Continuous production of iron oxide nanoparticles via fast and economical high temperature synthesis

文献情報

出版日 2020-07-06
DOI 10.1039/D0RE00078G
インパクトファクター 4.239
著者

Maximilian O. Besenhard, Alec P. LaGrow, Simone Famiani, Martina Pucciarelli, Paola Lettieri, Asterios Gavriilidis


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要旨

From all of the iron oxide nanoparticle (IONP) syntheses, thermal decomposition methods are the most developed for controlling particle properties, but suffer from poor reproducibility at larger scale. An alternative solution for large scale production is continuous synthesis, where the production volume can be increased with longer operation times. However, continuous thermal decomposition synthesis is not trivial as it requires oxygen and water removal from the precursor solution, reaction temperatures above 230 °C, and the formation of particles is likely to cause reactor fouling. This work presents a continuous thermal decomposition synthesis of IONPs using a tubular flow reactor, which provides inert reaction conditions at temperatures of up to 290 °C, and heating/cooling at rates which cannot be achieved in standard batch systems. This makes it possible to define the start and endpoint accurately, hence, allowing for a well-controlled and scalable thermal decomposition synthesis. A simple synthetic protocol was chosen using only ferric acetylacetonate, oleylamine, and 1-octadecene as a solvent, but no additives to minimise costs. In this flow reactor residence times of less than 10 min were shown to be sufficient to synthesise monodisperse IONPs of 5–7 nm and achieve precursor conversion between 10–70% depending on the reaction temperature. For all synthesis conditions tested, there was no indication of reactor fouling. Since the precursor conversion correlated to the residence time and reaction temperature, but particle sizes were comparable for all reaction conditions studied, the particle formation is proposed to follow mechanisms other than classical nucleation and growth. To examine possible economic advantages of such a continuous thermal decomposition process as compared to a conventional batch synthesis, a cost analysis, comparing costs assigned to chemicals, reactor equipment, energy and labour, was performed.

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Reaction Chemistry & Engineering

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Reaction Chemistry & Engineering is an interdisciplinary journal reporting cutting-edge research focused on enhancing the understanding and efficiency of reactions. Reaction engineering leverages the interface where fundamental molecular chemistry meets chemical engineering and technology. Challenges in chemistry can be overcome by the application of new technologies, while engineers may find improved solutions for process development from the latest developments in reaction chemistry. Reaction Chemistry & Engineering is a unique forum for researchers whose interests span the broad areas of chemical engineering and chemical sciences to come together in solving problems of importance to wider society. All papers should be written to be approachable by readers across the engineering and chemical sciences. Papers that consider multiple scales, from the laboratory up to and including plant scale, are particularly encouraged.

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