Kristalizācija: definīcija, procesi, piemēri un nukleācija

Kristalizācija ir process, kurā atomi vai molekulas sakārtojas regulārā, periodiskā tīklā, veidojot cietas vielas — kristālus. Tas ir veids, kā cieta viela atdalās no šķīduma, kausējuma vai reizēm no gāzes fāzes. Kristāli var veidoties dabiski (piemēram, minerāli, ledus, salnas) vai mākslīgi (rūpnieciska kristalizācija farmācijā, pārtikas ražošanā u. c.). Ātrums, temperatūra un apstākļi ietekmē kristālu izmēru un formu: ātrāka kristalizācija parasti dod smalkākus (mazākus) kristālus — piemēram, bazalts, bet lēnākā aug lieli kristāli — piemēram, granīts.

Kristalizācijas veidi un avoti

Kristalizācija var notikt no dažādām fāzēm:

• Kausējuma kristalizācija — viela kristalizē, atdzisusi no šķidra metāla vai stikla.
• Šķīduma kristalizācija — iztvaicēšanas, dzesēšanas vai antisolventa pievienošanas rezultātā (bieži izmantota ķīmiskajā un farmaceitiskajā rūpniecībā).
• Gāzes fāzes kristalizācija — virsmas nokrišņi vai depozīcija no tvaikiem (piem., sniega un dažu putekļu veidošanās).

Pārsātinājums un to izraisītās metodes

Mākslīgā kristalizācija parasti sākas ar homogēna šķīduma pārsātināšanu. Lai notiktu kristalizācija, šķīdumam jābūt pārsātinātam — tas nozīmē, ka tajā ir vairāk šķīdinātās vielas nekā pie līdzsvara apstākļiem. Pārsātinājumu var sasniegt ar vairākām metodēm:

• šķīdinātāja iztvaicēšana (palielinās koncentrācija);
• dzesēšana (šķīdība parasti samazinās ar temperatūru);
• ķīmiskas reakcijas, kas samazina šķīdāmo vielu šķīdību;
• “nogremdēšana” (antisolventa pievienošana), kad šķīduma vide mainās un samazinās šķīdība.

Vienkāršs ikdienas piemērs: bļoda ar ūdeni, kurā izšķīdina cukuru. Ja pievieno cukuru līdz brīdim, kad vairs netiek izšķīdināts, šķīdums kļūst piesātināts. Ja šo šķīdumu uzsilda, cukura šķīdība parasti palielinās — kļūst iespējams izšķīdināt vēl vairāk cukura, radot pārsātinātu šķīdumu. Atdzesējot, šķīdība samazinās un liekais cukurs izkristalizējas.

Nukleācija — primārā un sekundārā

Kristalizācijas posmus parasti iedala divos galvenajos soļos:

• Primārā nukleācija — jaunu kristālu “kodolu” (nukleju) veidošanās no pārsātināta šķīduma. Primāro nukleāciju var būt divu veidu:
  • homogēna nukleācija — nukleji veidojas šķīdumā bez ārzemju virsmas, parasti prasot augstu pārsātinājumu;
  • heterogēna nukleācija — nukleji veidojas uz cietām virsmām, piem., nesakārtotām daļiņām, iekārtu sienām vai esošiem svešķermeņiem, kas ievērojami atvieglo nukleāciju.
• Sekundārā nukleācija — jaunu kristālu ražošana, ko ierosina jau esošie kristāli (piemēram, saskare, šķelšanās, berze vai šūpotnes darbība). Sekundārā nukleācija bieži nodrošina masveida kristālu ražošanu un ir svarīga rūpnieciskajās iekārtās.

