Mineraliserare
Syftet med en mineraliserare är att underlätta transporten av olösligt "näringsämne" till en frökristall med hjälp av en reversibel kemisk reaktion . Med tiden ackumulerar frökristallen det material som en gång fanns i näringsämnet och växer. Mineraliserare är tillsatser som underlättar solubiliseringen av det fasta näringsämnet. När mineraliserare används i små mängder fungerar de som katalysatorer. Vanligtvis kristalliseras ett mer stabilt fast ämne från en lösning som består av ett mindre stabilt fast ämne och ett lösningsmedel. Processen görs genom upplösning-utfällning eller kristallisationsprocess.
Hydrotermisk tillväxt involverar kristallisation av ett löst fast ämne vid förhöjda temperaturer. Ofta är höga tryck inblandade. Historiskt sett var målet med hydrotermisk tillväxt att odla stora kristaller. På grund av den senaste utvecklingen inom nanoteknik är små nanokristaller nu önskade och tillverkade av hydrotermisk tillväxt med kristallstorlek kontrollerad av mineraliserare. Olika mineraliseringsmedel resulterar i kristaller av olika storlekar och former. mineraliseringsmedel är hydroxider ( NaOH , KOH , LiOH ), karbonater ( Na2CO3 ) , NaF ) och halogenider ( , KF , LiF , NaCl , KCl LiCl .
Katjoneffekter
Även om mineraliseringsmedlets anjon vanligtvis är mest aktiv för att lösa upp näringsmaterialet, utövar katjonen också ett inflytande i vissa fall. Mineraliseraren kan interagera med föroreningar på kristallens yta och öka tillväxthastigheten. Till exempel är tillväxthastigheten för safir (Al 2 O 3 ) och zincit (ZnO) i kaliumhaltig lösning (KOH, K 2 CO 3 ) högre jämfört med den i natriumhaltig lösning (NaOH, Na 2 CO 3 ) ). Denna skillnad är inte lätt att förstå, men tillskrivs interaktionen mellan kalium och en förorening som absorberas på ytan.
Ansökningar
Syntes av kvarts
Grundläggande mineraliseringsmedel som NaOH eller Na 2 CO 3 används vid hydrotermisk tillväxt av kvartskristaller . Prekursorn eller näringsämnet är krossad kiseldioxid och ett lösningsmedel. Typiska behållare är gjorda av lufttäta stålcylindrar som kallas autoklaver som tål hög temperatur och tryck. När det gäller kvartskristaller värms behållaren till 300 °C (vilket ger ett tryck på 140 MPA). Utan mineraliseraren krävs högre temperaturer för att solubilisera kiseldioxid. Hydroxider och karbonater gör kiseldioxid mer löslig genom att bilda vattenlösliga natriumsilikater. Förenklade ekvationer kan representeras som
- SiO 2 + 2 NaOH → Na 2 SiO 3 + H 2 O
- SiO 2 + Na 2 CO 3 → Na 2 SiO 3 + CO 2
Vattenfritt natriumsilikat är en kedjepolymerisk anjon som består av hörndelade SiO 4 -tetraedrar. Hydrat bildas med formeln Na 2 SiO 3 •nH 2 O som innehåller den diskreta, ungefär tetraedriska anjonen SiO 2 (OH) 2 2− med hydratiseringsvatten . I tredimensionellt kiselglas orsakar tillsatsen av natriumjoner syrejoner bildade en bro, dessa syrejoner har en effektiv negativ laddning. De positivt laddade natriumjonerna ger delvis kovalent och delvis jonisk struktur. När koncentrationen av Na + ökar binds joniskt bundet material samman och bildar så småningom ett nätverk av kontinuerliga kanaler. När kiseldioxiden är solubiliserad överförs komponenter i näringsämnet till frökristallen, som hålls vid en svalare temperatur än näringsämnet, vilket resulterar i en kvartskristall med hög renhet.
Syntes av zeoliter
Hydroxidmineraliseringsmedel används också för att kontrollera aluminiumoxid/kiseldioxidförhållandet av zeoliter . Ett typiskt recept för framställning av en zeolit inkluderar mineraliseringsmedlet, lösningsmedlet, frökristallen, ett näringsämne bestående av kiseldioxid (SiO 2 ) och aluminiumoxid (Al 2 O 3 ) och en mall. Mallar är katjoner som styr polymerisationen av de anjoniska byggstenarna för att bilda en viss zeolitstruktur. Olika schablonkatjoner leder till olika zeolitstrukturer. Typiska mallar inkluderar tetrametylammonium (TMA), natrium (Na + ) och kalium (K + ). Olika zeoliter kan också bildas genom att ändra förhållandet mellan näringskällan, typen av mineraliserare eller reaktionens temperatur och pH. Vid högt pH bildas zeoliter med hög aluminiumoxidhalt, eftersom hydroxider förhindrar kiseldioxidens förmåga att kondensera och oligomerisera genom reaktionen som visas ovan. Vid lägre pH gynnas zeoliter med hög kiseldioxidhalt.