توضیحات

راکتور هیدروترمال ۲۰۰ سی سی

کلینیک تخصصی علوم ایران با ۲۰ سال سابقه تولید انواع راکتور هیدروترمال | اولین تولید کننده راکتور های پیشرفته  در ایران

۱        مقدمه درباره راکتور هیدروترمال

راکتور هیدروترمال ، یکی از بهترین و ارزان‌ترین تجهیزات آزمایشگاهی است که زمانی که در سنتز مواد به بن‌بست می‌خوریم از آن استفاده می‌کنیم. “هیدروترمال” یک فناوری پیشرفته و کاربردی برای گستره‌ی وسیعی از صنایع شیمیایی است. این فرآیند دارای ریشه زمین‌شناختی است و شرایط حاکم بر سطوح درونی پوسته زمین را جهت اهداف صنعتی شبیه‌سازی و کنترل می‌نماید. فناوری هیدروترمال می‌تواند درزمینهٔ سنتز، رشد، دگرگونی و تبدیل مواد شیمیایی کاربرد داشته باشد. همچنین بسیاری از فرآیندهای دهیدراسیون، تخریب شیمیایی، استخراج و فرآیندهای سونوشیمیایی، مکانوشیمیایی و الکتروشیمیایی، زینترینگ و غیره می‌توانند تحت این فرایند انجام شوند. امروزه بیش از ۹۰ میلیون تن سنگ معدن بوکسیت (حاوی نمک‌های آلومینیوم) با بهره‌گیری از این فناوری مورد استخراج قرار می‌گیرد.[۱]

سنتز هیدروترمال روشی است که به‌طور گسترده برای تولید پودرهای کوچک و ذرات در درجه حرارت بالا، اغلب بالاتر از نقطه‌جوش مایع، استفاده می‌شود.. در چند سال اخیر گروه‌های تحقیقاتی زیادی یا شرکت‌های متعددی تولید نانولوله‌های کربنی را به‌وسیله این روش گزارش کرده‌اند[۲-۵].

این روش بر اساس حرارت دادن واکنشگرها، اغلب نمک‌های فلزی، اکسید، هیدروکسید یا پودر فلز به‌عنوان محلول یا سوسپانسیون درون مایع (معمولاً نه لزوماً آب) در دما و فشار بالا ، تا حدود ۳۰۰ درجه‌ی سانتی گراد و حدود MPa‌۱۰۰ (۱۰۰ برابر فشار سطح دریا) می‌باشد. هسته گذاری و رشد ذرات تحت این شرایط اتفاق می‌افتد که باعث ایجاد نانو اکسیدها ،‌ ذرات فلزی یا غیر اکسیدی با شکل و اندازه‌ی کنترل‌شده می‌شود.

در این روش، به‌طور مستقیم پودرها و ذرات در مقیاس نانو یا زیر میکرو (شامل نانولوله‌های کربنی و کوانتوم دات‌های کلوئیدی) تولید می‌شود و همچنین به‌وسیله‌ی کاهش آلودگی و دمای کم سنتز مشخصه سازی می‌شود.

در سنتز هیدروترمال، تبدیل مواد تحت دما و فشار بالا اتفاق می‌افتد. این روش عمدتاً برای تولید نانو پودرهای با کیفیت بالا استفاده می‌شود[۶-۸].

راکتور هیدروترمال تقریباً می‌توانند در سنتز تمامی ترکیبات معدنی با ساختارهای عنصری، اکسید، سیلیکات، ژرمانات، فسفات، کلکوژناید، نیترید، کربنات و غیره بکار گرفته شود. درزمینهٔ سنتز مواد پیشرفته، بزرگ‌ترین ترکیبات تک بلوری کوارتز [۹](Single-Crystalline Quartz) و زئولیت[۱۰] (Zeolite) تاکنون به‌صورت مصنوعی با فنّاوری هیدروترمال ساخته‌شده‌اند. روش هیدروترمال می‌تواند برای سنتز مواد کاربردی نظیر مواد مغناطیسی، اپتیکی پیزوالکتریک، سرامیک و غیره در مقیاس بالا (تجاری) به‌صورت تک بلوری و چند بلوری (Poly-Crystalline) به کار گرفته شود. تک‌بلورهای ایجادشده با این روش بسیار خالص و بزرگ هستند. پودرهای تهیه‌شده با فرآیند هیدروترمال دارای مزایایی همچون: ذرات مجزا، خلوص بسیار بالا (فاقد آلودگی)، غیر کلوخه‌ای، با مورفولوژی و ترکیب بلوری مشخص (معمولاً تک بلوری) و به‌صورت تک‌پخش (Monodisperse) می‌باشند و به‌راحتی در حلال بازپخش می‌شوند.

