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 / kgFe3O4 Sự pha trộn được kiểm soát bởi hiệu ứng thủy động lực học. Kích thước hạt lên tới khoảng 40-50nm. Trên 1000 kJ / kg hiệu quả của việc trộn siêu âm trở nên rõ ràng. Kích thước hạt giảm xuống dưới 10nm. Với sự gia tăng hơn nữa của đầu vào công suất cụ thể, kích thước hạt vẫn theo cùng một thứ tự cường độ. Quá trình trộn kết tủa đủ nhanh để cho phép tạo mầm đồng nhất.”
Văn học
Banert, T., Horst, C., Kunz, Hoa Kỳ, Peuker, U. A. (2004), Kontinuierliche Fällung im Ultraschalldurchflußreaktor am Beispiel von Eisen-(II,III) Oxid, ICVT, TU-Clausthal, Poster trình bày tại Hội nghị thường niên GVC 2004.
Banert, T., Brenner, G., Peuker, Hoa Kỳ (2006), Các thông số vận hành của lò phản ứng kết tủa sono-hóa học liên tục, Proc. 5. WCPT, Orlando Fl., 23.-27. tháng 4 năm 2006.
Die nächste Grafik (Banert và cộng sự, 2006) zeigt die Partikelgröße als eine Funktion des spezifischen Energie-Inputs.
“Das Diagramm kann in drei Hauptabschnitte unterteilt werden. Unter ca. 1000 kJ / kgFe3O4 wird das Mischen durch den hydrodynamischen Effekt gesteuert. Die Partikelgröße beträgt dabei ca. 40-50nm. Ab über1000kJ/kg với Effekt des Ultraschallmischens sichtbar. Die Partikelgröße verringert sich auf 10nm. Mit einem weiteren Anstieg der spezifischen Leistungszufuhr bleibt die Partikelgröße in der gleichen Größenordnung. Das Mischen erfolgt schnell genug, so dass eine homogene Nukleierung möglich wird.”
Thư viện
Banert, T., Horst, C., Kunz, Hoa Kỳ, Peuker, U. A. (2004), Kontinuierliche Fällung im Ultraschalldurchflußreaktor am Beispiel von Eisen-(II,III) Oxid, ICVT, TU-Clausthal, Poster trình bày tại Hội nghị thường niên GVC 2004.
Banert, T., Brenner, G., Peuker, Hoa Kỳ (2006), Các thông số vận hành của lò phản ứng kết tủa sono-hóa học liên tục, Proc. 5. WCPT, Orlando Fl., 23.-27. tháng 4 năm 2006.