การตกผลึก: สิ่งที่ประกอบด้วยวิธีการแยกประเภทและตัวอย่าง

การตกผลึก เป็นกระบวนการที่ของแข็งถูกสร้างขึ้นด้วยอะตอมหรือโมเลกุลในโครงสร้างที่เป็นระเบียบซึ่งเรียกว่าเครือข่ายผลึก ผลึกและเครือข่ายผลึกสามารถเกิดขึ้นได้จากการตกตะกอนของสารละลายโดยฟิวชั่นและในบางกรณีโดยการทับถมโดยตรงของก๊าซ

โครงสร้างและลักษณะของเครือข่ายผลึกนี้จะขึ้นอยู่กับเงื่อนไขที่กระบวนการเกิดขึ้นรวมถึงเวลาที่ผ่านไปถึงสถานะใหม่นี้ การตกผลึกเป็นกระบวนการแยกมีประโยชน์อย่างยิ่งเนื่องจากช่วยให้มั่นใจได้ว่าโครงสร้างจะได้รับจากสารประกอบที่ต้องการเท่านั้น

นอกจากนี้กระบวนการนี้รับประกันว่าเส้นทางของสายพันธุ์อื่นจะไม่ได้รับอนุญาตตามธรรมชาติของคริสตัลทำให้วิธีนี้เป็นทางเลือกที่ยอดเยี่ยมสำหรับการทำให้บริสุทธิ์ของการแก้ปัญหา หลายครั้งในวิชาเคมีและวิศวกรรมเคมีจำเป็นต้องใช้กระบวนการแยกสารผสม

ความต้องการนี้ถูกสร้างขึ้นเพื่อเพิ่มความบริสุทธิ์ของส่วนผสมหรือเพื่อให้ได้องค์ประกอบเฉพาะและด้วยเหตุนี้จึงมีวิธีการต่าง ๆ ที่สามารถใช้ได้ขึ้นอยู่กับขั้นตอนที่พบการรวมกันของสาร

การตกผลึกคืออะไร?

การตกผลึกต้องใช้สองขั้นตอนที่จะต้องเกิดขึ้นก่อนที่จะมีการก่อตัวของเครือข่ายผลึก: ขั้นแรกจะต้องมีการสะสมของอะตอมหรือโมเลกุลที่เพียงพอในระดับกล้องจุลทรรศน์สำหรับนิวเคลียสที่เรียกว่าเริ่มเกิดขึ้น

ขั้นตอนการตกผลึกนี้สามารถเกิดขึ้นได้ในของเหลวที่เย็นสบายเท่านั้น (นั่นคือทำให้เย็นลงต่ำกว่าจุดเยือกแข็งของพวกเขาโดยไม่ทำให้มันแข็งตัว) หรือสารละลายที่อิ่มตัว

หลังจากเริ่มต้นนิวเคลียสในระบบนิวเคลียสสามารถเกิดขึ้นอย่างมั่นคงและใหญ่พอที่จะเริ่มขั้นตอนที่สองของการตกผลึก: การเติบโตของผลึก

นิวเคลียส

ในขั้นตอนแรกนี้จะมีการพิจารณาการจัดเรียงของอนุภาคที่จะก่อตัวเป็นผลึกและผลกระทบของปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมต่อการเกิดผลึกขึ้น ตัวอย่างเช่นเวลาที่ใช้ในการแสดงผลึกแรกเรียกว่าเวลา nucleation

มีสองขั้นตอนของนิวเคลียส: นิวเคลียสหลักและรอง ในตอนแรกนิวเคลียสใหม่จะเกิดขึ้นเมื่อไม่มีผลึกอื่น ๆ อยู่ตรงกลางหรือเมื่อผลึกที่มีอยู่อื่นไม่มีผลต่อการก่อตัวของสิ่งเหล่านี้

นิวเคลียสปฐมภูมิสามารถเป็นเนื้อเดียวกันซึ่งไม่มีอิทธิพลในส่วนของของแข็งที่มีอยู่ในสื่อ; หรืออาจแตกต่างกันซึ่งอนุภาคของแข็งของสารภายนอกทำให้เกิดการเพิ่มขึ้นของอัตราการเกิดนิวเคลียสซึ่งปกติจะไม่เกิดขึ้น