 با توجه به طیف گسترده‌ای از واکنش‌هایی که در راکتورهای آزمایشگاهی انجام می‌شوند مانند سنتز انواع نانومواد ، نانو سرامیک ، گرافن ، زئولیت ، مزوپور و ترکیبات کئوردیناسیون ، حس‌گرها و نانو حس‌گرها ، بیو مواد و شیمی پلیمر معدنی و … و عدم وجود و تولید این‌گونه راکتورها در کشور و هزینه بالای واردکردن این محصول عملاً باعث کاهش سرعت رشد درزمینهٔ های تحقیقاتی مذکور و بسیاری از زمینه‌ای تحقیقاتی روز دنیا در کشور شده است . بنابراین ما  سعی کرده‌ایم تا ا راکتورهای هیدروترمال را طراحی و از بهترین مواد در ساخت آن استفاده نماییم تا ازنظر کارایی و کیفیت چیزی کمتر از نمونه خارجی نداشته باشد و پس از آزمایش‌ها متعدد توانسته با موفقیت طراحی و ساخت اولین راکتور را با موفقیت به پایان برساند . این راکتورها باید دارای یک شل بیرونی از جنس فلزی باشند که چند ویژگی مهم داشته باشد که عبارت‌اند از : مقاوم بودن به مواد شیمیایی ، اسیدها ، بازها ، اکسیژن و آب و … ، عدم خاصیت مغناطیسی برای برخی از واکنش‌های خاص ، قابلیت تحمل فشار بالا ،قابلیت تحمل دماهای بالا،  ضریب انبساط پایین و … و همچنین دارای یک شل درونی از جنس تفلون یا پلیمری خاص باشند که علاوه بر عدم واکنش باید تحمل دماها و فشارهای بالا را داشته باشد . پس از مطالعات توانستیم بهترین جنس را برای شل بیرونی و شل درونی انتخاب نماییم و راکتور را طوری طراحی کنیم که مشابه جدیدترین راکتور نمونه خارجی بوده ولی با کارایی بیشتر و دارای برخی از نواقص نمونه‌های خارجی نیست .انتخاب نوع فلز و تفلون با توجه به مطالعات SEM انواع فلزات و تفلون‌ها در محیط‌های RFNA و سایر اسیدها موادخوردنده و بازها و … و میزان انبساط دمایی ، تحمل فشار و حرارت طی آزمایش‌ها گوناگون متخصصین شرکت ، صورت گرفته است. پس از انتخاب مواد اولیه و طراحی قطعه با استفاده از دستگاه‌های CNC و فرز با دقت بالا این راکتورها تراش داده می‌شوند .

  راکتور هیدروترمال و سولوترمال در شیمی کاتالیست ، کریستال ، پلیمر ، نانو ، کئوردیناسیون ، الکتروشیمی و همچنین در سنتزهای بیوشیمی و سایر واکنش‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرد. راکتورهای هیدروترمال برای سنتزهای شیمیایی تحت‌فشار و دمای معین نیز مورداستفاده قرار می‌گیرد. راکتور هیدروترمال در مهندسی محیط ، مهندسی انرژی ، مهندسی مواد و همچنین سایر رشته‌های علمی ، پژوهشی و آزمایشگاهی جهت پژوهش ، مطالعه و آموزش مورداستفاده قرار می‌گیرد.

۱-۱-۱        نکات ایمنی راکتور هیدروترمال

۱- از حلال‌های انفجاری استفاده نشود.

۲- از حلال‌های باقابلیت اشتعال استفاده نشود.

۳- موادی که دارای قابلیت انفجار هستند یا ترکیبشان قابلیت انفجاری دارد نظیر N3 اجتناب شود.

۴- بهترین حلال آب است سعی شود از آن استفاده شود و در حد امکان حلال سمی استفاده نشود.

اگه کوذه سنسور دماش از کار بیافته یا دما به هر دلیلی از دمای ایمنی بالاتر برود امکان انفجار و احتراق وجود دارد در زیر تصاویر تعدادی از راکتور های انفجاری رو میزاریم

