Ultraheli kristallimine ja sadestamine

Ultraheli algatab ja soodustab orgaaniliste molekulide tuumumist ja kristallumist. Selle protsessi kontrollimine on oluline, et lõpptoode oleks kõrge kvaliteediga. Ultraheli töötluse (sonikeerimise) kasutamise eelised kristallimisel ja vedelikest tahkete ainete valmistamisel on see, et protsess muutub palju kiiremaks, materjali kulub vähem ja lõplike kristallide suurust saab juhtida. Hielscher pakub töökindlaid ja lihtsasti kasutatavaid sonikaatoreid edukaks kristallimiseks ja tahke aine moodustamiseks, olgu see partiiprotsessis, inline-režiimis või in-situ reaktsiooni ajal.

Sonokristallimine ja sonosadestamine

Ultrahelilainete rakendamisel kristallimise ja sadestamise ajal on protsessile mitmesuguseid positiivseid mõjusid.
Võimas ultraheli aitab

• moodustada üleküllastunud lahuseid
• algatada kiiret tuumumist
• juhtida kristallide kasvukiirust
• juhtida sadestumist
• juhtida polümorfe
• vähendada lisandeid
• saavutada ühtlane kristallide suurusjaotus
• saavutada ühtlane morfoloogia
• vältida soovimatut sadenemist pindadele
• algatada sekundaarset tuumumist
• parandada tahke aine ja vedeliku eraldamist

 

Erinevus kristallimise ja sadestamise vahel

Nii kristallimine kui ka sadestamine on lahustuvusest sõltuvad protsessid, mille käigus tekib lahusest, mis on ületanud oma küllastuspunkti, tahke faas, olgu see kristall või sade. Erinevus kristallimise ja sadestamise vahel sõltub tekkemehhanismist ja lõpptoote iseloomust.

Kristallimisel toimub kristallvõre metoodiline ja järkjärguline areng, mis koguneb selektiivselt orgaanilistest molekulidest ning annab lõpuks puhta ja täpselt määratletud kristalse või polümorfse ühendi. Sadestamisel seevastu tekivad üleküllastunud lahusest kiiresti tahked faasid, mille tulemusena moodustuvad kas kristalsed või amorfsed tahked ained. Tuleb märkida, et kristallimist ja sadestamist võib olla keeruline eristada, sest paljud orgaanilised ained ilmnevad algul amorfsete, mittekristalsete tahkete ainetena, mis seejärel muutuvad tõeliselt kristalseks. Sellistel juhtudel muutub tuumumise ja sadestamisel toimuva amorfse tahke aine tekke piiritlemine keeruliseks.

Kristallimis- ja sadestamisprotsesse määravad kaks põhietappi: tuumumine ja kristallide kasv. Tuumumine algab siis, kui üleküllastunud lahuses olevad lahustunud aine molekulid koonduvad, moodustades klastreid ehk tuumi, mis seejärel toimivad aluseks tahkete faaside edasisele kasvule.

Kristallimis- ja sadestamisprotsesside tavalised probleemid

Kristallimine ja sadestamine on tavaliselt kas väga selektiivselt või väga kiiresti kulgevad protsessid ning seetõttu vaevalt juhitavad. Tulemuseks on, et tuumumine toimub üldjuhul juhuslikult, mistõttu tekkivate kristallide (sadenenud aine) kvaliteet on kontrollimatu. Sellest tulenevalt on saadud kristallide suurus kohandamata, jaotus ebaühtlane ja kuju ebaühtlane. Sellised juhuslikult sadenenud kristallid põhjustavad tõsiseid kvaliteediprobleeme, kuna kristallide suurus, kristallide jaotus ja morfoloogia on sadenenud osakeste olulised kvaliteedikriteeriumid. Kontrollimatu kristallimine ja sadestamine tähendab kehva toodet.

Lahendus: kristallimine ja sadestamine ultraheli töötluse (sonikeerimise) all

Ultraheli abil toetatud kristalliseerimine (sonokristalliseerimine) ja sadestamine (sonosadestamine) võimaldab protsessitingimusi täpselt kontrollida. Kõiki ultrahelikristalliseerimise olulisi parameetreid saab täpselt mõjutada – see viib kontrollitud tuumade tekkeni ja kristalliseerumiseni. Ultrahelil sadestatud kristallidel on ühtlasem suurus ja kuubikujulisem morfoloogia. Sonokristalliseerimise ja sonosadestamise kontrollitud tingimused tagavad kõrge korratavuse ja ühtlase kristallikvaliteedi. Kõiki väikeses mastaabis saavutatud tulemusi saab suurendada täiesti lineaarselt. Ultrahelikristalliseerimine ja -sadestamine võimaldavad keerukat kristalliliste nanoosakeste tootmist – nii laboris kui ka tööstuslikus mastaabis.

Ultraheli kavitatsiooni mõju kristalliseerimisele ja sadestamisele

Kui suure energiaga ultraheli lained suunatakse vedelikesse, tekitavad vahelduvad kõrg- ja madalrõhutsüklid vedelikus mullid ehk tühimikud. Need mullid kasvavad mitme tsükli jooksul, kuni nad ei suuda enam energiat neelata, ning variseyvad kõrgrõhutsükli ajal jõuliselt kokku. Selliste jõuliste mullide implosioonide nähtust tuntakse akustilise kavitatsioonina ja seda iseloomustavad kohalikud äärmuslikud tingimused, nagu väga kõrged temperatuurid, suured jahtumiskiirused, suured rõhkude vahed, lööklained ja vedelikujoad.
Ultraheli kavitatsiooni mõju soodustab kristalliseerimist ja sadestamist, tagades lähteainete väga homogeense segunemise. Ultraheliga lahustamine on hästi väljakujunenud meetod üleküllastunud lahuste valmistamiseks. Intensiivne segunemine ja sellest tulenev parem massiülekanne parandavad tuumade moodustumist. Ultraheli lööklained soodustavad tuumade teket. Mida rohkem tuumasid tekib, seda peenemad kristallid tekivad ja seda kiiremini kristallide kasv toimub. Kuna ultraheli kavitatsiooni saab väga täpselt kontrollida, on võimalik kristalliseerimisprotsessi juhtida. Ultraheli jõud ületavad kergesti looduslikult olemasolevad tuumade tekke tõkked.
Lisaks toetab ultraheli töötlus nn sekundaarset tuumade teket, sest võimsad ultraheli nihkejõud purustavad ja deagregeerivad suuremaid kristalle või agregaate.
Ultraheli abil saab lähteainete eeltöötlust vältida, sest ultraheli töötlus kiirendab reaktsioonikineetikat.

Kristallide suuruse mõjutamine ultraheli töötlusega

Ultraheli võimaldab toota nõuetele vastavaks kohandatud kristalle. Kolmel ultraheli töötluse üldvalikul on väljundile olulised mõjud:

• Algne ultraheli töötlus:
  Ultraheli lainete lühiajaline rakendamine üleküllastunud lahusele võib käivitada tuumade tekke ja moodustumise. Kuna ultraheli töötlust rakendatakse ainult algstaadiumis, kulgeb hilisem kristallide kasv takistamatult, mille tulemuseks on suuremad kristallid.
• Pidev ultraheli töötlus:
  Üleküllastunud lahuse pidev kiiritamine annab väikesed kristallid, sest katkestamatu ultraheli töötlus tekitab palju tuumasid, mille tulemusena kasvab palju väikeseid kristalle.

• Impulssultraheli töötlus:
  Impulssultraheli tähendab ultraheli rakendamist kindlaksmääratud intervallidega. Ultraheli energia täpselt kontrollitud sisestus võimaldab kristallide kasvu mõjutada, et saada kohandatud kristallide suurus.

Sonikaatorid täiustatud kristalliseerimis- ja sadestamisprotsessideks

Sonokristallimise ja sonosadestamise protsesse saab läbi viia partiidena või suletud reaktorites, pideva inline-protsessina või in situ reaktsioonina. Hielscher Ultrasonics pakub teile teie konkreetsele sonokristallimise ja sonosadestamise protsessile täiuslikult sobiva sonikaatori – olgu see teadustööks labori- ja lauaskaalas või tööstuslikuks tootmiseks. Meie lai tootevalik katab teie vajadused. Kõiki ultrahelisonikaatoreid saab seadistada ultraheli pulsatsioonitsüklitele – see funktsioon võimaldab mõjutada kristallide suurust vastavalt vajadusele.
Ultrahelikristallimise eeliste veelgi suuremaks parandamiseks soovitatakse kasutada Hielscheri läbivoolukambri sisetükki MultiPhaseCavitator. See eriline sisetükk võimaldab eellase sissepritset 48 peene kanüüli kaudu, mis parandab tuumade esialgset tekitamist. Eellaseid saab täpselt doseerida, mis tagab kristallimisprotsessi hea kontrollitavuse.

Allolev tabel annab ülevaate meie ultrahelisonikaatorite ligikaudsest töötlusvõimsusest: