بلور سازی

بلور سازی

تبلور، یکی از عملیات مهم برای خالص سازی مواد بلوری در یک محدوده اندازه مطلوب می باشد. تبلور به معنای تشکیل ذرات جامد از یک فاز هموژن است و می تواند در یک فاز گاز (مثل برف) یا از یک فاز مایع (انجماد یا ته نشینی ) انجام شود.
اساساً تبلور یک تکنیک جداسازی جامد-مایع است و مهمترین نوع آن انتقال جرم حل شونده از محلول مایع به فاز بلور جامد خالص است. از این روش برای جداسازی کامل جامد محلول از حلال آن استفاده می شود. کاربرد گسترده تبلور بدان دلیل است که بلور تشکیل شده در محلول ناخالص است . به بیان دیگر ، این روش برای بدست آوردن مواد شیمیایی خالص در شرایط مختلف مناسب است.
از جمله کاربردهای تبلور ، تولید تولید قند از چغندر قند ، که قند از محلول آبی تولید می شود که یک تبلور تجاری مهم محسوب می شود .تشکیل یخ از آب ، تشکیل درات برف از بخار ، تشکیل بلورهای جامد از محلول های مایع مثل KCI و رشد تک بلورهای کامل برای semiconductor devices ، پرتوهای لیزر و سنگ ها و جواهرات مصنوعی .

محدوده تبلور از تولید تک بلورهای خالص تا تولید شکر کریستالی که خالص ترین ماده شیمیایی تولید شده در جهان است ، متغییر می باشد، تولید جهانی نمک به میزان Mtonne/year 80 نشان دهنده این عملیات است.
کریستالایزرها به میزان گسترده به صورت تجاری استفاده می شوند و برحسب اینکه پیوسته و یا اینکه ناپیوسته باشند نقسیم بندی می شوند، کریستالایزرهای ناپیوسته ، ساده تر کنترل می شوند و انعطاف بیشتری دارند. همچنین در محدوده وسیعی از شرایط کار می کنند . کریستالایزرهای پیوسته برای تولید محصول یکنواخت مورد استفاده قرار می گیرد و عموماً در یک میزان تولید یکسان ، کوچک تر از سیستم های ناپیوسته بوده و از انرژی موثرتر استفاده می کنند. بنابراین کریستالایزرهای پیوسته برای میزان بالای تولید ترجیح دادخ می شوند.

ماگما: مخلوط دوفازی محلول و بلورهایی با اندازه مختلف که متبلور کننده را اشغال می کنند.

بلور
بلور سازمان یافته ترین نوع ماده بی جان است . در واقع ، بلور یک جامد با شکل منظم از اتم ها ، یون ها یا مولکول ها است. در یک بلور ، مولکول های اجزاء ، یون ها یا اتم ها به یک روش منظم در کنار یکدیگر قرار می گیرند و در نتیجه شکل بلور مستقل از اندازه بلور است . وقتی یک بلور رشد می کند، هر یک از سطوح آن به همان شیوه منظم رشد می کنند . اگر در شرایط ایده آل بلور در حال رشد تشابه هندسی خود را حفظ کند، به آن بلور تغییر ناپذیر گویند.

تولید بلور
تولید بلور ، فرآیندی گرمازا است و گرمای آن با غلظت و دما تغییر می کند. مراحل متوالی ایجاد بلور:

