Kristalizācija un izgulsnēšanās ar ultraskaņu

Ultraskaņa ierosina un veicina organisko molekulu nukleāciju un kristalizāciju. Šī procesa kontrole ir būtiska, lai nodrošinātu augstu galaprodukta kvalitāti. Apstrādes ar ultraskaņu priekšrocības kristalizācijā un cietvielu iegūšanā no šķidrumiem ir ievērojami ātrāks process, mazāks materiālu patēriņš un iespēja regulēt iegūto kristālu izmēru. Hielscher piedāvā uzticamas un viegli lietojamas ultraskaņas ierīces sekmīgai kristalizācijai un cietvielu veidošanai gan porciju režīmā, gan plūsmā, gan in situ reakcijas laikā.

Sonokristalizācija un sonoizgulsnēšanās

Ultraskaņas viļņu izmantošana kristalizācijas un izgulsnēšanās laikā dažādos veidos pozitīvi ietekmē procesu.
Lieljaudas ultraskaņa palīdz

• veidot pārsātinātus šķīdumus
• ierosināt ātru nukleāciju
• kontrolēt kristālu augšanas ātrumu
• kontrolēt izgulsnēšanos
• kontrolēt polimorfās formas
• samazināt piemaisījumu daudzumu
• iegūt vienmērīgu kristālu izmēru sadalījumu
• iegūt vienveidīgu morfoloģiju
• novērst nevēlamu nogulšņu veidošanos uz virsmām
• ierosināt sekundāro nukleāciju
• uzlabot cietās un šķidrās fāzes atdalīšanu

 

Atšķirība starp kristalizāciju un izgulsnēšanos

Gan kristalizācija, gan izgulsnēšanās ir šķīdības noteikti procesi, kuros cietā fāze – kristāls vai nogulsnes – veidojas no šķīduma, kas pārsniedzis piesātinājuma punktu. Atšķirību starp kristalizāciju un izgulsnēšanos nosaka veidošanās mehānisms un galaprodukta īpašības.

Kristalizācijā notiek sakārtota un pakāpeniska kristālrežģa veidošanās, organiskajām molekulām selektīvi sakārtojoties un galu galā veidojot tīru un skaidri definētu kristālisku vai polimorfu savienojumu. Savukārt izgulsnēšanās ietver strauju cieto fāžu veidošanos no pārsātināta šķīduma, radot kristāliskas vai amorfas cietvielas. Jāņem vērā, ka kristalizācijas un izgulsnēšanās nošķiršana var būt sarežģīta, jo daudzas organiskās vielas sākotnēji veidojas kā amorfas, nekristāliskas cietvielas, kas vēlāk pārvēršas par patiesi kristāliskām vielām. Šādos gadījumos nukleācijas un amorfas cietvielas veidošanās nošķiršana izgulsnēšanās laikā kļūst sarežģīta.

Kristalizācijas un izgulsnēšanās procesus nosaka divi pamatposmi: nukleācija un kristālu augšana. Nukleācija sākas, kad izšķīdušās vielas molekulas pārsātinātā šķīdumā uzkrājas, veidojot kopas jeb kristalizācijas kodolus, kas pēc tam kalpo par pamatu turpmākai cieto fāžu augšanai.

Bieži sastopamas problēmas kristalizācijas un izgulsnēšanās procesos

Kristalizācija un izgulsnēšanās parasti ir procesi, kas norisinās vai nu ļoti selektīvi, vai ļoti strauji, tādēļ tos ir grūti kontrolēt. Rezultātā nukleācija parasti notiek nejauši, tādēļ iegūto kristālu (nogulšņu) kvalitāte netiek kontrolēta. Attiecīgi iegūto kristālu izmērs nav pielāgots prasībām, to sadalījums ir nevienmērīgs un forma nav vienveidīga. Šādi nejauši izgulsnējušies kristāli rada būtiskas kvalitātes problēmas , jo kristālu izmērs, kristālu sadalījums un morfoloģija ir izšķiroši izgulsnēto daļiņu kvalitātes kritēriji. Nekontrolēta kristalizācija un izgulsnēšanās nozīmē zemas kvalitātes produktu.

Risinājums: kristalizācija un izgulsnēšanās, apstrādājot ar ultraskaņu

Kristalizācija un izgulsnēšana ar ultraskaņas palīdzību (sonokristalizācija un sonoizgulsnēšana) ļauj precīzi kontrolēt procesa apstākļus. Visus svarīgos ultraskaņas kristalizācijas parametrus var precīzi ietekmēt – tādējādi nodrošinot kontrolētu nukleāciju un kristalizāciju. Ar ultraskaņu izgulsnētajiem kristāliem ir vienmērīgāks izmērs un kubiskāka morfoloģija. Kontrolētie sonokristalizācijas un sonoizgulsnēšanas apstākļi nodrošina augstu reproducējamību un nemainīgu kristālu kvalitāti. Visus nelielā mērogā sasniegtos rezultātus var pārnest uz lielāku mērogu pilnīgi lineāri. Ultraskaņas kristalizācija un izgulsnēšana ļauj nodrošināt tehnoloģiski augstvērtīgu kristālisku nanodaļiņu ražošanu – gan laboratorijas, gan rūpnieciskā mērogā.

Ultraskaņas kavitācijas ietekme uz kristalizāciju un izgulsnēšanu

Kad šķidrumos ievada augstas enerģijas ultraskaņas viļņus, mainīgi augsta un zema spiediena cikli šķidrumā rada burbuļus vai dobumus. Šie burbuļi aug vairāku ciklu laikā, līdz vairs nespēj absorbēt vairāk enerģijas, un tad augsta spiediena cikla laikā strauji sabrūk. Šādu spēcīgu burbuļu imploziju parādību sauc par akustisko kavitāciju, un tai raksturīgi lokāli ekstremāli apstākļi, piemēram, ļoti augsta temperatūra, liels dzesēšanas ātrums, lielas spiediena starpības, triecienviļņi un šķidruma strūklas.
Ultraskaņas kavitācijas iedarbība veicina kristalizāciju un izgulsnēšanu, nodrošinot ļoti viendabīgu prekursoru sajaukšanu. Šķīdināšana ar ultraskaņu ir plaši atzīta metode pārsātinātu šķīdumu iegūšanai. Intensīvā sajaukšana un tās uzlabotā masas pārnese veicina kristalizācijas kodolu rašanos. Ultraskaņas triecienviļņi palīdz veidoties kodoliem. Jo vairāk kodolu rodas, jo smalkāki kristāli veidojas un jo ātrāk tie aug. Tā kā ultraskaņas kavitāciju var ļoti precīzi kontrolēt, ir iespējams kontrolēt kristalizācijas procesu. Ultraskaņas spēki ļauj viegli pārvarēt dabiskās nukleācijas barjeras.
Turklāt apstrāde ar ultraskaņu palīdz tā sauktajā sekundārajā nukleācijā, jo spēcīgie ultraskaņas bīdes spēki sašķeļ un deaglomerē lielākus kristālus vai aglomerātus.
Izmantojot ultraskaņu, var izvairīties no prekursoru priekšapstrādes, jo apstrāde ar ultraskaņu uzlabo reakcijas kinētiku.

Kristālu izmēra ietekmēšana ar ultraskaņas apstrādi

Ultraskaņa ļauj iegūt prasībām pielāgotus kristālus. Trīs galvenie ultraskaņas apstrādes varianti būtiski ietekmē iegūto rezultātu:

• Sākotnējā apstrāde ar ultraskaņu:
  Īslaicīga ultraskaņas viļņu iedarbība uz pārsātinātu šķīdumu var ierosināt kristalizācijas kodolu rašanos un veidošanos. Tā kā apstrādi ar ultraskaņu veic tikai sākotnējā posmā, turpmākā kristālu augšana norit netraucēti, un rezultātā veidojas lielāki kristāli.
• Nepārtraukta apstrāde ar ultraskaņu:
  Nepārtraukta pārsātināta šķīduma apstarošana rada mazus kristālus, jo nepārtrauktā apstrāde ar ultraskaņu rada daudz kodolu, tādējādi izaug daudzi mazi kristāli.

• Impulsveida apstrāde ar ultraskaņu:
  Impulsveida ultraskaņa nozīmē ultraskaņas izmantošanu noteiktos intervālos. Precīzi kontrolēta ultraskaņas enerģijas ievadīšana ļauj ietekmēt kristālu augšanu, lai iegūtu pielāgotu kristālu izmēru.

Ultraskaņas apstrādes ierīces kristalizācijas un izgulsnēšanas procesu uzlabošanai

Sonokristalizācijas un sonoprecipitācijas procesus var veikt pa partijām vai slēgtos reaktoros, kā nepārtrauktu procesu plūsmā vai kā reakciju in situ. Hielscher Ultrasonics nodrošina jums ideāli piemērotu ultraskaņas apstrādes iekārtu jūsu konkrētajam sonokristalizācijas un sonoprecipitācijas procesam – gan pētniecībai laboratorijas un galda iekārtu mērogā, gan rūpnieciskai ražošanai. Mūsu plašais produktu klāsts atbilst jūsu vajadzībām. Visām ultraskaņas apstrādes iekārtām var iestatīt ultraskaņas pulsācijas ciklus – šī funkcija ļauj ietekmēt kristālu izmēru, pielāgojot to prasībām.
Lai vēl vairāk palielinātu ultraskaņas kristalizācijas priekšrocības, ieteicams izmantot Hielscher plūsmas šūnas ieliktni MultiPhaseCavitator. Šis īpašais ieliktnis nodrošina prekursora ievadīšanu caur 48 smalkām kanilēm, uzlabojot sākotnējo kristalizācijas kodolu veidošanos. Prekursorus var precīzi dozēt, nodrošinot augstu kristalizācijas procesa kontrolējamību.

Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas apstrādes iekārtu aptuveno apstrādes jaudu: