Kristalizacija: ką sudaro, atskyrimo metodas, tipai ir pavyzdžiai

Kristalizacija yra procesas, kuriame kietos medžiagos yra suformuotos su atomais arba molekulėmis organizuotose struktūrose, kurios vadinamos kristaliniais tinklais. Kristalai ir kristaliniai tinklai gali būti susidarę nusodinant tirpalą, suliejant ir kai kuriais atvejais tiesioginiu dujų nusodinimu.

Šio kristalinio tinklo struktūra ir pobūdis priklausys nuo sąlygų, kuriomis vyksta procesas, įskaitant laiką, per kurį pasiekta ši nauja būsena. Kristalizacija kaip atskyrimo procesas yra labai naudinga, nes ji leidžia užtikrinti, kad konstrukcijos būtų gautos tik iš norimo junginio.

Be to, šis procesas garantuoja, kad kitų rūšių žuvys nebus leistinos, atsižvelgiant į užsakytos kristalų pobūdį, todėl šis metodas yra puiki alternatyva tirpalų valymui. Chemijos ir chemijos inžinerijos srityje daug kartų būtina naudoti mišinių atskyrimo procesą.

Šis poreikis sukuriamas arba siekiant padidinti mišinio grynumą arba gauti konkretų jo komponentą, todėl yra įvairių metodų, kurie gali būti naudojami priklausomai nuo fazių, kuriuose randamas šis cheminių medžiagų derinys.

Kas yra kristalizacija?

Kristalizacijai reikalingi du etapai, kurie turi įvykti prieš kristalinio tinklo formavimąsi: pirma, turi būti pakankamas atomų ar molekulių kaupimasis mikroskopiniame lygyje, kad būtų galima pradėti vadinamąją branduolį.

Šis kristalizacijos etapas gali vykti tik peršaldytuose skysčiuose (tai yra, atšaldyti žemiau jų užšalimo taško, nepadarant jų kietų) arba perpildyti tirpalai.

Pradėjus brandinti sistemą, branduoliai gali būti pakankamai stabilūs ir pakankamai dideli, kad galėtų pradėti antrąjį kristalizacijos etapą: kristalinį augimą.

Nuklydimas

Šiame pirmajame etape nustatomi kristalų susidarymo dalelių išdėstymai ir stebimi aplinkos veiksnių poveikiai susidariusiems kristalams; pavyzdžiui, laikas, kurio reikia, kad pasirodytų pirmasis kristalas, vadinamas brandinimo laiku.

Yra du brandinimo etapai: pirminis ir antrinis nukrypimas. Pirmajame lygyje susidaro nauji branduoliai, kai viduryje nėra kitų kristalų, arba kai kiti esami kristalai neturi įtakos jų susidarymui.

Pirminis branduolys gali būti homogeniškas, kuriame nėra jokios įtakos terpėje esančių kietųjų dalelių daliai; arba ji gali būti nevienalytė, kai išorinių medžiagų kietosios dalelės padidina nukrypimo greitį, kuris paprastai nebūtų.

Antrinio brandinimo metu nauji kristalai susidaro dėl kitų esamų kristalų poveikio; Tai gali įvykti dėl pjovimo jėgų, dėl kurių esamų kristalų segmentai tampa naujais kristalais, kurie taip pat auga savaime.

Tokio tipo nukrypimo nauda yra didelės energijos ar srauto sistemose, kur susidarantis skystis sukelia susidūrimus tarp kristalų.

Kristalų augimas

Procesas, kurio metu kristalas padidina jo dydį, kaupdamas daugiau molekulių arba jonų su jo kristalinės grotelės intersticinėmis pozicijomis.

Skirtingai nuo skysčių, kristalai vienodai auga, kai molekulės ar jonai patenka į šias pozicijas, nors jų forma priklausys nuo atitinkamo junginio pobūdžio. Bet koks neteisėtas šios struktūros išdėstymas vadinamas krištolo defektu.

Kristalų augimas priklauso nuo daugelio veiksnių, tarp kurių yra tirpalo paviršiaus įtampa, slėgis, temperatūra, santykinis kristalų greitis tirpale ir Reynolds skaičius, be kita ko.

Paprasčiausias būdas užtikrinti, kad kristalas išaugtų iki didesnių dydžių ir kad jis yra labai grynas, yra kontroliuojamas ir lėtas aušinimas, kuris neleidžia kristalams susidaryti per trumpą laiką ir kad svetimos medžiagos yra įstrigusios. juos.

Be to, svarbu pažymėti, kad smulkius kristalus yra daug sunkiau manipuliuoti, saugoti ir perkelti, o jų filtravimas iš tirpalo yra didesnis nei didesnių. Daugeliu atvejų didžiausi kristalai bus labiausiai pageidaujami dėl šių ir daugiau priežasčių.

