Highly Efficient Continuous Microreactors for Controlled Synthesis of Nanoscale Particles of Functional Materials (Review)

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The current state and prospects of microreactor synthesis of functional materials in liquid phase – in single- and two-phase flows are analyzed. Microreactors allow fine control over the size, composition, as well as the structure and properties of synthesized particles in co-precipitation processes. In addition, high-quality homogenization of solutions at the molecular/ionic level is also important in the preparation of organometallic compounds, for example, in hydrolysis reactions. The results obtained by various teams give grounds to expect quite extensive possibilities of controlling the processes of nucleation and particle growth in microreactors by controlling pH, concentrations of reagents, quality of micromixing, and residence time in each of the reactor zones – nucleation zone and growth zone. The advantages of microreactor synthesis are demonstrated: high quality of micromixing in the volume of 0.2–0.5 ml, which provides obtaining nanoparticles without impurities (in terms of composition), stoichiometric ratio of atoms in the product, limitation of agglomerates growth due to short residence time (of the order of several milliseconds). The transition to industrial scale is caused by rather high productivity of a single microreactor (up to 10 m3/day for suspension, up to 200–300 kg/d for solid phase). Intensive mixing in microreactors with diameters of 2–4 mm and less, caused by Taylor vortices, contributed to the application of two-phase microreactors for the synthesis of both organic and inorganic substances. For organic compounds, obtaining of which is associated with the formation of explosive products, the use of microreactors has another advantage – diameter of channels can be taken less than critical for this group of substances. It should be noted that in an industrial microreactor several tens of thousands of parallel microchannels can be involved, i.e. the name here is conditioned by the transverse size of channels (about 2–4 mm or less), and the productivity is comparable to that for standard types of chemical equipment.

About the authors

R. Sh Abiev

St. Petersburg State Technological Institute (Technical University)

Author for correspondence.
Email: rufat.abiev@gmail.com

References

  1. Kawase M., Suzuki T., Miura K. Growth mechanism of lanthanum phosphate particles by continuous precipitation //Chem. Eng. Sci. 2007. № 62. P. 4875.
  2. Marchisio D.L., Barresi A.A., Garbero M. Nucleation, growth, and agglomeration in barium sulfate turbulent precipitation // AIChE J. 2002. V. 48. № 9. P. 2039. https://doi.org/10.1002/aic.690480917
  3. Marchisio D.L., Rivautella L., Barresi A.A. Design and scale-up of chemical reactors for nanoparticle precipitation // AIChE J. 2006. V. 52. P. 1877. https://doi.org/10.1002/aic.10786
  4. Patil S., Kate P.R., Deshpande J.B., Kulkarni A.A. Quantitative understanding of nucleation and growth kinetics of silver nanowires// Chem. Eng. J. 2021. V. 414. Iss. 128711, https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.128711
  5. Физическая химия: учебное пособие // Под ред. Бумафоровой Г.В., Галамешовская Ю.Г., Ярошеевский Х.М., Барабанова В.П._ Казань : КНИТУ, Лань, 2012.
  6. Abiev R.S., Alnijasheva O.V., Popkov V.I., Proskurina O.V. Microreactor synthesis of nanosized particles: The role of micromixing, aggregation, and separation processes in heterogeneous nucleation// Chem. Eng. Res. & Des., 2022. V. 178. P. 73.
  7. Falk L., Commenge J.-M. Performance comparison of micromixers// Chem. Eng. Sci. 2010. V. 65. P. 405.
  8. Abiev R.Sh., Makusheva I.V., Mironova A.I. Comparison of hydrodynamics and micromixing quality in two-stage microreactor with intensely swirled flows and in a T-mixer// Chem. Eng. & Proc.: Proc. Intens. 2024. V. 202. Iss. 109829.
  9. Abiev R.Sh., Makusheva I.V. Two-stage microreactor with intensely swirling flows: Comparison of three methods of liquids feeding// Chem. Eng. & Proc.: Proc. Intens. 2024. V. 205. Iss. 109991.
  10. Baldyga J., Bourne J.R. Simplification of micro-mixing calculations: I. Derivation and application of a new model// Chem. Eng. J. 1989. V. 42. P. 83.
  11. Baldyga J., Bourne J.R. Turbulent Mixing and Chemical Reactions. Wiley, Chichester, 1999. 864 p.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».