۱-۱-۱       روندهای آینده تحقیقات هیدروترمال

فناوری هیدروترمال (خواه هیدروترمال یا سولوترمال یا فوق بحرانی) به دلیل داشتن مزایای چندوجهی در تولید، گستره وسیعی از مواد پیشرفته (از بلورهای توده‌ای تا نانوبلورها و نانوذرات) چشم انداز خوبی دارد. از این فناوری در چند سال گذشته در رشد بلورهای راهبردی مانند GaN، GaPO4،ZnO و … به‌طور چشمگیری استفاده می‌شد. تولید ذرات ریز و نانوذرات به‌عنوآن‌یک ابزار جذاب در حال رشد است. اخیرا مفهوم فناوری هیدروترمال چند انرژی شروع شده است که به دلیل سرعت، هزینه، راحتی و آرام بودن به لحاظ محیطی نقشی حیاتی ایفا می‌کند. برای تولید در مقیاس صنعتی، مواد هیدروترمال فوق بحرانی، به‌خصوص سیال‌های فوق بحرانی O_۲ و H_۲O نقش بزرگ‌تری برای گروه گسترده‌ای از مواد به‌عنوان بخشی از شیمی سبز ایفا می‌کند و در آینده نیز فرایندهایی برای تولید مواد استفاده خواهد شد که دارای خصوصیاتی باشند، مثل عدم اتلاف انرژی، داشتن شرایط محیطی ملایم که منجر به گرم‌شدن جهان نشود. روش فراورش محلول نرم تمامی شرایط بالا را داراست و ابزار توانمندی برای تولید مواد به شمار می‌رود. در روش فراورش محلول نرم، محلول پیش‌ماده مهم است. بسیاری از محققان پیش‌بینی کرده‌اند که ترکیب پلیمریزاسیون سل-ژل با هیدروترمال تحت شرایط ملایم، توانایی زیادی برای تولید مواد دارد؛ مثلا در روشی که یوشیمورا پیشنهاد کرده است، کمپلکس تیتانیوم محلول در آب برای سنتز بروکیت (Brokite) روتیل و آناتاز تحت شرایط هیدروترمال، پایه‌ای برای فرایندهای تولید دوست‌دار محیط زیست خواهد بود. چنین رویکردی نتایج مفیدی برای تولید الکتروسرامیک‌هایی حتی در دمای بالا مانند SrTiO_۳ ، BaTio_۳ و … دارد. همچنین شیمی ژل آلکوکسیدهای فلزی مسیری را برای تهیه پیش‌ماده مواد پیشرفته با روش هیدرو ترمال تهیه می‌کند. از این رو رویکردهای بین رشته‌ای محلول‌های موثر برای راهبردهای آینده تولید مواد خواهد بود که ازنظر محیطی ملایم و ازنظر هزینه موثرند. فناوری هیدروترمال ابزار قدرتمندی در ترکیب با سل-ژل و فرایندهای چند انرژی، حتی برای دستگاه‌های چند جزئی خواهد بود.

۱-۱-۲       نتیجه گیری راکتور هیدروترمال

فناوری هیدروترمال ابزاری قدرتمند در تولید مواد محسوب می‌شود؛ زیرا ازنظر محیطی ملایم و بسیار مناسب برای تولید مواد پیشرفته (از تک بلور توده‌ای تا ذرات خیلی ریز و درنهایت نانوبلور یا نانوذرات) است. فرایندهای بدون ضایعات (Wasteless process)، آینده تولید مواد از لحاظ شرایط محیطی ملایم خواهند بود، بدون این‌که منجر به گرمی زمین شوند. پیشرفت‌ها در شیمی‌فیزیکی و شیمی محلول‌های محیط هیدروترمال که منجر به مدل سازی واکنش‌های هیدروترمال شده است، به مهندسی هوشمند مواد تحت شرایط PT کاهش یافته کمک می‌کند. استفاده از دستگاه‌های چند انرژی مانند میکروموج – هیدروترمال، الکتروشیمی- هیدروترمال، مکانوشیمی – هیدروترمال، صوت- هیدروترمال و … این فناوری را به مسیرهای کاوش نشده در قرن ۲۱ پیش برده است. با اضافه‌شدن انرژی اضافی متغیرها و روابط ترمودینامیکی، سیستم متفاوت و اغلب پیچیده‌تر می‌شود. با استفاده از عامل پوشاننده و عوامل فعال سطحی (surfactant) و سایر مولکول‌های آلی یا زیستی، برای اصلاح سطح این نانو بلورها، خواص فیزیکی-شیمیایی مورد دلخواه به دست می‌آید. ترکیب فناوری هیدروترمال و فناوری نانو می‌تواند پاسخ مشکلات موجود در تولید مواد پیشرفته در قرن ۲۱ را بدهد، همچنین ترکیب پلیمریزاسیون سل-ژل و هیدروترمال، توانایی زیادی در تولید تحت شرایط ملایم مواد دارد. تمامی این مزایا برای فناوری هیدروترمال چشم انداز امیدوارکننده‌ای را در قرن ۲۱ برای تولید مواد پیشرفته ارائه می‌کند.