Kaip atskyrimo metodas

Chemijos ir chemijos inžinerijos srityje dažnai reikia išspręsti tirpalus, nes gali prireikti gauti produktą, kuris yra homogeniškai sumaišytas su kita ar kita ištirpusia medžiaga.

Štai kodėl buvo sukurta įranga ir metodai kristalizacijai atlikti kaip pramoninio atskyrimo procesas.

Yra skirtingi kristalizacijos lygiai, priklausomai nuo reikalavimų, ir gali būti atliekami nedideliu ar dideliu mastu. Todėl jis gali būti suskirstytas į dvi bendras klasifikacijas:

Rekristalizacija

Jis vadinamas rekristalizavimu į techniką, kuri naudojama cheminėms medžiagoms valyti mažesniu mastu, paprastai laboratorijoje.

Tai daroma su pageidaujamo junginio tirpalu ir jo priemaišomis tinkamame tirpiklyje, tokiu būdu stengiantis nusodinti kai kurias iš dviejų rūšių kristalų pavidalu ir tada pašalinti.

Yra keli būdai, kaip iš naujo kristalizuoti tirpalus, tarp kurių yra perkristalinimas tirpikliu, keliais tirpikliais arba karštu filtravimu.

- Vienas tirpiklis

Naudojant vieną tirpiklį, paruošiamas junginys "A", priemaiša "B" ir minimalus reikalingas tirpiklio kiekis (esant aukštai temperatūrai), kad susidarytų prisotintas tirpalas.

Po to tirpalas atšaldomas, todėl abiejų junginių tirpumas sumažėja, o junginys "A" arba priemaiša "B" turi būti rekristalizuotas. Idealiai pageidautina, kad kristalai būtų gryno A junginio. Šiam procesui pradėti gali reikėti papildyti branduolį, kuris gali būti netgi stiklo fragmentas.

- Įvairūs tirpikliai

Rekristalizuojant kelis tirpiklius, naudojami du arba daugiau tirpiklių, ir tas pats procesas atliekamas kaip ir tirpiklyje. Šis procesas turi pranašumą, nes junginys arba priemaiša nusodins, kai bus pridėtas antrasis tirpiklis, nes jie nėra tirpūs joje. Šiuo perkristalinimo metodu mišinio kaitinti nebūtina.

- Filtruoti karštą

Galiausiai, perkristalinti karštu filtravimu, kai yra netirpių medžiagų "C", kuri pašalinama aukšto temperatūros filtru po to, kai atliksite tą pačią vieno tirpiklio perkristalinimo procedūrą.

Pramonės srityje

Pramonės srityje pageidautina atlikti procesą, vadinamą frakciniu kristalizavimu, kuris yra būdas, kuris rafinuoja medžiagas pagal jų tirpumo skirtumus.

Šie procesai yra panašūs į rekristalizacijos procesus, tačiau naudoja skirtingas technologijas, kad būtų galima tvarkyti didesnius produktų kiekius.

Taikomi du metodai, kurie bus geriau paaiškinti toliau pateiktame teiginyje: kristalizavimas vėsinant ir kristalizuojant garinant.

Kadangi šis procesas yra plataus masto, jis generuoja atliekas, tačiau jas paprastai recirkuliuoja sistema, kad užtikrintų absoliutų galutinio produkto grynumą.

Kristalizacijos tipai

Yra du didelio masto kristalizacijos tipai, kaip nurodyta pirmiau: aušinimo ir garavimo būdu. Sukurtos ir hibridinės sistemos, kuriose abu reiškiniai atsiranda vienu metu.

Kristalizacija vėsinant

Šiuo metodu tirpalas atšaldomas, kad sumažėtų norimo junginio tirpumas, todėl jis pradeda nusodinti norimu greičiu.

Chemijos (arba procesų) inžinerijos metu kristalizatoriai naudojami talpyklose su maišytuvais, kurie cirkuliuoja aušinimo skysčius skyriuose, supančiuose mišinį, kad abi medžiagos nesiliestų, kai šiluma perduodama iš šaltnešio į tirpalą.

Norėdami pašalinti kristalus, naudojami skreperiai, kurie kietus fragmentus stumia į duobę.

Kristalizacija garinant

Tai yra dar viena galimybė pasiekti tirpių kristalų nusodinimą, naudojant tirpiklio garavimo procesą (esant pastoviai temperatūrai, skirtingai nei ankstesnis metodas), kad tirpios medžiagos koncentracija viršytų tirpumo lygį.

Dažniausiai pasitaikantys modeliai yra vadinamieji priverstinės apyvartos modeliai, kuriuose kristalų skystis išlaikomas vienalytėje suspensijoje per rezervuarą, kontroliuojant jų srautą ir greitį, ir paprastai generuojami didesni vidutiniai kristalai nei kristalizacijos metu. aušinant.