Ультразвуковая кристаллизация и осаждение

Ультразвук инициирует зародышеобразование и кристаллизацию органических молекул и способствует этим процессам. Контроль этого процесса крайне важен для обеспечения высокого качества конечного продукта. Преимущества применения обработки ультразвуком для кристаллизации и получения твёрдых веществ из жидкостей заключаются в том, что она значительно ускоряет процесс, снижает расход материала и позволяет управлять конечным размером кристаллов. Hielscher предлагает надёжные и простые в использовании ультразвуковые аппараты для успешной кристаллизации и образования твёрдой фазы при обработке партиями, в потоке или непосредственно во время реакции.

Сонокристаллизация и соноосаждение

Применение ультразвуковых волн при кристаллизации и осаждении оказывает различные положительные воздействия на процесс.
Мощный ультразвук помогает

• образовывать пересыщенные растворы
• инициировать быстрое зародышеобразование
• контролировать скорость роста кристаллов
• контролировать осаждение
• контролировать полиморфные формы
• снижать содержание примесей
• получать равномерное распределение кристаллов по размерам
• получать однородную морфологию
• предотвращать нежелательное отложение на поверхностях
• инициировать вторичное зародышеобразование
• улучшать разделение твёрдой и жидкой фаз

 

Различие между кристаллизацией и осаждением

Как кристаллизация, так и осаждение представляют собой процессы, обусловленные растворимостью, при которых твёрдая фаза, будь то кристалл или осадок, образуется из раствора, превысившего предел насыщения. Различие между кристаллизацией и осаждением определяется механизмом образования и природой конечного продукта.

При кристаллизации происходит упорядоченное и постепенное формирование кристаллической решётки, избирательно собираемой из органических молекул, что в конечном итоге даёт чистое кристаллическое или полиморфное соединение с чётко определённой структурой. Напротив, осаждение предполагает быстрое образование твёрдых фаз из пересыщенного раствора, в результате чего формируются кристаллические или аморфные твёрдые вещества. Следует отметить, что различить кристаллизацию и осаждение бывает сложно, поскольку многие органические вещества сначала возникают в виде аморфных, некристаллических твёрдых веществ, которые впоследствии переходят в истинно кристаллическое состояние. В таких случаях разграничение зародышеобразования и образования аморфного твёрдого вещества при осаждении становится сложным.

Процессы кристаллизации и осаждения определяются двумя основными этапами: зародышеобразованием и ростом кристаллов. Зародышеобразование начинается, когда молекулы растворённого вещества в пересыщенном растворе накапливаются, образуя кластеры или зародыши, которые затем служат основой для последующего роста твёрдых фаз.

Распространённые проблемы процессов кристаллизации и осаждения

Кристаллизация и осаждение обычно протекают либо очень избирательно, либо очень быстро, поэтому ими трудно управлять. В результате зародышеобразование, как правило, происходит случайным образом, и качество образующихся кристаллов (осадков) остаётся неконтролируемым. Соответственно, полученные кристаллы имеют незаданный размер, неравномерно распределены и неоднородны по форме. Такие случайным образом осаждённые кристаллы вызывают серьёзные проблемы с качеством , поскольку размер кристаллов, их распределение и морфология являются важнейшими критериями качества осаждённых частиц. Неконтролируемые кристаллизация и осаждение означают низкое качество продукта.

Решение: кристаллизация и осаждение при обработке ультразвуком

Кристаллизация (сонокристаллизация) и осаждение (соноосаждение) с применением ультразвука позволяют точно контролировать условия процесса. На все важные параметры ультразвуковой кристаллизации можно точно воздействовать – это обеспечивает контролируемые зародышеобразование и кристаллизацию. Кристаллы, осаждённые с помощью ультразвука, имеют более однородный размер и более кубическую морфологию. Контролируемые условия сонокристаллизации и соноосаждения обеспечивают высокую воспроизводимость и стабильное качество кристаллов. Все результаты, достигнутые в малом масштабе, можно масштабировать полностью линейно. Ультразвуковая кристаллизация и осаждение позволяют осуществлять технологически совершенное производство кристаллических наночастиц – как в лабораторном, так и в промышленном масштабе.

Воздействие ультразвуковой кавитации на кристаллизацию и осаждение

При передаче ультразвуковых волн высокой энергии в жидкости чередующиеся циклы высокого и низкого давления создают в жидкости пузырьки или полости. Эти пузырьки растут в течение нескольких циклов, пока больше не могут поглощать энергию, после чего резко схлопываются во время цикла высокого давления. Явление такого резкого схлопывания пузырьков известно как акустическая кавитация и характеризуется локальными экстремальными условиями, такими как очень высокие температуры, высокие скорости охлаждения, большие перепады давления, ударные волны и струи жидкости.
Воздействие ультразвуковой кавитации способствует кристаллизации и осаждению, обеспечивая очень однородное смешивание прекурсоров. Ультразвуковое растворение – хорошо зарекомендовавший себя метод получения пересыщенных растворов. Интенсивное перемешивание и обусловленное им улучшение массопереноса способствуют закладке зародышей. Ультразвуковые ударные волны способствуют образованию зародышей. Чем больше зародышей закладывается, тем мельче получаются кристаллы и тем быстрее происходит их рост. Поскольку ультразвуковой кавитацией можно управлять очень точно, можно контролировать процесс кристаллизации. Естественные барьеры зародышеобразования легко преодолеваются благодаря силам, создаваемым ультразвуком.
Кроме того, обработка ультразвуком способствует так называемому вторичному зародышеобразованию, поскольку мощные ультразвуковые силы сдвига разрушают и деагломерируют более крупные кристаллы или агломераты.
При использовании ультразвука можно избежать предварительной обработки прекурсоров, поскольку обработка ультразвуком улучшает кинетику реакции.

Влияние обработки ультразвуком на размер кристаллов

Ультразвук позволяет получать кристаллы, соответствующие требованиям. Три основных варианта обработки ультразвуком существенно влияют на результат:

• Начальная обработка ультразвуком:
  Кратковременное воздействие ультразвуковых волн на пересыщенный раствор может инициировать закладку и образование зародышей. Поскольку обработка ультразвуком применяется только на начальном этапе, последующий рост кристаллов протекает беспрепятственно, что приводит к образованию более крупных кристаллов.
• Непрерывная обработка ультразвуком:
  Непрерывное облучение пересыщенного раствора приводит к образованию мелких кристаллов, поскольку обработка ультразвуком без пауз создаёт множество зародышей, что приводит к росту большого количества мелких кристаллов.

• Импульсная обработка ультразвуком:
  Импульсный ультразвук означает применение ультразвука через определённые интервалы. Точно контролируемое введение ультразвуковой энергии позволяет влиять на рост кристаллов, чтобы получить кристаллы заданного размера.

Ультразвуковые аппараты для улучшения процессов кристаллизации и осаждения

Процессы сонокристаллизации и соноосаждения можно проводить партиями или в закрытых реакторах, в виде непрерывного поточного процесса или непосредственно в ходе реакции. Hielscher Ultrasonics предлагает ультразвуковой аппарат, идеально подходящий для вашего конкретного процесса сонокристаллизации и соноосаждения – будь то исследования в лабораторном масштабе и на настольных установках или промышленное производство. Наш широкий ассортимент продукции удовлетворяет ваши потребности. Все ультразвуковые аппараты можно настроить на циклы ультразвуковой пульсации – эта функция позволяет влиять на размер кристаллов для получения заданного размера.
Чтобы ещё больше усилить преимущества ультразвуковой кристаллизации, рекомендуется использовать вставку MultiphaseCavitator для проточной ячейки Hielscher. Эта специальная вставка обеспечивает введение прекурсора через 48 тонких канюль, улучшая начальную закладку зародышей. Прекурсоры можно точно дозировать, что обеспечивает высокую степень управляемости процесса кристаллизации.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов: