Krystalizacja: z czego składa się metoda separacji, rodzaje i przykłady

Krystalizacja jest procesem, w którym ciało stałe tworzy się z atomów lub cząsteczek w zorganizowanych strukturach, nazywanych sieciami krystalicznymi. Kryształy i sieci krystaliczne mogą powstawać poprzez wytrącanie się roztworu, przez fuzję, aw niektórych przypadkach przez bezpośrednie osadzanie gazu.

Struktura i charakter tej sieci krystalicznej będzie zależeć od warunków, w jakich proces się odbywa, w tym czasu, jaki upłynął do osiągnięcia tego nowego stanu. Krystalizacja jako proces rozdzielania jest niezwykle przydatna, ponieważ pozwala zapewnić, że struktury uzyskuje się tylko z pożądanego związku.

Ponadto proces ten gwarantuje, że przejście innych gatunków nie będzie dozwolone, biorąc pod uwagę uporządkowaną naturę kryształu, dzięki czemu ta metoda jest doskonałą alternatywą dla oczyszczania roztworów. Wielokrotnie w chemii i inżynierii chemicznej konieczne jest zastosowanie procesu rozdzielania mieszanin.

Ta potrzeba jest generowana albo w celu zwiększenia czystości mieszaniny albo w celu uzyskania określonego jej składnika, iz tego powodu istnieją różne metody, które można stosować w zależności od faz, w których ta kombinacja substancji jest znaleziona.

Czym jest krystalizacja?

Krystalizacja wymaga dwóch etapów, które muszą nastąpić zanim powstanie sieć krystaliczna: po pierwsze, musi istnieć wystarczająca akumulacja atomów lub cząsteczek na poziomie mikroskopowym, aby tak zwane zarodkowanie zaczęło się pojawiać.

Ten etap krystalizacji może zachodzić tylko w przechłodzonych płynach (to znaczy schłodzonych poniżej ich temperatury zamarzania bez tworzenia ich w stanie stałym) lub roztworów przesyconych.

Po rozpoczęciu zarodkowania w układzie, jądra mogą być utworzone wystarczająco stabilne i wystarczająco duże, aby rozpocząć drugi etap krystalizacji: wzrost krystaliczny.

Nukleacja

W tym pierwszym etapie określa się rozmieszczenie cząstek, które będą tworzyć kryształy i obserwuje się wpływ czynników środowiskowych na utworzone kryształy; na przykład czas potrzebny na pojawienie się pierwszego kryształu, zwany czasem zarodkowania.

Istnieją dwa etapy zarodkowania: pierwotne i wtórne zarodkowanie. W pierwszym powstają nowe jądra, gdy w środku nie ma innych kryształów lub gdy inne istniejące kryształy nie mają wpływu na ich tworzenie.

Pierwotne zarodkowanie może być jednorodne, w którym nie ma wpływu na część ciał stałych obecnych w ośrodku; lub może być niejednorodny, gdzie cząstki stałe substancji zewnętrznych powodują wzrost szybkości zarodkowania, który normalnie nie wystąpiłby.

W nukleacji wtórnej powstają nowe kryształy pod wpływem innych istniejących kryształów; Może to nastąpić z powodu sił skrawania, które powodują, że segmenty istniejących kryształów stają się nowymi kryształami, które również rosną we własnym tempie.

Ten rodzaj nukleacji jest korzystny w systemach o dużej energii lub przepływie, w których zaangażowany płyn generuje zderzenia między kryształami.

Wzrost kryształów

Jest to proces, w którym kryształ zwiększa swój rozmiar poprzez agregację większej liczby cząsteczek lub jonów do pozycji międzywęzłowych jego sieci krystalicznej.

W przeciwieństwie do płynów, kryształy rosną równomiernie tylko wtedy, gdy cząsteczki lub jony wchodzą do tych pozycji, chociaż ich kształt będzie zależał od charakteru danego związku. Każde nieregularne rozmieszczenie w tej strukturze nazywane jest defektem kryształu.

Wzrost kryształu zależy od szeregu czynników, wśród których są między innymi napięcie powierzchniowe roztworu, ciśnienie, temperatura, względna prędkość kryształów w roztworze i liczba Reynoldsa.

Najprostszym sposobem zapewnienia, że kryształ rośnie do większych rozmiarów i ma wysoką czystość, jest kontrolowane i powolne chłodzenie, które zapobiega tworzeniu się kryształów w krótkim czasie i uwięzieniu obcych substancji. im.

Ponadto ważne jest, aby pamiętać, że małe kryształy są znacznie trudniejsze do manipulowania, przechowywania i przenoszenia, a filtrowanie ich z rozwiązania kosztuje więcej niż większe. W większości przypadków największe kryształy będą najbardziej pożądane z tych i innych powodów.