۱-۲     واکنش‌های سولوترمال: مسیری اصلی برای سنتز مواد جدید

۲۰ سال پس از اولین پیشرفت واکنش‌های سولوترمال، پیگیری تمایلات آینده و توانمندی‌های این روش، مهم به نظر می‌رسد. در طول ۲۰ سال گذشته، از واکنش‌های سولوترمال برای تهیه میکرو-نانوذرات با مورفولوژی‌های مختلف استفاده می‌شده است. واکنش‌های سولترمال با شاخص‌های شیمیایی مختلف (ماهیت واکنشگر و حلال) و شاخص‌های ترمودینامیکی (به‌خصوص دما، فشار) شناخته می‌شوند. الف) انتخاب ترکیب حلال، حیطه تحقیقاتی جدیدی را برای پایدارکردن طبقات مختلفی از مواد از قبیل آلیاژها، اکسیدها، نیتریدها، سولفیدها و … بازکرده است؛ ب) شرایط دمایی ملایم که می‌تواند نفوذ شیمیایی و واکنش پذیری را بهبود بخشد تا اینکه به تهیه مواد ویژه در مرز بین طبقات مختلف موادی از قبیل مواد آلی (اکسیدها، نیتریدها، هالیدها و غیره) یا آلی-معدنی، معدنی-زیستی کمک کند؛ ج) شرایط فشار بالا، به دلیل انتقال کم انرژی در مقایسه با دما، اجازه می‌دهد که مواد نیمه پایدار نوین (مواد الهام گرفته از زمین یا طبیعت (Geo-inxpired ox bio- inspired) را ایجادکنیم؛ د) به دلیلی اهمیت توسعه تحقیقات پایه‌ای و کاربردهای صنعتی مواد، این مقاله بر توانمندی فرآیند سولوترمال در ساخت مواد، تمرکز می‌کند.

۱-۲-۱        مقدمه

فرایند سولوترمال را می‌توان به‌عنوان واکنش‌های شیمیایی در محیط بسته در حضور حلال (محلول آبی یا غیر آبی) و دمای بالاتر از نقطه‌جوش چنین حلالی تعریف کرد. متعاقبا، فرایند سولوترمال شامل فشار بالا نیز است. دمای انتخابی (حوزه زیر یا فوق بحرانی) بستگی به واکنش مورد نیاز برای به دست آوردن ماده هدف دارد. در مورد محلول‌های آبی به‌عنوان حلال، فناوری هیدروترمال مورد مطالعه قرار گرفته است که منجر به توسعه اهداف مختلف زیر شده است:

الف) استخراج مواد معدنی، تحقیق روی ساخت مواد زمین‌شناختی؛ ب) شرایط دمایی ملایم، قادر است نفوذ شیمیایی و واکنش‌پذیری را بهبود بخشد تا این‌که به تهیه مواد ویژه در مرز بین مواد گوناگون از قبیل آلی/معدنی، معدنی/زیستی و غیره کمک کند؛ ج) ساخت مواد جدید؛ د) رشد بلور، به‌خصوص ساخت استادانه تک بلور α-کوارتز به دلیل خواص پیزوالکتری‌اش؛ و) بهبود فرایند زینتر کردن تحت شرایط ملایم؛ ز) ساخت ذرات ریز با اندازه و مورفولوژی‌های مختلف.

فرایندهیدروترمال-به دلیل ماهیت شیمیایی آب به‌عنوان حلال – بیشتر در تهیه هیدروکسیدها، اکسی هیدروکسیدها یا اکسیدها مناسب است. توسعه مواد غیر اکسیدی (به‌خصوص نیتریدها، کالگوگنیدها و غیره) نیازمند توسعه فرایندهای جدیدی است که حلال‌های غیر آبی را در بر می‌گیرد. علاقه به مواد غیر اکسیدی منجر به توسعه واکنش‌های سولوترمال برای تهیه مواد جدید یا تنظیم فرایندهای جدیدی شده است که منجر به تولید مواد نانوساختار می‌شود. واکنش‌های شیمیایی در حلال (آبی یا غیر آبی) تحت شرایط فشار بالا و دمای ملایم (دامنه زیر یا فوق بحرانی حلال) برای توسعه شیمی و علم مواد (به‌خصوص برای فناوری نانو) ظاهراً امیدوارکننده به نظر می‌رسد.

۱-۲-۲       شاخص‌های اصلی حاکم بر واکنش‌های سولوترمال

دو نوع شاخص در واکنش‌های سولوترمال نقش دارد:

۱ – شاخص‌های شیمیایی؛ ۲ -شاخص‌های دینامیکی.

جدول زیر ارتباط بین شاخص‌ها و واکنش‌های سولوترمال را نشان می‌دهد.

 

جدول ‏۲‑۴: شاخص‌های کلیدی موثر در واکنش‌های سولوترمال

۱-۲-۲-۱     شاخص‌های شیمیایی

در این قسمت باید دو شاخص ماهیت واکنش‌گر و ماهیت حلال، در نظر گرفته شود. با کنترل غلظت پیش‌ماده می‌توان شکل‌های مختلفی از ماده هدف را تهیه کرد. وانگ و همکاران با روش سولوترمال شکل‌های مختلف بلور CdSe وCdTe (کروی، میله‌ای، غیره) را با کنترل غلظت پیش‌ماده‌ها تهیه کرده‌اند .

انتخاب حلال نیز از طریق کنترل سازوکار واکنش می‌تواند نقشی کلیدی در تولید ماده هدف داشته باشد؛ به‌عنوان‌مثال لی و همکارانش از Cu_۷Te_۴ با CuCl_۲.H_۲Oو تلوریوم به‌عنوان واکنش‌گر، و اتیلن دی آمین به‌عنوان حلال استفاده کرده‌اند. با استفاده از شرایط آزمایش مشابه و تغییر ماهیت حلال (بنزن و دی اتیل آمین)، تلوریوم نمی‌تواند با کلرید مس واکنش دهد و درنتیجه تلورید مس تولید نخواهد شد، دلیل این موضوع، می‌تواند مربوط به عدم قطبیت حلال بنزن باشد. علاوه بر این خاصیت کمپلکس‌شوندگی حلال می‌تواند نقش مهمی در سازوکار واکنش داشته باشد؛ مثلا تشکیل کمپلکس‌های حد واسط پایدار_۳(M(en یا M(en)_۲ به‌عنوان تمپلیت هشت وجهی و مسطح مربع می‌تواند مورفولوژی و ساختار محصول نهایی را تحت تأثیر قرار دهد. از این دسته، می‌توان ساخت نانوساختار گل مانند ZnO را از گرماکافت کمپلکس روی-اتیلن دی آمین به کمک هگزا متیلن تترا آمین (HMTA) به‌وسیله ژانگ دانگ جو مثال زد.

شکل ‏۲‑۲۰: ساختارهای گل مانند اکسید روی. الف) عکس با بزرگ نمایی پایین؛ ب) خوشه گل‌های ZnOج) گل‌هایی با پدال‌های چندگانه؛ د) گل مجزا با پدال‌های تک لایه.

در بعضی موارد تشکیل کمپلکس-کاتیون، مرحله حد واسطه مهم در طول سازوکار واکنش سولوترمال به شمار می‌رود. ساخت CuInSe_۲ با استفاده از InCl_۳،CuCl_۲ و Se در حلال اتیلن دی آمین (en) یا دی اتیل آمین در دمای ۱۸۰ درجه سانتیگراد می‌تواند از این دسته باشد. ساز وکار واکنش پیشنهادی شامل چهار مرحله زیر است:

حمله هسته‌دوستی گروه آمینی موجود در حلال، می‌تواند سلنیوم را به^–Se^۲ تبدیل کند و باعث فعال شدن Se شود؛ همچنان که سولفور نیز می‌تواند در محیط en به^–S^۲تبدیل شود.

ظاهرا تشکیل کمپلکس+ Cu(en)_۲نقش مهمی در کنتزل هسته‌زایی و رشد نانوالیاف‌های تک بلور (Nano whisker) CuInSe_۲دارد. با جایگزین کردن اتیلن دی آمین به اتیلن آمین به‌عنوان حلال، واکنش پذیری کم می‌شود و مورفولوژی محصول به ذرات کروی CuInSe_۲ تغییر می‌کند. خواص شیمی-فیزیکی حلال انتخابی، می‌تواند در جهت‌دهی ساختار فازی محصول نهایی تأثیر داشته باشد. لو و همکاران گزارش کردند که ساخت MnS در محیط حلال‌های گوناگون می‌تواند منجر به فاز نیمه پایدار (MnS-γ-β) یا شکل پایدار (MnS-α) شود. با استفاده از ازMnCl_۲.4H_۲O و تیو اوره (SC(NH_۲)_۲) به‌عنوان واکنشگر و حلال آب یا اتیلن دی آمین، ساختار پایدار (MnS-α) به دست می‌آید. با مواد اولیه مشابه بالا و حلال بنزن ساختار ورتزیت (MnS-γ) تهیه می‌شود و با تتراهیدروفوران (THF)، ساختار بلاند روی (MnS-β)مشاهده می‌شود. تشکیل فاز پایدار MnS-α)) حضور آب یا en می‌تواند مربوط به تشکیل کمپلکسر ⁺Mn(H_۲O)_۶^۲ یا⁺Mn(H_۲O)_۳^۲ در طول واکنش باشد. اختلاف مشاهده شده بین بنزن و THF، پیشنهاد می‌کند که حلال غیر قطبی(C_۶H_۶) برای پایداری شکل ورتزیت (MnS- γ) تناسب بیشتری دارد [۶]. خواص اکسایش-کاهش محیط سولوترمال در طول واکنش می‌تواند با ماهیت حلال، بر محصول نهایی تأثیر بگذارد؛ مثال بارز این قسمت، تولید سولوترمال نانومیله (Sb(V)O_۴ Sb(III از پودر Sb_۲O_۵است. در دمای مشابه ۲۰۰ درجه سانتی‌گراد، اگر زمان واکنش یک روز باشد؛ نانومیله Sb(III) Sb(V)O_۴تشکیل می‌شود؛ اما بعد از سه روز فقط ذرات فلزی Sb )آنتیموان) ایجاد می‌شود که این مشاهده به خاصیت کاهندگی اتیلن دی آمین برمی‌گردد[۱۶].