تبلور معمولاً هم از یک محلول انجام می شود و هم از یک مذاب ، گرچه گاهی نیز بلورهای بلورها مستقیماً توسط میعان از فاز بخار ایجاد می شوندو بعضی مواقع ، تبلور می تواند به عنوان یک فرایند معکوس انحلال یا تجزیه مورد توجه قرار گیرد که البته تفاوت های عمده ای با آن دارد . تعداد ذرات طی انحلال ثابت خواهد ماند یا کم می شوند ، در حالی که تبلور تعداد هسته ها روی موادی که ته نشیثن می شوند . مرتباً افزایش می یابد . همچنین در انحلال ، مقاومت قابل توجه ای برای انتقال از سطح مشترک دو فاز وجود ندارد ، اما در مورد تبلور اینطور نیست.
فرآیند تبلور شامل دو مرحله همزمان است ( عموماً) که می توانند تا حدودی مستقل کنترل شوند . اولین مرحله ، تشکیل ذرات کوچک است که باید در محلول قبل از تبلور ایجاد شود و مرحله دوم رشد هسته می باشد . به بیان ساده تر ، تشکیل بلور در دو مرحله صورت می پذیرد :۱- ایجاد ذره ای جدید(هسته زایی) ۲-رشد آن تا رسدین به اندازه ماکروسکوپی
اگر بتوان تعداد هسته ها را کنترل نمود ، اندازه بلورها می تواند به طور نا محدود به صورت منظم رشد کند. اندازه بلورها یکی از مهمترین مسائل در فرآیند های تبلور می باشد.

اشباع و فوق اشباع

وقتی یک مذاب به آرامی سرد می شود، دما به تدریج می افتد تا اینکه به نقطه ذوب می رسیم. سرمایش بیشتر موجب super-cooling یا solidification با دمای تقریباً ثابت می شود.
معمولاً یک میزان super-cooling معین باید قبل از آنکه تغییر فاز اتفاق افتد ، انجام شود. در این حالت ، یک موقعیت کم ثبات در دمای زیاد زیر نقطه ذوب ایجاد می شود ، زیرا سرعت هسته زایی خود به خود ، بسیار کم یا حتی قابل صرفنظر می باشد.
مشابه آن اگر یک بخار superheat سرد شود، دمایش پایین می رود تا اینکه به شرایط خشک و اشباع می رسد و سرمایش بیشتر در غیاب معیان مناسب هسته ، تولید بخار فوق اشباع( (supersaturate می کند و ایجاد مایع یا جامد فقط بعد از یک حالت فوق اشباع معین انجام می شود.

روش های ایجاد حالت فوق اشباع

نیروی محرکه (پتانسیل محرک) سرعت هسته زایی و رشد آن ، حالت فوق اشباع می باشد . فوق اشباع به یکی از سه روش زیر صورت می گیرد:
۱-اگر حلالیت جزء حل شده در حلال با افزایش دما به شدت افزایش یابد ، مانند بسیاری از نمک های معدنی و مواد آلی ، محلول اشباع با سرد شدن به حالت فوق اشباع می رسد.
۲- اگر حلالیت مستقل از دما باشد ، مانند نمک طعام ، حالت فوق اشباع را می توان با تبخیر قسمتی از حلال ایجاد نمود.
۳-اگر سرد شدن و رسوب مناسب نباشد ، مثل وقتی که حلالیت خیلی زیاد است ، با افزودن جزء سوم (به روش فیزیکی) می توان به حالت فوق اشباع رسید . این فرآیند ، نمک دار کردن نامیده می شود.

اگر رسوبی تقریباً کامل مورد نیاز باشد ،می توان با اضافه کردن جزء سومی که با جزء حل شده اصلی واکنش داده و یک ترکیب نا محلول تشکیل می دهد ، ماده حل شده جدیدی را به روش شیمیایی پدید آورد. این فرآیند رسوب کردن نامیده می شود
موادی که با افزودن دما قابلیت انحلال آن ها کاهش می یابد ، دارای قابلیت انحلال وارونه هستند.
در ظروف تبلور ، توزیع اندازه ذرات که مهمترین عامل در فرآیند تبلور است ، با بر هم کنش سرعت هسته زایی و سرعت رشد تعیین می شود و مستقل از موازنه مواد و انرژی است.
تشکیل هسته و رشد بلور در محل اشباع شده یا نشده ( حالتی از حالت فوق اشباع ) اتفاق نمی افتد . البته ممکن است بلورهای بسیار کوچک از طریق ساییدگی تشکیل شود که در صورت فوق اشباع شدن محلول ، رشد می کنند.
اگر سرعت رشد بلور کم باشد ، مانند مواقعی که محلول دارای گرانروی بالایی است ، زمان قابل ملاحظه ای برای رسیدن به تعادل فازهای جامد و مایع لازم است.