ในนิวเคลียสที่สองผลึกใหม่เกิดขึ้นจากอิทธิพลของผลึกที่มีอยู่อื่น สิ่งนี้สามารถเกิดขึ้นได้เนื่องจากแรงตัดที่ทำให้ส่วนของผลึกที่มีอยู่กลายเป็นผลึกใหม่ที่เติบโตในอัตราของตัวเอง

ประเภทของนิวเคลียสนี้มีประโยชน์ในระบบพลังงานสูงหรือการไหลซึ่งของเหลวที่เกี่ยวข้องจะสร้างการชนกันระหว่างผลึก

การเจริญเติบโตของคริสตัล

มันเป็นกระบวนการที่ผลึกเพิ่มขนาดโดยการรวมโมเลกุลหรือไอออนมากขึ้นไปยังตำแหน่งคั่นระหว่างหน้าของตาข่ายคริสตัล

คริสตัลจะเติบโตอย่างสม่ำเสมอเมื่อโมเลกุลหรือไอออนเข้าสู่ตำแหน่งเหล่านี้แม้ว่ารูปร่างจะขึ้นอยู่กับลักษณะของสารประกอบที่สงสัย การจัดเรียงที่ผิดปกติใด ๆ กับโครงสร้างนี้เรียกว่าข้อบกพร่องคริสตัล

การเติบโตของผลึกขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการซึ่ง ได้แก่ ความตึงผิวของสารละลายความดันอุณหภูมิความเร็วสัมพัทธ์ของผลึกในสารละลายและจำนวนเรย์โนลด์ส

วิธีที่ง่ายที่สุดเพื่อให้แน่ใจว่าคริสตัลจะมีขนาดใหญ่ขึ้นและมีความบริสุทธิ์สูงคือผ่านการควบคุมความเย็นและช้าซึ่งป้องกันไม่ให้ผลึกเกิดขึ้นในเวลาอันสั้นและมีสิ่งแปลกปลอมติดอยู่ภายใน พวกเขา

นอกจากนี้สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าผลึกขนาดเล็กนั้นยากต่อการจัดการจัดเก็บและเคลื่อนย้ายและค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการกรองพวกมันออกจากสารละลายมากกว่าผลึกขนาดใหญ่ ในกรณีส่วนใหญ่คริสตัลที่ใหญ่ที่สุดจะเป็นที่ต้องการมากที่สุดด้วยเหตุผลเหล่านี้และอีกมากมาย

เป็นวิธีการแยก

ความจำเป็นในการชำระล้างสารละลายเป็นเรื่องธรรมดาในสาขาเคมีและวิศวกรรมเคมีเนื่องจากอาจจำเป็นต้องได้รับผลิตภัณฑ์ที่ผสมกันกับสารอื่นหรือสารละลายอื่น ๆ

นี่คือเหตุผลที่อุปกรณ์และวิธีการได้รับการพัฒนาเพื่อดำเนินการตกผลึกเป็นกระบวนการแยกอุตสาหกรรม

การตกผลึกมีหลายระดับขึ้นอยู่กับข้อกำหนดและสามารถทำได้ในขนาดเล็กหรือใหญ่ ดังนั้นมันสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภททั่วไป:

recrystallization

มันถูกเรียกว่าการตกผลึกซ้ำกับเทคนิคที่ใช้ในการชำระล้างสารเคมีในระดับที่เล็กกว่าปกติในห้องปฏิบัติการ

สิ่งนี้ทำด้วยสารละลายของสารประกอบที่ต้องการพร้อมกับสิ่งเจือปนในตัวทำละลายที่เหมาะสมดังนั้นจึงพยายามที่จะตกตะกอนทั้งสองชนิดในรูปแบบของผลึกและจากนั้นจะถูกลบออก

มีหลายวิธีในการติดตั้งโซลูชันใหม่อีกครั้งซึ่งในนั้นคือการติดตั้งซ้ำด้วยตัวทำละลายกับตัวทำละลายหลายตัวหรือด้วยตัวกรองร้อน

-A ตัวทำละลายเดียว

เมื่อใช้ตัวทำละลายเดี่ยวสารละลายของสารประกอบ "A", สิ่งเจือปน "B" และปริมาณตัวทำละลายขั้นต่ำที่ต้องใช้ (ที่อุณหภูมิสูง) จะถูกเตรียมให้เป็นสารละลายอิ่มตัว

