Ультразвукова кристалізація та осадження

Ультразвук ініціює та сприяє нуклеації та кристалізації органічних молекул. Контроль над цим процесом є життєво важливим для забезпечення високої якості кінцевого продукту. Переваги використання ультразвукової обробки для кристалізації та отримання твердих речовин із рідин полягають у тому, що процес стає значно швидшим, використовується менше матеріалу та можна керувати розміром кінцевих кристалів. Hielscher пропонує надійні та прості в експлуатації соникатори для успішної кристалізації та утворення твердих фаз, як у партійному режимі, так і в лінії або in situ під час реакції.

Сонокристалізація та соноосадження

Застосування ультразвукових хвиль під час кристалізації та осадження має різноманітні позитивні ефекти на процес.
Потужний ультразвук допомагає

• формувати перенасичені/супернасичені розчини
• ініціювати швидку нуклеацію
• контролювати швидкість росту кристалів
• контролювати осадження
• контролювати поліморфи
• зменшувати кількість домішок
• отримувати однорідний розподіл розмірів кристалів
• отримувати рівномірну морфологію
• запобігати небажаному осадженню на поверхнях
• ініціювати вторинну нуклеацію
• покращувати розділення тверда речовина–рідина

 

Різниця між кристалізацією та осадженням

І кристалізація, і осадження є процесами, керованими розчинністю, у яких тверда фаза, будь то кристал або осад, виникає з розчину, який перевищив свою точку насичення. Розрізнення між кристалізацією та осадженням базується на механізмі утворення та природі кінцевого продукту.

Під час кристалізації відбувається методичний і поступовий розвиток кристалічної ґратки, вибірково зібраної з органічних молекул, що в кінцевому підсумку дає чисту та добре визначену кристалічну або поліморфну сполуку. Навпаки, осадження передбачає швидке утворення твердих фаз із перенасиченого розчину, що призводить до формування кристалічних або аморфних твердих речовин. Важливо зазначити, що розрізнити кристалізацію та осадження може бути складно, оскільки багато органічних речовин спочатку проявляються як аморфні, некристалічні тверді речовини, які згодом переходять у справжній кристалічний стан. У таких випадках розмежування між нуклеацією та утворенням аморфної твердої речовини під час осадження стає складним.

Процеси кристалізації та осадження визначаються двома фундаментальними етапами: нуклеацією та ростом кристалів. Нуклеація починається, коли молекули розчиненої речовини в перенасиченому розчині накопичуються, утворюючи кластери або зародки, які потім служать основою для подальшого росту твердих фаз.

Поширені проблеми з процесами кристалізації та осадження

Кристалізація та осадження зазвичай є або дуже вибірково, або дуже швидко поширюваними процесами, і тому їх важко контролювати. В результаті, як правило, нуклеація відбувається випадково, так що якість отриманих кристалів (осаджених речовин) є неконтрольованою. Відповідно, вихідні кристали мають невідповідний розмір, розподілені нерівномірно та мають неоднорідну форму. Такі випадково осаджені кристали спричиняють серйозні проблеми з якістю , оскільки розмір кристалів, розподіл кристалів та морфологія є критичними показниками якості осаджених частинок. Неконтрольована кристалізація та осадження означають поганий продукт.

Рішення: кристалізація та осадження під ультразвуковою обробкою

Ультразвукова кристалізація (сонокристалізація) та осадження (соноосадження) дозволяють точно контролювати умови процесу. На всі важливі параметри ультразвукової кристалізації можна точно впливати, що призводить до контрольованого зародження та кристалізації. Кристали, отримані за допомогою ультразвукового осадження, мають більш однорідний розмір і більш кубічну морфологію. Контрольовані умови сонокристалізації та соноосадження забезпечують високу відтворюваність і безперервну якість кристалів. Усі результати, отримані в малих масштабах, можна повністю лінійно масштабувати. Ультразвукова кристалізація та осадження дозволяють здійснювати складне виробництво кристалічних наночастинок – як у лабораторних, так і в промислових масштабах.

Вплив ультразвукової кавітації на кристалізацію та осадження

Коли високоенергетичні ультразвукові хвилі вводяться в рідини, чергування циклів високого/низького тиску створює бульбашки або порожнини в рідині. Ці бульбашки зростають протягом кількох циклів, доки не зможуть поглинати більше енергії, після чого вони різко колапсують під час циклу високого тиску. Явище такого різкого імплозійного колапсу бульбашок відоме як акустична кавітація і характеризується локальними екстремальними умовами, такими як дуже високі температури, високі швидкості охолодження, високі перепади тиску, ударні хвилі та струмені рідини.
Ефекти ультразвукової кавітації сприяють кристалізації та осадженню, забезпечуючи дуже однорідне змішування прекурсорів. Ультразвукове розчинення є добре встановленим методом отримання перенасичених розчинів. Інтенсивне змішування та покращений масоперенос покращують зародження ядер. Ультразвукові ударні хвилі сприяють утворенню ядер. Чим більше ядер зароджується, тим дрібнішими та швидшими будуть кристали. Оскільки ультразвукову кавітацію можна дуже точно контролювати, можливо контролювати процес кристалізації. Природні бар’єри для зародження легко переборюються завдяки ультразвуковим силам.
Крім того, ультразвукова обробка сприяє так званому вторинному зародженню, оскільки потужні ультразвукові зсувні сили руйнують та дезагломерують більші кристали або агломерати.
За допомогою ультразвуку можна уникнути попередньої обробки прекурсорів, оскільки ультразвукова обробка підвищує кінетику реакції.

Вплив на розмір кристалів за допомогою ультразвукової обробки

Ультразвук дозволяє виробляти кристали, адаптовані до вимог. Три загальні варіанти ультразвукової обробки мають важливі наслідки для результату:

• Початкова ультразвукова обробка:
  Короткочасне застосування ультразвукових хвиль до перенасиченого розчину може ініціювати зародження та утворення ядер. Оскільки ультразвукова обробка застосовується лише на початковому етапі, подальше зростання кристалів відбувається без перешкод, що призводить до більших кристалів.
• Безперервна ультразвукова обробка:
  Безперервне опромінення перенасиченого розчину призводить до утворення малих кристалів, оскільки безперервна ультразвукова обробка створює багато ядер, що призводить до зростання багатьох малих кристалів.

• Імпульсна ультразвукова обробка:
  Імпульсний ультразвук означає застосування ультразвуку у визначених інтервалах. Точно контрольований вхід ультразвукової енергії дозволяє впливати на зростання кристалів, щоб отримати адаптований розмір кристалів.

Ультразвукові обробники для покращення процесів кристалізації та осадження

Процеси соно-кристалізації та соно-осадження можуть проводитися в партіях або закритих реакторах, як безперервний інлайн-процес або як реакція in-situ. Hielscher Ultrasonics пропонує вам ідеально підходящий сонікатор для вашого конкретного процесу соно-кристалізації та соно-осадження – чи то для дослідницьких цілей у лабораторному та настільному масштабі, чи для промислового виробництва. Наш широкий асортимент продукції задовольнить ваші потреби. Усі ультразвукові апарати можна налаштувати на цикли ультразвукової пульсації – функція, яка дозволяє впливати на задану розмірність кристалів.
Щоб ще більше покращити переваги ультразвукової кристалізації, рекомендується використовувати вставку для проточної комірки Hielscher MultiPhaseCavitator. Ця спеціальна вставка забезпечує ін’єкцію прекурсора через 48 тонких канюль, покращуючи початкове зародження ядер. Прекурсори можна точно дозувати, що забезпечує високу керованість процесом кристалізації.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну пропускну здатність наших ультразвукових апаратів: