Krystallisering: hva det består av, metode for separasjon, typer og eksempler

Krystallisering er en prosess der et fast stoff dannes med atomer eller molekyler i organiserte strukturer, som kalles krystallinske nettverk. Krystaller og krystallinske nettverk kan dannes ved utfelling av en løsning, ved fusjon og i noen tilfeller ved direkte avsetning av en gass.

Strukturen og naturen til dette krystallinske nettverket vil avhenge av forholdene under hvilke prosessen skjer, inkludert tiden som er gått for å nå denne nye tilstanden. Krystallisering som en separasjonsprosess er ekstremt nyttig, siden det tillater å sikre at strukturer kun oppnås fra den ønskede forbindelse.

I tillegg garanterer denne prosessen at passasje av andre arter ikke vil bli tillatt gitt krystallets bestilte natur, noe som gjør denne metoden til et utmerket alternativ for rensing av løsninger. Mange ganger i kjemi og kjemisk prosjektering er det nødvendig å bruke en prosess for separering av blandinger.

Dette behovet genereres enten for å øke renheten av blandingen eller for å oppnå en spesifikk komponent derav, og av denne grunn er det forskjellige metoder som kan benyttes avhengig av fasene der denne kombinasjonen av stoffer er funnet.

Hva er krystallisering?

Krystallisering krever to trinn som må skje før det kan være krystallinsk nettverksdannelse. For det første må det være nok opphopning av atomer eller molekyler på mikroskopisk nivå for den såkalte kjernebildningen begynner å forekomme.

Denne fase av krystallisering kan bare skje i superkjølte væsker (det vil si avkjølt under frysepunktet uten å gjøre dem faste) eller overmettet oppløsninger.

Etter begynnelse av kjernen i systemet, kan kjernene dannes tilstrekkelig stabile og store nok til å begynne den andre fasen av krystallisering: krystallinsk vekst.

nucleation

I dette første trinn bestemmes arrangementene av partiklene som vil danne krystallene, og virkningene av miljøfaktorene på de dannede krystaller observeres; for eksempel, den tid det tar for den første krystall å vises, kalt kjernetiden.

Det er to stadier av nukleasjon: primær og sekundær nukleasjon. I det første dannes nye kjerner når det ikke finnes andre krystaller i midten, eller når de andre eksisterende krystallene ikke har noen effekt på dannelsen av disse.

Den primære kjernen kan være homogen, der det ikke er noen innflytelse på den delen av faste stoffer som er tilstede i mediet; eller det kan være heterogent, hvor de faste partiklene av eksterne stoffer fører til en økning i nukleasjonshastigheten som normalt ikke ville oppstå.

I sekundærnukleasjon dannes nye krystaller ved påvirkning av andre eksisterende krystaller; Dette kan oppstå på grunn av kuttingskrefter som forårsaker segmenter av eksisterende krystaller for å bli nye krystaller som også vokser i egen takt.

Denne typen kjernekraft fordeler seg i systemer med høy energi eller strøm, hvor væsken involverer genererer kollisjoner mellom krystaller.

Krystallvekst

Det er prosessen der krystallet øker størrelsen ved aggregering av flere molekyler eller ioner til interstitialposisjonene i sin krystallgitter.

I motsetning til væsker vokser krystaller bare jevnt når molekyler eller ioner går inn i disse posisjonene, selv om deres form vil avhenge av innholdet av forbindelsen i spørsmålet. Eventuelle uregelmessige arrangementer til denne strukturen kalles en krystallfeil.

Veksten av en krystall avhenger av en rekke faktorer, blant annet overflate spenningen av løsningen, trykk, temperatur, relativ hastighet av krystaller i løsningen og Reynolds tall, blant andre.

Den enkleste måten å sikre at en krystall vokser til større størrelser og at den er av høy renhet, er gjennom en kontrollert og langsom avkjøling, som forhindrer krystallene til å danne på kort tid og at fremmede stoffer er fanget inne. dem.

I tillegg er det viktig å merke seg at små krystaller er mye vanskeligere å manipulere, lagre og flytte, og det koster mer å filtrere dem fra en løsning enn de større. I de aller fleste tilfeller vil de største krystallene være den mest ønskede, av disse og flere grunner.