Kristālu augšana un morfoloģija

Pēc nukleācijas seko kristālu augšana — molekulas no šķīduma pievienojas kodolam un kristāls palielinās. Galvenie faktori, kas ietekmē augšanas ātrumu un kristālu formu:

• pārsātinājuma līmenis (jo lielāks, jo straujāka augšana, taču tas var veicināt nelīdzenus vai dendritiskus veidojumus);
• temperatūra un dzesēšanas ātrums;
• šķīdinātājs, pārsātinājums un pH;
• krustvielas, piemaisījumi vai papildvielas, kas var inhibēt konkrētus kristāla virsmas veidošanās virzienus;
• mehāniskā ietekme (maisīšana, cirkulācija), kas ietekmē sekundāro nukleāciju un daļiņu sadalījumu.

Kontrole rūpniecībā un laboratorijā

Kristalizāciju kontrolē, lai iegūtu vajadzīgo daļiņu izmēru, formu un tīrību. Izplatītākās vadības stratēģijas:

• ieprogrammēts dzesēšanas profils (lēna vai ātra dzesēšana);
• seeding — speciāli iegūtā vai rūpnieciski pievienotā kristālu “sēkla”, kas ļauj kontrolēt primāro nukleāciju un iegūt vienmērīgākas daļiņas;
• agitācijas intensitātes regulēšana un reaktoru dizains;
• antisolventa (nogremdēšanas) piešķiršana pakāpeniski vai strauji, atkarībā no vajadzīgā rezultāta;
• additīvu izmantošana kristālformas un polymorfisma kontrolei, īpaši svarīgi farmācijā.

No sadaļas līdz gatavam produktam

Pēc kristalizācijas parasti seko:

• cieto daļiņu atdalīšana no šķidruma (filtrācija, centrifūgēšana);
• mazgāšana, lai noņemtu liesu fāzi vai piemaisījumus;
• žāvēšana un, nepieciešamības gadījumā, kaltēšana vai malšana, lai iegūtu galaprodukta granulometriju un plūstamību.

Praktiski piemēri un nozīme

Kristalizācija ir plaši izplatīta dabā un rūpniecībā:

• ikdienā — cukura kristalizācija konfektēs vai “karameļu” ražošanā;
• ūdens attīrīšana un sāls iegūšana, izmantojot iztvaikošanu;
• farmācijas nozare — aktīvo vielu kristalformas (polimorfisma) kontrole, kas ietekmē zāļu biorpieejamību un stabilitāti;
• minerālu un akmeņu veidošanās ģeoloģijā;
• ražošanas procesi — kristalizatori (piem., atvērtie kristalizatori, slēgtie cirkulācijas kristalizatori, nogremdēšanas kristalizatori) tiek pielāgoti konkrētajām prasībām.

Raksturlielumi un analīze

Kristālu īpašības parasti raksturo ar:

• daļiņu izmēru sadalījumu (PSD);
• morfoloģiju (formas un virsmu īpašības);
• fāžu un struktūras analīzi (piem., rentgenstaru difrakcija — XRD);
• mikroskopiju un lāzera difrakciju daļiņu izmēra noteikšanai;
• ķīmisko tīrību un polimorfismu (ĶMI, termogravimetrija u. c.).

Secinājums

Kristalizācija ir daudzpusīgs un kontrolējams process, kas ietver pārsātinājuma radīšanu, nukleāciju un kristālu augšanu. Izpratne par primāro un sekundāro nukleāciju, pārsātinājuma līmeņiem, šķīdinātāja ietekmi un mehānisku apstākļu nozīmi ļauj plānot procesus, kas nodrošina vēlamo kristālu izmēru, formu un tīrību. Rūpnieciskajā praksē pareiza kristalizācijas vadība ir būtiska, lai nodrošinātu produkta kvalitāti, ražošanas efektivitāti un ekonomisku procesu vadību.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir kristalizācija?

J: Kādi ir divi galvenie kristalizācijas posmi?

J: Kā notiek mākslīgā kristalizācija?

J: Kas notiek primārās nukleācijas laikā?

J: Kā notiek sekundārā nukleācija?

Meklēt pēc burta