ایجاد هسته
سرعت هسته زایی ، تعداد ذرات تشکیل شده در واحد زمان در واحد حجم محلول مادر بدون جامد می باشد. این کمیت اولین پارامتر جنبشی است که توزیع اندازه ذرات (CSD) را کنترل می کند.
منشاء بلورها را به سه دسته تقسیم بندی می کنند : هسته زایی کاذب ، اولیه و ثانویه.
بلورهای خیلی کوچک تولید شده روی سطح دانه های بلور تولیدی در تبلورهای دیگر خیلی سریع محو می شوند و بعد در محلول فوق اشباع رشد می کنند . به این حالت نسل اولیه گویند.
هسته زایی کاذب در حالت فوق اشباع زیاد و یا در حالت گردش ضعیف ماگما ایجاد می شود . این هسته زایی را با زائده های نابهنجار سوزنی یا خار مانند مانند بلورهای ناقص در انتهای بلور توصیف می کنند.
نوع دیگری از رشد ناقص بلور ، رشد پوششی است که در حالت فوق اشباع معتدل به وجود می آید که این عمل نتیجه مسدود شدنم محلول مادر در یک وجه بلور است.

هسته زایی اولیه:
هسته زایی در غیاب بلور است و به دو دسته تقسیم می شود:
الف) هسته زایی همگن : در این نوع هسته زایی بلور در یک فاز و بدون وجود ناخالصی تشکیل می شود . در اینجا هسته زایی در اثر وجود حالت فوق اشباع رخ می دهد . این نوع عسته زایی به جز در بعضی از واکنش ها ی رسوبی هیچ گاه اتفاق نمی افتد.
ب)هسته زایی ناهمگن: این نوع هسته زایی در اثر وجود ناخالصی و یا کاتالیست در محلول رخ می دهد.

هسته زایی ثانویه:
تشکیل هسته ها هنگامی که بلور در ماگما وجود دارد ، هسته زایی ثانویه نام دارد.
انواع هسته زایی ثانویه:
الف) هسته زایی با قطع سیال : این هسته زایی در اثر تنش های ناشی از برش سیال می باشد.
ب)هسته زایی تماسی: این نوع هسته زایی که در اثر برخورد بلور با جسم دیگری مانند دیواره کریستالایزر، همزن و یا با بلور دیگری حاصل می شود ، رایج ترین نوع هسته زایی در ظروف تبلور صنعتی است ، و چون در حالت فوق اشباع کم رخ میدهد.
این هسته زایی متناسب با توان اول فوق اشباع است ، نه توان بیستم یا بیشتر که در هسته زایی اولیه دیگری وجود دارد. بنابراین کنترل آن در زمان بهره برداری آسان است.
اگر شرایط مناسب باشد ، هسته ها هم زمان تشکیل می شوند ، اما در اکثر موارد ، دانه های بلوری کوچک اضافه می شوند. همچنین مقادیر کم ناخالصی نیز ممکن است به عنوان هسته عمل کند.
هسته سازی بخودی خود فرآیندی است که با بی میلی انجام می شود. به هر حال ایجاد هسته به وجود متغییرهای تصادفی در غلظت یا دما در مقیاس مولکولی بستگی دارد.
اگر سرمایش کند انجام شود ، سرعت هسته زایی کند و ماده ته نشین شده روی تعداد کم هسته ها ته نشین می شود و در نتیجه بلورهای نسبتاً درشت تولید می شود.
اگر سرمایش انجام شود ، فرآیند هسته زایی افزایش یافته و تعداد هسته ها زیاد می شود. در نتیجه بلورهای ریز تولید می شود.

ادامه مطلب