สารละลายจะเย็นลงทำให้ความสามารถในการละลายของสารประกอบทั้งสองลดลงและสารประกอบ "A" หรือสิ่งเจือปน "B" จะถูกปรับสภาพใหม่ สิ่งที่เป็นที่ต้องการคือผลึกนั้นเป็นสารประกอบ "A" บริสุทธิ์ การเพิ่มแกนอาจจำเป็นต้องเริ่มกระบวนการนี้ซึ่งอาจเป็นเศษแก้ว

- ตัวทำละลายต่างๆ

ในการตกผลึกซ้ำของตัวทำละลายหลายตัวมีการใช้ตัวทำละลายสองตัวหรือมากกว่าและกระบวนการเดียวกันนั้นดำเนินการเช่นเดียวกับตัวทำละลาย กระบวนการนี้มีข้อได้เปรียบที่สารประกอบหรือสิ่งเจือปนจะตกตะกอนในขณะที่เพิ่มตัวทำละลายตัวที่สองเนื่องจากไม่ละลายในตัวมัน ในวิธีการติดตั้งซ้ำนี้ไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนแก่ส่วนผสม

- กรองร้อน

ในที่สุดการตกผลึกด้วยการกรองร้อนจะถูกใช้เมื่อมีสารที่ไม่ละลายน้ำ "C" ซึ่งจะถูกลบออกด้วยตัวกรองอุณหภูมิสูงหลังจากทำขั้นตอนเดียวกันของการทำให้เป็นผลึกซ้ำของตัวทำละลายเดียว

ในสาขาอุตสาหกรรม

ในเขตอุตสาหกรรมมันเป็นที่ต้องการที่จะดำเนินการกระบวนการที่เรียกว่าการตกผลึกแบบเศษส่วนซึ่งเป็นวิธีการกลั่นสารตามความแตกต่างของการละลาย

กระบวนการเหล่านี้มีลักษณะคล้ายกับการติดตั้งซ้ำ แต่ใช้เทคโนโลยีที่แตกต่างกันเพื่อจัดการกับปริมาณสินค้าที่มากขึ้น

มีการใช้สองวิธีซึ่งจะอธิบายได้ดีขึ้นในข้อความต่อไปนี้: การตกผลึกโดยการทำให้เย็นและการตกผลึกโดยการระเหย

การเป็นกระบวนการขนาดใหญ่นี้ก่อให้เกิดของเสีย แต่โดยปกติระบบเหล่านี้จะถูกหมุนเวียนซ้ำเพื่อให้แน่ใจในความบริสุทธิ์แน่นอนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย

ประเภทของการตกผลึก

การตกผลึกขนาดใหญ่มีสองประเภทดังกล่าวข้างต้น: โดยการระบายความร้อนและโดยการระเหย ระบบไฮบริดยังถูกสร้างขึ้นซึ่งปรากฏการณ์ทั้งสองเกิดขึ้นพร้อมกัน

การตกผลึกโดยการระบายความร้อน

ในวิธีนี้สารละลายจะถูกทำให้เย็นเพื่อลดความสามารถในการละลายของสารประกอบที่ต้องการทำให้เริ่มตกตะกอนในอัตราที่ต้องการ

ในวิศวกรรมเคมี (หรือกระบวนการ) ผลึกจะถูกใช้ในรูปแบบของถังที่มีเครื่องผสมซึ่งหมุนเวียนของเหลวหล่อเย็นในช่องโดยรอบส่วนผสมเพื่อให้สารทั้งสองไม่สัมผัสกันในขณะที่การถ่ายเทความร้อนจากสารทำความเย็นเพื่อแก้ปัญหาเกิดขึ้น

ในการกำจัดผลึกจะใช้เครื่องขูดซึ่งจะผลักชิ้นส่วนที่แข็งให้เป็นหลุม

การตกผลึกโดยการระเหย

นี่คือตัวเลือกอื่น ๆ เพื่อให้เกิดการตกตะกอนของผลึกตัวทำละลายโดยใช้กระบวนการระเหยของตัวทำละลาย (ที่อุณหภูมิคงที่ไม่เหมือนกับวิธีก่อนหน้า) เพื่อให้ความเข้มข้นของตัวถูกละลายเกินระดับความสามารถในการละลาย

โมเดลที่พบมากที่สุดคือแบบจำลองการไหลเวียนที่เรียกว่าบังคับซึ่งทำให้เหล้าของผลึกอยู่ในช่วงล่างที่เป็นเนื้อเดียวกันผ่านถังควบคุมการไหลและความเร็วของพวกเขา โดยการระบายความร้อน