Ултразвучна кристализација и преципитација

Ултразвук покреће и подстиче нуклеацију и кристализацију органских молекула. Контрола овог процеса кључна је за обезбеђивање високог квалитета крајњег производа. Предности примене соникације за кристализацију и добијање чврстих материја из течности јесу знатно убрзавање процеса, мања потрошња материјала и могућност управљања коначном величином кристала. Hielscher нуди поуздане соникаторе једноставне за употребу за успешну кристализацију и формирање чврстих материја, било у шаржном поступку, у протоку или in-situ током реакције.

Сонокристализација и сонопреципитација

Примена ултразвучних таласа током кристализације и преципитације има различите позитивне ефекте на процес.
Ултразвук велике снаге помаже да се

• формирају презасићени/ суперзасићени раствори
• покрене брза нуклеација
• контролише брзина раста кристала
• контролише преципитација
• контролишу полиморфни облици
• смањи садржај нечистоћа
• постигне уједначена расподела величине кристала
• постигне уједначена морфологија
• спречи нежељено таложење на површинама
• покрене секундарна нуклеација
• побољша раздвајање чврсте и течне фазе

 

Разлика између кристализације и преципитације

И кристализација и преципитација су процеси условљени растворљивошћу, при којима чврста фаза, било да је реч о кристалу или талогу, настаје из раствора који је прешао тачку засићења. Разлика између кристализације и преципитације зависи од механизма формирања и природе крајњег производа.

При кристализацији долази до уређеног и постепеног развоја кристалне решетке, која се селективно изграђује од органских молекула, што на крају даје чисто и јасно дефинисано кристално или полиморфно једињење. Насупрот томе, преципитација подразумева брзо настајање чврстих фаза из презасићеног раствора, што доводи до формирања кристалних или аморфних чврстих материја. Важно је напоменути да разликовање кристализације и преципитације може бити тешко, јер се многе органске супстанце најпре јављају као аморфне, некристалне чврсте материје, које затим прелазе у истински кристално стање. У таквим случајевима разграничење између нуклеације и формирања аморфне чврсте материје током преципитације постаје сложено.

Процесе кристализације и преципитације одређују два основна корака: нуклеација и раст кристала. Нуклеација почиње када се молекули растворене супстанце у презасићеном раствору накупљају и формирају кластере или језгра, која потом служе као основа за даљи раст чврстих фаза.

Уобичајени проблеми у процесима кристализације и преципитације

Кристализација и преципитација су обично процеси који се одвијају или веома селективно или веома брзо, па их је стога тешко контролисати. Због тога се нуклеација углавном одвија насумично, тако да квалитет насталих кристала (преципитата) није контролисан. Сходно томе, настали кристали имају величину која није прилагођена захтевима, неравномерно су распоређени и неуједначеног су облика. Такви насумично исталожени кристали узрокују велике проблеме са квалитетом јер су величина кристала, њихова расподела и морфологија кључни критеријуми квалитета исталожених честица. Неконтролисана кристализација и преципитација значе производ лошег квалитета.

Решење: кристализација и преципитација уз соникацију

Кристализација потпомогнута ултразвуком (сонокристализација) и таложење потпомогнуто ултразвуком (сонопреципитација) омогућавају прецизну контролу услова процеса. На све важне параметре ултразвучне кристализације може се прецизно утицати – што доводи до контролисане нуклеације и кристализације. Кристали исталожени ултразвуком имају уједначенију величину и израженију кубну морфологију. Контролисани услови сонокристализације и сонопреципитације омогућавају високу поновљивост и уједначен квалитет кристала. Сви резултати постигнути у малом обиму могу се пренети на већи обим уз потпуно линеарно повећање размере. Ултразвучна кристализација и таложење омогућавају софистицирану производњу кристалних наночестица – како у лабораторијским тако и у индустријским размерама.

Ефекти ултразвучне кавитације на кристализацију и таложење

Када се ултразвучни таласи високе енергије спрегну са течностима, наизменични циклуси високог и ниског притиска стварају мехуриће или шупљине у течности. Ти мехурићи расту током више циклуса, све док више не могу да апсорбују енергију, након чега се нагло урушавају током циклуса високог притиска. Појава таквих снажних имплозија мехурића позната је као акустична кавитација и одликује се локалним екстремним условима, као што су веома високе температуре, велике брзине хлађења, велике разлике у притиску, ударни таласи и млазеви течности.
Ефекти ултразвучне кавитације подстичу кристализацију и таложење обезбеђујући веома хомогено мешање прекурсора. Ултразвучно растварање је добро утврђена метода за добијање презасићених раствора. Интензивно мешање и њиме побољшан пренос масе побољшавају засејавање језгара. Ултразвучни ударни таласи помажу стварање језгара. Што је више засејаних језгара, то су настали кристали ситнији, а њихов раст бржи. Пошто се ултразвучна кавитација може веома прецизно контролисати, могуће је контролисати процес кристализације. Природно присутне баријере за нуклеацију лако се превазилазе захваљујући ултразвучним силама.
Поред тога, соникација помаже током такозване секундарне нуклеације, јер снажне ултразвучне силе смицања ломе и деагломеришу веће кристале или агломерате.
Применом ултразвука може се избећи претходна обрада прекурсора, јер соникација побољшава кинетику реакције.

Утицај соникације на величину кристала

Ултразвук омогућава производњу кристала прилагођених захтевима. Три основна начина примене соникације имају значајне ефекте на добијени производ:

• Почетна соникација:
  Краткотрајна примена ултразвучних таласа на презасићени раствор може покренути засејавање и стварање језгара. Пошто се соникација примењује само у почетној фази, накнадни раст кристала одвија се неометано, што доводи до настанка већих кристала.
• Континуирана соникација:
  Континуирано озрачивање презасићеног раствора доводи до настанка малих кристала, јер непрекидна ултразвучна обрада ствара велики број језгара, што доводи до раста многих малих кристала.

• Пулсна соникација:
  Пулсни ултразвук подразумева примену ултразвука у одређеним интервалима. Прецизно контролисан унос ултразвучне енергије омогућава утицај на раст кристала како би се добила прилагођена величина кристала.

Соникатори за побољшане процесе кристализације и таложења

Процеси сонокристализације и сонопреципитације могу се спроводити у шаржама или затвореним реакторима, као континуирани проточни процес или као реакција in situ. Hielscher Ultrasonics вам испоручује соникатор који савршено одговара вашем специфичном процесу сонокристализације и сонопреципитације – било за истраживања у лабораторији и на стоним уређајима или за индустријску производњу. Наш широк асортиман производа покрива ваше потребе. Сви ултразвучни уређаји могу се подесити на циклусе ултразвучног пулсирања – што омогућава утицај на раст кристала ради постизања прилагођене величине.
Да би се предности ултразвучне кристализације још више повећале, препоручује се употреба уметка MultiPhaseCavitator за проточну ћелију компаније Hielscher. Овај посебан уметак омогућава убризгавање прекурсора кроз 48 танких канила, чиме се побољшава почетно стварање кристализационих језгара. Прекурсори се могу прецизно дозирати, што омогућава висок степен контроле процеса кристализације.

Табела у наставку даје преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: