Diszperziók előállítása

Az előadások a következő témára: "Diszperziók előállítása"— Előadás másolata:

1 Diszperziók előállítása
1. Dezintegrálás (diszpergálás, dezaggregálás) Munkavégzés szükséges (több új felület) 2. Kondenzálás (nukleáció) Aktiválási energia kell (új felület)

2 Diszpergálás Szilárd anyagok diszpergálása: őrlés, aprítás
(általában 1-10 m; ásványelőkészítés, szilikátipar) Eszközök: golyósmalom, hengerszék, kolloidmalom, fúvókás malom (legfinomabb szemcseméret) Az őrlési körülmények optimalizálása Szilárd anyagok diszpergálását elősegítő tényezők: -idegen anyag -nedves őrlés -tenzid adalékolása (Rehbinder-hatás) Újra összetapadnak

3 Diszperziók előállítása kondenzálással
Csoportosítás: halmazállapot szerint (pl. gőzfázisú) komponensek száma (oldat) idegen anyag jelenléte (homogén – heterogén), pl.kondenzcsík (Wilson-féle ködkamra: nukleáció ionokon)

4 Homogén nukleáció gőzfázisban
Tapasztalat szerint: P > P P/P = S (túltelítés) P: gőznyomás, P: egyensúlyi gőznyomás (adott T-n) T: hőmérséklet

5 Folyadékcsepp modell: egyetlen gömb alakú csepp keletkezésére
G = 4 r2  - (4 r3 /3) (RT/Vm) ln (P/P) felületi tag (+) térfogati tag (-) A kondenzált állapot energetikailag kedvezőbb! d(ΔG)/dr = 0 kritikus gócméret (rkrit) T = áll. 1 2 1. Góc keletkezése 2. Góc növekedése r: gócsugár γ: felületi feszültség Vm: folyadék moltérfogata

6 Otthoni tanulmányozásra
A túltelítés hatása a kritikus gócméretre S növekedésével egyre kisebb aktiválási energia, egyre kisebb kritikus gócméret. Skrit : 1 db góc/(cm3 s) pl. vízre: 275,2 K-on Skrit = 4,2 (0,89 nm, 80 molekula)

7 Diszperziók előállítása kondenzálással
Wilson-féle ködkamra: nukleáció ionokon (Dr. Raics Péter, fénykép) (Dr. Kemenes László, az AtomErőmű című újságban megjelent írásának felhasználásával

8 A csapadék nagyon rossz oldhatósága nem kedvez a szűrhetőségnek!
Nukleáció oldatokban: (lioszolok előállítása) Befolyásoló tényezők: hőmérséklet, koncentráció, oldhatóság (T és oldószer) Góckeletkezés sebessége: vgk = K [(c-co)/co ] relatív túltelítettség Gócnövekedés sebessége: vgn = k (c-co) abszolút túltelítettség Ha vgk sokkal nagyobb, mint vgn: kicsi mikrofázisok keletkeznek Diszperzitásfok (1/részecskeméret) : D  vgk/vgn  1/co A csapadék nagyon rossz oldhatósága nem kedvez a szűrhetőségnek!

9 A méret befolyásolása a relatív túltelítettségen keresztül:
ZnO részecskék TEM-felvétele (aggregációs növekedési mechanizmus) (Naszályi-Ayral-Hórvölgyi, 2008) Jelentős mennyiségű kisméretű részecskék előállítása céljából eredményre vezet: nagy c (koagulálás) vagy kicsiny co (oldószercsere). Demonstráció: kén-szol előállítása oldószercserével

10 SZOLOK (szuszpenziók) ELŐÁLLÍTÁSA:
HIDROLÍZISES ELJÁRÁSOK Hidrolizáló sók pl. Fe(OH)3 -szol (Graham-módszer) 1. FeCl3 - oldat szakaszos hidrolízise NH4HCO3 -tal 2. Dialízis desztillált vízzel szemben (pH = 4 teljes hidrolízis) 50 g/l, 5 nm-es részecskék

11 Kontrollált hidrolízis: pl. SiO2 -szol (Stöber-módszer)
Gömb alakú, monodiszperz (szűk méreteloszlású) Előállítás: Si(EtO)4 + vizes ammónia-oldat (alkoholban) Hidrolízis, majd kondenzáció (a bázikus ammónia elősegíti a polikondenzációt is. Ezért keletkeznek mikrofázisok!) TEM-felvételek 37 nm nm nm 350 nm SEM-felvétel

12 LB-filmjei eltérő megfigyelési irányokból fényképezve.
Optikai demonstráció 1 I. Többrétegű LB-filmek mikroszkóp fedőlemezen 1 2 3 4 5 Az S107 (107nm, hidrofil) minta részlegesen átfedő (1-5 rétegű) LB-filmjei eltérő megfigyelési irányokból fényképezve.

13 Félvezetők méretkvantált tulajdonságainak demonstrálása
A tiltott sáv szélességének méretfüggése különböző félvezetőkre ZnO-szolok öregedése (3-7 nm) (az abszorbancia méretfüggő ) „Blue-shift” (kék eltolódás) (Naszályi-Hórvölgyi, 2006)

14 Félvezetők méretkvantált tulajdonságainak demonstrálása
CdTe: 2-5 nm-es részecskék szolja a fluoreszcencia méretfüggése Ez is blue-shift? Hát hogyne! H. Weller et al.

15 Előállítás redukcióval Arany kolloid előállítása vízben
1951: Turkevich et al. (citrátos redukció) A STUDY OF THE NUCLEATION AND GROWTH PROCESSES IN THE SYNTHESIS OF COLLOIDAL GOLD by J. Turkevich, P. C. Stevenson, J. Hillier DISCUSSIONS OF THE FARADAY SOCIETY (11): 55 (1951)       Times Cited: 1204  A citrát redukáló és egyben stabilizáló ágens. Markus Niederberger, 2006

16 Az arany méretkvantált tulajdonsága (plazmonika)
Tömbi arany Színe: arany O.p.: 1064 oC Arany szol Színe: méretfüggő Markus Niederberger, 2006

17 A kis méretek hatása a mágneses tulajdonságokra
A, Nagy fajlagos felület: a mágneses részecskék hidroszoljában számottevő a hidroszférában levő víz mennyisége (mágneses folyadék) B, “Single domain” hatás (kb nm-es vas vagy magnetit részecskékben): a mágnességet okozó spinek egy irányban állnak egyetlen részecskében (jelentős mágneses hatás): szuperparamágnesesség

18 Kolloid részecskék alakjának és nagyságának jellemzése
Részecskék alakja Izometrikus (minden irányban – x,y,z– azonos méretű): Gömb Henger Oktaéder

19 Mesterséges előállítás: elektromos szálképzés
Anizometrikus: Forgási ellipszoid: oblát („diszkosz”) prolát („szivar”) Mesterséges előállítás: elektromos szálképzés Ezek torzult formái: lamella fibrilla Fehér azbeszt Kaolinit

20 Részecskeméret jellemzése:
Monodiszperz: azonos méretű részecsék halmaza (szűk méreteloszlás) Polidiszperz: különböző méretű részecskék halmaza (széles méreteloszlás: átlagok és méreteloszlás függvények) Milyen átlaggal jellemezzük a méretet?

21 Ozmózisnyomás: a részecskék számától függ (kolligatív tulajdonság)!
A szórt fény intenzitása a részecskék méretétől függ! Szám szerinti átlag: Mn = (∑ ni Mi)/(∑ni) Tömeg szerinti átlag: Mm = (∑ni Mi2)/∑(ni Mi) A polidiszperzitás jellemzése: Mm/Mn (egyenetlenségi tényező) Monodiszperz esetben értéke 1!

22 Polidiszperz rendszerek méreteloszlása a méret eloszlási függvényekkel jellemezhető
Differenciális méreteloszlás Integrális méreteloszlás Gyakorlás: Rajzolja fel egy szűk- és egy széles méreteloszlású részecskehalmaz függvényeit, valamint egy tridiszperz rendszer összeggörbéjét!

23 Az részecske méret (alak) vizsgálati módszerei:
SEM (pásztázó elektronmikroszkópia) TEM (transzmissziós elektronmikroszkópia) HRTEM (nagy felbontású TEM) AFM és STM (atomi-erők- és pásztázó- alagút-mikroszkópia) Ülepítési módszerek (ultracentrifuga) Ozmózis nyomás Fényszórás (dinamikus és sztatikus) Az alak szerepe: aggregáció sebessége, és gélesedés (gélpont), nanoszerkezetű anyagok, bevonatok előállítása. 80 nm-es szilika részecskékre szorbeált 5 nm-es ZnO részecskék, SEM