lệ mol Fe³⁺/Fe²⁺ = 2:1. Vì trộn trước thủy động lực học và trộn macro rất quan trọng và góp phần vào việc trộn vi âm siêu âm, hình dạng lò phản ứng và vị trí của các ống cấp liệu là những yếu tố quan trọng chi phối kết quả quá trình. Trong công việc, Banert và cộng sự. so sánh các thiết kế lò phản ứng khác nhau. Một thiết kế cải tiến của buồng lò phản ứng có thể làm giảm năng lượng cụ thể cần thiết theo hệ số năm.

Dung dịch sắt được kết tủa với amoni hydroxit đậm đặc và natri hydroxit tương ứng. Để tránh bất kỳ độ dốc pH nào, chất kết tủa phải được bơm quá mức. Sự phân bố kích thước hạt của magnetit đã được đo bằng quang phổ tương quan photon (PCS, Malvern NanoSizer ZS, Malvern Inc.).”

Không có ultrasonication, các hạt có kích thước hạt trung bình là 45nm được tạo ra bằng cách trộn thủy động lực học một mình. Trộn siêu âm làm giảm kích thước hạt kết quả xuống 10nm và ít hơn. Đồ họa dưới đây cho thấy sự phân bố kích thước hạt của Fe₃O₄ các hạt được tạo ra trong phản ứng kết tủa siêu âm liên tục (Banert và cộng sự, 2004).

Đồ họa tiếp theo (Banert và cộng sự, 2006) cho thấy kích thước hạt như một hàm của đầu vào năng lượng cụ thể.

“Sơ đồ có thể được chia thành ba chế độ chính. Dưới khoảng 1000 kJ / kg_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.”

---

Văn học / Tài liệu tham khảo

• 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.