Jako metoda separacji

Potrzeba oczyszczania roztworów jest powszechna w chemii i inżynierii chemicznej, ponieważ może być konieczne uzyskanie produktu, który jest jednorodnie zmieszany z inną lub inną rozpuszczoną substancją.

Dlatego opracowano sprzęt i metody do prowadzenia krystalizacji jako procesu separacji przemysłowej.

Istnieją różne poziomy krystalizacji, w zależności od wymagań i mogą być przeprowadzane na małą lub dużą skalę. Dlatego można go podzielić na dwie ogólne klasyfikacje:

Rekrystalizacja

Nazywa się to rekrystalizacją do techniki, która jest stosowana do oczyszczania chemikaliów na mniejszą skalę, zwykle w laboratorium.

Dokonuje się tego za pomocą roztworu pożądanego związku wraz z jego zanieczyszczeniami w odpowiednim rozpuszczalniku, starając się w ten sposób wytrącić niektóre z dwóch gatunków w postaci kryształów, a następnie usunąć.

Istnieje kilka sposobów rekrystalizacji roztworów, wśród nich rekrystalizacja z rozpuszczalnika, z kilkoma rozpuszczalnikami lub z filtracją na gorąco.

- Pojedynczy rozpuszczalnik

Gdy stosuje się pojedynczy rozpuszczalnik, roztwór związku „A”, zanieczyszczenie „B” i minimalną wymaganą ilość rozpuszczalnika (w wysokiej temperaturze) wytwarza się z wytworzeniem nasyconego roztworu.

Następnie roztwór chłodzi się, powodując spadek rozpuszczalności obu związków i rekrystalizację związku „A” lub zanieczyszczenia „B”. Idealnie pożądane jest, aby kryształy były czystego związku „A”. Dodanie rdzenia może być konieczne do rozpoczęcia tego procesu, który może być nawet fragmentem szkła.

-Różne rozpuszczalniki

Przy rekrystalizacji kilku rozpuszczalników stosuje się dwa lub więcej rozpuszczalników i ten sam proces prowadzi się jak w przypadku rozpuszczalnika. Proces ten ma tę zaletę, że związek lub zanieczyszczenie wytrąci się podczas dodawania drugiego rozpuszczalnika, ponieważ nie są w nim rozpuszczalne. W tej metodzie rekrystalizacji nie jest konieczne ogrzewanie mieszaniny.

-Filtrowanie na gorąco

Na koniec, rekrystalizację z filtracją na gorąco stosuje się, gdy występuje substancja nierozpuszczalna „C”, która jest usuwana za pomocą filtra wysokotemperaturowego po wykonaniu tej samej procedury rekrystalizacji pojedynczego rozpuszczalnika.

W dziedzinie przemysłu

W dziedzinie przemysłu pożądane jest przeprowadzenie procesu zwanego krystalizacją frakcyjną, który jest metodą, która oczyszcza substancje zgodnie z ich różnicami w rozpuszczalności.

Procesy te przypominają procesy rekrystalizacji, ale wykorzystują różne technologie do obsługi większych ilości produktu.

Stosuje się dwie metody, które będą lepiej wyjaśnione w następującym stwierdzeniu: krystalizacja przez chłodzenie i krystalizację przez odparowanie.

Proces ten na dużą skalę generuje odpady, ale zazwyczaj są one recyrkulowane przez system, aby zapewnić absolutną czystość produktu końcowego.

Rodzaje krystalizacji

Istnieją dwa rodzaje krystalizacji na dużą skalę, jak wspomniano powyżej: przez chłodzenie i odparowanie. Stworzono również systemy hybrydowe, w których oba zjawiska występują jednocześnie.

Krystalizacja przez chłodzenie

W tej metodzie roztwór chłodzi się, aby zmniejszyć rozpuszczalność pożądanego związku, powodując jego wytrącanie z pożądaną szybkością.

W inżynierii chemicznej (lub procesowej) krystalizatory są stosowane w postaci zbiorników z mieszalnikami, które krążą płyny chłodzące w przedziałach otaczających mieszaninę, tak że obie substancje nie wchodzą w kontakt, podczas gdy następuje transfer ciepła z czynnika chłodniczego do roztworu.

Aby usunąć kryształy, stosuje się skrobaki, które wciskają stałe fragmenty do dołu.

Krystalizacja przez odparowanie

Jest to inna opcja, aby osiągnąć strącanie kryształów substancji rozpuszczonej, wykorzystując proces odparowania rozpuszczalnika (w stałej temperaturze, w przeciwieństwie do poprzedniej metody), aby stężenie substancji rozpuszczonej przekraczało poziom rozpuszczalności.

Najpowszechniejszymi modelami są tak zwane modele z wymuszoną cyrkulacją, które utrzymują ług kryształów w jednorodnej zawiesinie w zbiorniku, kontrolując ich przepływ i prędkość, i zwykle wytwarzają większe średnie kryształy niż te utworzone podczas krystalizacji przez chłodzenie.