Sintesi di nano polveri di LiF

Questa sintesi mi ha permesso di ottenere delle polveri di LiF con la possibilità  di controllarne le dimensioni    in un ampio range.  Seguendo la procedura da me usata è possibile ottenere polveri di LiF con dimensione delle particelle, variabili  da 5µm a 25nm.

Il controllo dimensionale viene effettuato:

-  variando la concentrazione di una soluzione di LiOH in acqua da 20 a 200 g/l, alle concentrazioni più elevata corrispondono polveri più sottili

-  con il controllo del pH della soluzione (da 12 a 2,2) a pH basico si ottengono particelle  più grosse

-  variando la temperatura della soluzione (da 5 a 75 ºC) a temperatura più elevata corrispondono polveri più sottili

- una robusta agitazione effettuata  con agitatore magnetico contribuisce ad ottenere polveri più sottili.

Per altri particolari leggere: The effect of precipitation parameters on preparation of lithium fluoride (LiF) nano-powder

Reagenti usati:

- LiOH.H₂O Merck

- HF 48% D 1,16 Kg/l  Prolabo

- cartine indicatrici per la misura del pH

Attrezzature usate:

- bicchiere in teflon, contenitori vari in plastica

- agitatore magnetico

- termometro con bulbo inox

- forno a microonde

Procedura

In questa preparazione bisogna tener presente l’alto grado di tossicità dell’ acido fluoridrico e la sua capacità di provocare gravi  ustioni da contatto, la preparazione va fatta sotto cappa od all’ aperto usando guanti ed occhiali protettivi, l’ acido fluoridrico va pesato su becker di teflon o plastica resistente e versato lentamente a piccole porzioni, per evitare schizzi,  nel contenitore della soluzione di LiOH posta sotto agitazione.

la reazione che avviene  in  questa preparazione è la seguente:

LiOH.H₂O + HF --------> LiF +2H₂O

Non avendo a disposizione una cappa ho optato per fare le principali operazioni all’aperto. Sotto l’agitatore con contenitore in plastica sistemato su un tavolino

Ho sciolto 10,49g. di LiOH.H₂O in 60  ml di H₂0, corrispondente ad una concentrazione di 174 g/l, e messo il tutto in contenitore plastico sotto agitazione, in un bicchiere di teflon ho pesato quindi 13 g  di HF 48% (la quantità stechiometrica per questa preparazione era di 10,15 g, ne ho usato in eccesso per raggiungere un pH acido che mi permette di ottenere particelle più piccole) e versato lentamente il tutto nel contenitore, la reazione è esotermica ed alla fine la temperatura raggiunta dalla soluzione è di 43 ºC

La polvere di LiF precipita subito sul fondo del vaso in plastica. Il LiF ha una scarsissima solubilità in H₂0 e quindi viene quasi completamente recuperato come precipitato, il pH della soluzione è 2.

Ho aggiunto un po’ d’acqua e trasferito il tutto su 2 bicchieri trasparenti in plastica e lasciato decantare sino a che il supernatante è diventato limpido, quindi con una siringa in plastica ho aspirato tutto il supernatante  che va poi eliminato, ho aggiunto altra acqua rimescolando con una spatola in acciaio inox e  lasciato decantare, questa operazione va ripetuta più volte sino a che con le cartine leggo un pH di 5 – 6, sotto alcune immagini di queste operazioni.

Non è possibile in questa preparazione usare un buchner con filtro di carta, perché data la presenza di nano particelle queste passerebbero tranquillamente attraverso al filtro.

Una volta che tramite queste operazioni è stato eliminato quasi del  tutto l’ HF in soluzione non resta che  raccogliere il sedimento per portarlo a secco.

Per questa operazione  ho usato un forno a  microonde.

Quella dell’ uso  del microonde per asciugare o rendere anidri sali di vario tipo è un modo di lavoro molto rapido ma si può applicare solo in questi 2 casi:

-il sale deve essere elettricamente non conduttore e non deve assorbire le microonde

-la temperatura di ebollizione -  decomposizione  del sale deve essere nettamente superiore a quella di ebollizione dell’ acqua.

Ho trasferito tutto il sedimento di LiF in un piattino di plastica (era un coperchio), da non usare per questa operazione  nemmeno un piatto in vetro o ceramica perchè si avrebbe un contaminazione da silicio. Ho impostato il microonde alla sua potenza più bassa 200W  e tempo di irradiazione 30 sec.