Som en separasjonsmetode

Behovet for rensing av løsninger er vanlig innen kjemi og kjemisk prosjektering, da det kan være nødvendig å få et produkt som er homogent blandet med et eller annet oppløst stoff.

Derfor er utstyr og metoder utviklet for å utføre krystallisering som en industriell separasjonsprosess.

Det er forskjellige nivåer av krystallisering, avhengig av kravene, og kan utføres i liten eller stor skala. Derfor kan den deles inn i to generelle klassifikasjoner:

rekrystallisering

Det kalles omkrystallisering til teknikken som brukes til å rense kjemikalier i mindre skala, vanligvis i et laboratorium.

Dette gjøres med en oppløsning av den ønskede forbindelse sammen med dets urenheter i et egnet løsningsmiddel, hvorved man forsøker å utfelle noen av de to artene i form av krystaller og deretter fjernes.

Det er flere måter å omkrystallisere løsningene, blant annet omkrystallisering med et løsningsmiddel, med flere oppløsningsmidler eller med varm filtrering.

-En enkelt løsningsmiddel

Når man bruker et enkelt løsningsmiddel, fremstilles en oppløsning av forbindelse "A", urenhet "B" og den minste nødvendige mengde løsningsmiddel (ved høy temperatur) for å danne en mettet løsning.

Oppløsningen avkjøles deretter, hvilket gjør at begge forbindelsene løsner, og forbindelsen "A" eller urenhet "B" omkrystalliseres. Det som er ideelt ønsket er at krystallene er av ren "A" -forbindelse. Tilsetning av en kjerne kan være nødvendig for å starte denne prosessen, noe som til og med kan være et fragment av glass.

-Various løsningsmidler

Ved omkrystallisering av flere oppløsningsmidler anvendes to eller flere oppløsningsmidler, og den samme prosess utføres som med et løsningsmiddel. Denne prosessen har fordelen at forbindelsen eller urenheten vil utfelle mens det andre løsningsmidlet tilsettes, siden de ikke er oppløselige i det. I denne omkrystalliseringsmetoden er det ikke nødvendig å varme opp blandingen.

-Filterende varmt

Endelig anvendes omkrystallisering med varm filtrering når det er uoppløselig materiale "C", som fjernes med et høytemperaturfilter etter å ha gjort samme fremgangsmåte for omkrystallisering av et enkelt løsningsmiddel.

På industriområdet

På industriområdet er det ønskelig å utføre en prosess som kalles fraksjonert krystallisering, som er en metode som forfiner stoffene i henhold til deres løselighetsforskjeller.

Disse prosessene ligner omkrystallisering, men bruker forskjellige teknologier for å håndtere større mengder produkt.

To metoder blir anvendt, som vil bli bedre forklart i følgende utsagn: krystallisering ved avkjøling og krystallisering ved fordampning.

Å være i stor skala genererer denne prosessen avfall, men disse blir vanligvis resirkulert av systemet for å sikre absolutt renhet av sluttproduktet.

Typer av krystallisering

Det er to typer storskala krystallisering, som angitt ovenfor: ved avkjøling og ved fordamping. Hybrid systemer er også opprettet, der begge fenomenene oppstår samtidig.

Krystallisering ved avkjøling

I denne metoden avkjøles oppløsningen for å redusere oppløseligheten av den ønskede forbindelse, forårsaker at den starter utfelling ved den ønskede hastighet.

Ved kjemisk prosessering eller prosessering brukes krystallisatorer i form av tanker med blandere som sirkulerer kjølevæsker i rom som omgir blandingen, slik at begge stoffene ikke kommer i kontakt mens varmeoverføring fra kjølemiddel til oppløsning skjer.

For å fjerne krystallene, brukes skraper, som skyver de faste fragmentene i en grop.

Krystallisering ved fordampning

Dette er det andre alternativet for å oppnå nedbør av de oppløste krystaller, ved bruk av en oppløsningsmiddelfordampningsprosess (ved konstant temperatur, i motsetning til tidligere metode) for å gjøre konsentrasjonen av oppløsningsmiddel over nivået av oppløselighet.

De vanligste modellene er de såkalte tvungen sirkulasjonsmodellene, som holder væsken av krystaller i en homogen suspensjon gjennom tanken, styrer deres strømning og hastighet og genererer vanligvis større gjennomsnittlige krystaller enn de som dannes i krystallisasjonen ved avkjøling.