ساخت نانوذرات در محیط‌های غیر همگون دو فازی و یا محلول‌های مخلوط همگون، نیز می‌تواند بر مورفولوژی محصول تأثیر بگذارد. اخیرا، گروه هانگ یو، نانوساختارهای جدید گل مانند، سیم مانند، درخت مانند CdS و CdSe را با استفاده از روش سولوترمال و کنترل نسبت دی اتیلن تری آمین ((DETA و آب دی‌یونیزه (DIW) گزارش کرده‌اند[۱۷].

۱-۲-۳        شاخص‌های تومودینامیکی

این شاخص‌ها عبارتند از: دما، فشار و زمان.

دما و فشار در اکثر موارد حلالیت را بهبود می‌بخشد. افزایش این شاخص‌ها افزایش غلظت پیش‌ماده را در حلال القا می‌کند که این خود به فرایند رشد (به‌خصوص میکرو یا نانوبلورها) کمک می‌کند. آنالیز جزئی فاکتورهای اساسی واکنش‌های سولوترمال، مشخص می‌کند که ماهیت حلال انتخاب شده به‌خصوص در کنترل ساز و کار واکنش، نقشی کلیدی ایفا می‌کند.

۱-۲-۴        انواع واکنش‌های درگیر در فوایند سولوترمال و هیدروترمال

واکنش‌های سولوترمال و هیدروترمال را می‌توان به پنج دسته تقسیم کنیم:

۱) اکسایش-کاهش؛ ۲) هیدرولیز؛ ۳) گرما کافت؛ ۴) تشکیل کمپلکس؛ ۵) واکنش‌های metathesis.  توسعه این واکنش‌های گوناگون بر کنترل دقیق شیمی حلال‌های غیر آبی و به دست آوردن اطلاعات بیشتر از خواص فیزیکی-شیمیایی این حلال‌ها اشاره دارد.

۱-۲-۵       کاربردهای اصلی فرایند سولوتومال

واکنش‌های سولوترمال در حوزه‌های گوناگون علمی توسعه داده شده است:

– ساخت مواد جدید (طراحی مواد با ساختار و خواص ویژه)؛

– تولید مواد عاملی (ظاهرشده در سنتز شیمی)؛

– رشد بلور در دمای کم (روشی برای تک بلور با حداقل چگالی نقص‌های بلوری)؛

– تهیه میکرو یا نانوبلورها با اندازه و مورفولوژی‌های مختلف (به‌عنوان پیبش ماده سرامیک‌ها با ساختار ریز، کاتالیزور، عناصر نانوابزارها و …)؛

– زینتر کردن در دمای پایین (تهیه سرامیک‌ها از شکل ساختار نیمه پایدار یا مواد آمورف)؛

– ساخت لایه نازک (با توسعه فرایندهای دما پایین).

۱-۲-۶        توسعه فرایندهای جدید در تهیه نانوبلورهای عاملی

در طول ۱۵ سال گذشته، دو ویژگی مهم نیرو، محرکی برای فعالیت‌های تحقیقاتی شده است:

– تحقیق روی دستگاه‌های غیر اکسیدی به دلیل خواص فیزیکی آن‌ها؛

– توسعه فناوری نانو و مطالعه ارتباط بین اندازه و مورفولوژی و خواص فیزیکی آن‌ها.

در طول ۱۵ سال گذشته تحقیق روی نانوساختارهای ویژه (به‌خصوص تک بعدی) مثل نانولوله، نانومیله و نانوسیم توسعه یافته است. توانمندی واکنش‌های سولوترمال برای تهیه نانوساختارها به‌طور ویژه‌ای برای مواد مختلف از قبیل اکسیدها، کالگوژنیدها، نیتریدها، کاربیدها، فسفیدها، فلزات و مواد بین فلزی و … مورد تحقیق قرار گرفته است. روش سولوترمال برای نانوساختارهای اکسیدی مثل باریم تیتانات، به دلیل کاربرد در سرامیک‌های دی الکتریک Fe_۲O_۳-α، TiO_۲وA=Ca,Sr,Ba) La_۱-x A_xMnO_۳)به‌عنوان پیگمانت یا کاتالیست [۱۸]، Mn_۲O_۴-y Li_۱-xیا LiV_۲O_۵-γ به‌عنوان الکترود برای باتری‌های لیتیومی ، PbCrO_۴ و اکسیدهای مغناطیس یک بعدی برای کاربردهای نوری ، ZnO به دلیل خواص الکتریکی، نوری پیزوالکتریک استفاده می‌شود. روش سولوترمال برای تهیه نانوساختارهای کالگوژنید (به ویژه سولفیدها یا تلوریدها) به دلیل حیطه وسیع کاربردهای آن (به‌عنوان‌مثال (A=Na,k)AInSe_۲ Cu_۲SnS_۳ , ZnS,Fe1-XS, SnS NiS, CdS ) توسعه یافته است  و فلوئوریدهای مختلف مثل M=Mg,Zn) KM^۲+Fз یا M=Ni) سنتزشده است. نیتریدها از قبیل، CrN ،AlN،GaN،InN،ZrN،CuзN،VN به دلیل کاربردهای گوناگون آن بسیار مورد استقبال واقع شده است.

همچنین، نانومواد مختلف مثل کاربیدها : Mo_۲C,B_۴C، فسفیدها  Ni_۲P، Cu_۳P، CO_۲P یا TiP ؛ بوریدها  TiB_۲؛ با روش سولوترمال مورد تحقیق قرار گرفته است. سنتزسولوترمال نانوبلورها با مورفولوژی نانولوله در طول چند سال اخیر، به‌خصوص نانولوله کربنی ، نانولوله بیسموت، نانولوله تلوریوم ، به دلیل کاربردهای ویژه این مورفولوژی توسعه داده شده است. ظاهرا واکنش‌های سولوترمال روشی امیدوارکننده برای پایدارکردن کلاسترهای مولکولی جدید به شمار می‌رود.

۱-۲-۷        نتیجه گیری سولوترمال

واکنش‌های سولوترمال به نظر می‌رسد که در سنتز مواد جدید، ذرات نانوساختار، اهمیت داشته باشد. به دلیل وجود گستره وسیعی از حلال‌های مختلف یا مخلوط حلال‌هایی که می‌تواند مورداستفاده قرار گیرد و واکنش‌های القایی گوناگون، متناسب با طبیعت واکنش‌گر و ترکیب شیمیایی حلال، روش سولوترمال می‌تواند در توسعه فرایندهای صنعتی با شرایط دمایی و فشاری ملایم مهم باشد. به هر حال چنین توسعه‌ای نیاز به بهبود اطلاعات ما از خواص شیمی-فیزیکی حلال‌های غیر آبی تحت شرایط دما و فشارهای مختلف دارد.

۱        : نحوه ساخت و طراحی راکتور هیدروترمال

چندین نوع راکتور هیدروترمال در واکنش‌های شیمیایی مورداستفاده قرار می‌گیرد که در زیر به آنها اشاره می‌کنیم :

• راکتور هیدروترمال ss با شل داخلی PTFE
• راکتور هیدروترمال ss یا شل داخلی PPP
• راکتور هیدروترمال ss بدون شل داخلی
• راکتور هیدروترمال ss با شل داخلی PTFE و سیستم حرارت دهی و کنترل دما
• راکتور هیدروترمال ss یا شل داخلی PPP  و سیستم حرارت دهی و کنترل دما
• راکتور هیدروترمال ss بدون شل داخلی  و سیستم حرارت دهی و کنترل دما
• راکتور هیدروترمال ss با شل داخلی PTFE و سیستم حرارت دهی و کنترل دما  و کنترل فشار
• راکتور هیدروترمال ss یا شل داخلی PPP  و سیستم حرارت دهی و کنترل دما و کنترل فشار
• راکتور هیدروترمال ss بدون شل داخلی  و سیستم حرارت دهی و کنترل دما و کنترل فشار

تمامی راکتورهای بالا با بدنه تیتانیومی نیز ساخته می‌شوند. در حالت کلی چندین نوع مواد اولیه برای شل بیرونی راکتور مورداستفاده قرار می‌گیرد که عبارت‌اند از استیل ۴۲۰ ، استیل ۳۰۴ و استیل ۳۱۶ ، تیتانیوم. که در این بین بهترین سیستم برای راکتورها برای سنتز نانومواد با خاصیت مغناطیسی همان استیل ۳۱۶ می باشد. تقلن داخلی از جنس PTFE نهایتا تا دمای ۲۸۰ درجه در برابر دما مقاوم است و PPP تا دمای ۳۵۰ درجه در برابر حرارت مقاوم است. جهت دستایابی به دمای بالاتر جهت سنتزهای خاص باید تفلن داخلی حذف شود و خود بدنه آب بندی گردد. در زیر تصاویر از انواع راکتورها را مشاهده می کنید.