Dopo i primi 30 sec ho controllato il grado di evaporazione e proceduto  con un ulteriore ciclo sino a che il sale è completamente secco, con  questo sistema si è eliminata completamente l’acqua  contenuta nel sale ed  ogni traccia di HF residuo.                                                           

E’ importante usare un piattino, la superficie di liquido irradiata deve essere il più ampia possibile con altezza del liquido minima , questo per evitare schizzi e violente ebollizioni durante il riscaldamento

Vi sono alcuni inconvenienti che si possono verificare usando questo metodo.

Se la potenza del microonde è eccessiva si può avere un’ evaporazione troppo rapida, in questo caso, se un’eccessiva quantità di vapore acqueo ristagna sul soffitto del forno, si può avere formazione di plasma con scariche elettriche nella parte alta del forno, visibili e riconoscibili dal rumore caratteristico:” crr, crr, crack, crack”,  per evitarle basta erogare meno potenza e stabilire cicli di funzionamento più brevi.

Quando il sale è completamente secco inutile insistere con il riscaldamento l’energia  generata dal magnetron del forno non trovando più molecole d’ acqua che l’assorbono tornerebbe indietro surriscaldando il magnetron e questo a lungo andare potrebbe anche danneggiarlo.

Sotto le immagini della polvere di LiF ottenuta, in tutto 5,20 g.

Per quando riguarda le dimensioni delle nano particelle non avendo accesso ad un microscopio elettronico a scansione, SEM,  facendo riferimento al lavoro di: R. Sarraf-Mamoory et al.

ed alle condizoni di lavoro da me usate dovrei aver ottenuto polveri nel range 25 – 100 nm.

Sotto una brutta foto del LiF fatta con microscopio USB a 500X

Naturalmente non si vede niente, l’osservazione fatta ad un microscopio tradizionale da gli stessi risultati,  questo comunque fa capire che siamo sotto al limite di risoluzione del microscopio ottico, 0,2 µm.

Bibliografia:

- The Effect of Precipitation Parameters on Preparation of Lithium Fluoride (LiF) Nano-powder

 E sull’ uso del forno a microonde in chimica:

- www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1878535211000189Microwave chemistry: Effect of ions on dielectric heating in microwave ovens

- www.researchgate.net/publication/287525987_Alternative_drying_of_sodium_sulfate_decahydrate_Na2SO_410H2O_with_microwave_energyAlternative drying of sodium sulfate decahydrate (Na2SO 4·10H2O) with microwave energy

Fa sempre piacere vedere qualche nuovo lavoro.

Una domanda: per l'asciugatura del prodotto finito è indispensabile l'utilizzo del forno a microonde oppure si possono utilizzare tecniche alternative tipo una normale piastra elettrica o un essiccatore?

Lo chiedo in quanto l'uso di un forno a microonde in questi casi rappresenta sempre una fonte di rischio in più come hai giustamente sottolineato e per ragioni di sicurezza se possibile è conveniente utilizzare sistemi magari più lenti ma altrettanto efficaci.

Vedi se poi riesci ad avere accesso a qualche strumento elettronico in grado di farci vedere questi piccoli cubetti... 

Un saluto

Luigi

luigi_67 ha scritto:

Fa sempre piacere vedere qualche nuovo lavoro.

Una domanda: per l'asciugatura del prodotto finito è indispensabile l'utilizzo del forno a microonde oppure si possono utilizzare tecniche alternative tipo una normale piastra elettrica o un essiccatore?

Lo chiedo in quanto l'uso di un forno a microonde in questi casi rappresenta sempre una fonte di rischio in più come hai giustamente sottolineato e per ragioni di sicurezza se possibile è conveniente utilizzare sistemi magari più lenti ma altrettanto efficaci.

Vedi se poi riesci ad avere accesso a qualche strumento elettronico in grado di farci vedere questi piccoli cubetti... 

Un saluto

Luigi

Accontentandosi di tempi più lunghi si può asciugare anche con una piastra elettrica o meglio in un essicatore, da notare che una volta tolta dal micronde la polvere di LiF l'ho messa proprio in un' essicatore. Il  problema della piastra elettrica è che non puoi metterci sopra un recipente di plastica e ovviamente niente contenitori di vetro o ceramica meglio un contenitore in acciaio inox. La migliore soluzione alternativa e di usare un stufa di quelle che si usano in laboratorio per asciugare la vetreria a 60 ºC

Per quanto riguarda qualche bella foto di microscopia quella è proprio da escludere ormai sono parecchi anni che sono in pensione ed anche le persone che conoscevo ormai si sono tutte ritirate, dove lavoravo, avevamo un microscopio elettronico, sino al 2007 avrei potuto farlo ma oggi le cose sono cambiate, questa è la vita!

Saluti Claudio