شکل ‏۳‑۱ : راکتور هیدروترمال با بدنه استیل مقاوم تا دمای ۲۸۰ درجه سانتی پایه  و شل داخلی PTFE

شکل ‏۳‑۲: کوره ی افقی جهت قرار گیری راکتورهای هیدروترمال بدون سیستم گرمایشی

شکل ‏۳‑۳: سیستم کنترل دما همراه باهمزن مغناطیسی برای راکتورهای هیدروترمال

شکل ‏۳‑۴: محفظه ضد انفجار برای راکتورهای هیدروترمال با فشار بالا

شکل ‏۳‑۵: راکتور هیدروترمال دارای فشارسنج آنالوگ

شکل ‏۳‑۶:راکتور هیدروترمال با سیستم کنترل دما و فشار و کوره مخصوص جهت گرامادهی

شکل ‏۳‑۷:نمایی از راکتور هیدروترمال بدون شل داخلی PTFE

شکل ‏۳‑۸ : نمایی از راکتور هیدروترمال با شل داخلی ppp مقاوم تا ۳۵۰ درجه سانتی پایه

شکل ‏۳‑۹: معرفی قسمت های مختلف از راکتور هیدروترمال

۱-۱     مزیت های راکتور هیدروترمال طراحی شده :

• محدوده ی دمایی ۲۰۰- تا ۲۸۰ درجه سانتی پایه
• پخش یکنواخت دما
• ضد خاصیت مغناطیسی جهت انجام واکنش‌های خاص
• سرعت انتقال دما تا ۵ درجه سانتی پایه بر دقیقه
• ساختار منطقی ، بدون مواد سازنده خطرناک ، بدون آلودگی محیط زیست با تضمین ایمنی
• بدنه استیل ضد زنگ ، ضد اسید ، ضد خوردگی ، بدون خاصیت مغناطیسی
• بدنه داخلی PTFE  ، ضد زنگ ، ضد اسید ، ضد باز ، ضد مواد شیمیایی ، ضد خوردگی
• طول عمر بسیار بالا ، قیمت پایین

۱-۲     مزیت نسبت به نمونه خارجی

• قیمت پایین تر نسبت به نمونه خارجی (کمتر از یک چهارم)| ارزآوری مستقیم
• پخش یکنواخت دما
• دارا بودن سه نوع شل داخلی برای واکنش‌های مختلف
• دما و فشار کاری بالاتر (دمای ۲۸۰ درجه و فشار بالا)
• قابلیت طراحی در همه ابعاد ، همه حجم ها متناسب با نیاز های داخلی

در زیر قیمت نمونه‌های خارجی و نمونه تولیدی ما را مشاهده می نمایید:

نام محصول	قیمت نمونه خارجی (یورو)	قیمت فروش شرکت
راکتور هیدروترمال ۵۰ میلی لیتر	۴۰۰ یورو	۵۰۰۰۰۰۰ تومان
راکتور هیدروترمال ۱۰۰ میلی لیتر	۷۰۰ یورو	۶۰۰۰۰۰۰ تومان
راکتور هیدروترمال  ۲۰۰ میلی لیتر	۱۰۰۰ یورو	–
راکتور هیدروترمال ۱۰۰ میلی لیتر با کنترال دما و فشار ، سرامیکی	۹۰۰۰۰ یورو

–۱-۳     مشخصات راکتور تولیدی

• ویژگی ها :
• محدوده ی دمایی ۲۰۰- تا ۲۸۰ درجه سانتی پایه
• پخش یکنواخت دما
• ضد خاصیت مغناطیسی جهت انجام واکنش‌های خاص
• ساختار منطقی ، بدون مواد سازنده خطرناک ، بدون آلودگی محیط زیست با تضمین ایمنی همراه با محفظه ضد انفجار
• بدنه استیل ضد زنگ ، ضد اسید ، ضد خوردگی ، بدون خاصیت مغناطیسی
• بدنه داخلی PTFE  ، ضد زنگ ، ضد اسید ، ضد باز ، ضد مواد شیمیایی ، ضد خوردگی
• طول عمر بسیار بالا ، قیمت پایین
• عدم وجود نمونه داخلی