Kết tinh và kết tủa bằng siêu âm

Siêu âm khởi phát và thúc đẩy quá trình tạo mầm và kết tinh của các phân tử hữu cơ. Việc kiểm soát quá trình này có vai trò thiết yếu để bảo đảm sản phẩm cuối cùng có chất lượng cao. Ưu điểm của việc sử dụng siêu âm để kết tinh và tạo chất rắn từ chất lỏng là giúp quá trình diễn ra nhanh hơn nhiều, sử dụng ít vật liệu hơn và cho phép kiểm soát kích thước tinh thể cuối cùng. Hielscher cung cấp các thiết bị siêu âm đáng tin cậy và dễ sử dụng để thực hiện thành công quá trình kết tinh và tạo chất rắn, dù xử lý theo mẻ, trên dòng chảy hay tại chỗ trong quá trình phản ứng.

Kết tinh và kết tủa bằng siêu âm

Việc sử dụng sóng siêu âm trong quá trình kết tinh và kết tủa mang lại nhiều tác động tích cực cho quá trình.
Siêu âm công suất cao giúp

• tạo dung dịch quá bão hòa/ siêu bão hòa
• khởi phát quá trình tạo mầm nhanh
• kiểm soát tốc độ phát triển tinh thể
• kiểm soát quá trình kết tủa
• kiểm soát các dạng đa hình
• giảm tạp chất
• đạt được phân bố kích thước tinh thể đồng đều
• đạt được hình thái đồng đều
• ngăn sự lắng đọng không mong muốn trên các bề mặt
• khởi phát quá trình tạo mầm thứ cấp
• cải thiện quá trình tách rắn–lỏng

 

Sự khác biệt giữa kết tinh và kết tủa

Cả kết tinh và kết tủa đều là các quá trình được chi phối bởi độ hòa tan, trong đó một pha rắn, dù là tinh thể hay chất kết tủa, xuất hiện từ dung dịch đã vượt quá điểm bão hòa. Sự khác biệt giữa kết tinh và kết tủa phụ thuộc vào cơ chế hình thành và bản chất của sản phẩm cuối cùng.

Trong quá trình kết tinh, mạng tinh thể phát triển một cách có trật tự và từ từ, được lắp ghép có chọn lọc từ các phân tử hữu cơ, cuối cùng tạo ra một hợp chất tinh khiết có cấu trúc tinh thể hoặc đa hình được xác định rõ. Ngược lại, kết tủa bao gồm sự hình thành nhanh chóng các pha rắn từ dung dịch quá bão hòa, tạo thành chất rắn dạng tinh thể hoặc vô định hình. Cần lưu ý rằng việc phân biệt kết tinh và kết tủa có thể khó khăn, vì nhiều chất hữu cơ ban đầu xuất hiện dưới dạng chất rắn vô định hình, không có cấu trúc tinh thể, sau đó trải qua quá trình chuyển đổi để trở thành chất rắn thực sự có cấu trúc tinh thể. Trong những trường hợp như vậy, việc phân định giữa sự tạo mầm và sự hình thành chất rắn vô định hình trong quá trình kết tủa trở nên phức tạp.

Quá trình kết tinh và kết tủa được chi phối bởi hai bước cơ bản: tạo mầm và phát triển tinh thể. Quá trình tạo mầm bắt đầu khi các phân tử chất tan trong dung dịch quá bão hòa tập hợp lại, tạo thành các cụm hoặc mầm, sau đó đóng vai trò làm nền tảng cho sự phát triển tiếp theo của các pha rắn.

Các vấn đề thường gặp trong quá trình kết tinh và kết tủa

Kết tinh và kết tủa thường là các quá trình diễn tiến với tính chọn lọc rất cao hoặc với tốc độ rất nhanh, do đó rất khó kiểm soát. Kết quả là nhìn chung, quá trình tạo mầm diễn ra ngẫu nhiên, khiến chất lượng của các tinh thể thu được (chất kết tủa) không được kiểm soát. Theo đó, các tinh thể thu được có kích thước không được điều chỉnh theo yêu cầu, phân bố không đều và hình dạng không đồng nhất. Những tinh thể kết tủa ngẫu nhiên như vậy gây ra các vấn đề lớn về chất lượng vì kích thước tinh thể, sự phân bố tinh thể và hình thái là những tiêu chí chất lượng then chốt của các hạt kết tủa. Quá trình kết tinh và kết tủa không được kiểm soát đồng nghĩa với sản phẩm kém chất lượng.

Giải pháp: Kết tinh và kết tủa dưới tác động của siêu âm

Quá trình kết tinh có hỗ trợ siêu âm và kết tủa có hỗ trợ siêu âm cho phép kiểm soát chính xác các điều kiện của quá trình. Tất cả các thông số quan trọng của quá trình kết tinh bằng siêu âm đều có thể được tác động một cách chính xác – nhờ đó kiểm soát được sự tạo mầm và kết tinh. Các tinh thể kết tủa bằng siêu âm có kích thước đồng đều hơn và hình thái gần với dạng lập phương hơn. Các điều kiện được kiểm soát của quá trình kết tinh và kết tủa bằng siêu âm cho phép đạt khả năng tái lập cao và chất lượng tinh thể ổn định liên tục. Tất cả các kết quả đạt được ở quy mô nhỏ đều có thể được mở rộng quy mô theo quan hệ hoàn toàn tuyến tính. Kết tinh và kết tủa bằng siêu âm cho phép sản xuất các hạt nano tinh thể bằng quy trình tinh vi – ở cả quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp.

Tác động của hiện tượng xâm thực siêu âm đối với quá trình kết tinh và kết tủa

Khi sóng siêu âm năng lượng cao được truyền vào chất lỏng, các chu kỳ áp suất cao/ áp suất thấp luân phiên tạo ra các bọt khí hoặc khoang rỗng trong chất lỏng. Các bọt này lớn dần qua nhiều chu kỳ cho đến khi không thể hấp thụ thêm năng lượng, rồi sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng bọt sụp đổ dữ dội như vậy được gọi là xâm thực âm và có đặc trưng là các điều kiện cực đoan cục bộ như nhiệt độ rất cao, tốc độ làm nguội cao, chênh lệch áp suất lớn, sóng xung kích và các tia chất lỏng.
Các tác động của hiện tượng xâm thực siêu âm thúc đẩy quá trình kết tinh và kết tủa bằng cách trộn các tiền chất rất đồng nhất. Hòa tan bằng siêu âm là phương pháp đã được xác lập rộng rãi để tạo ra các dung dịch quá bão hòa/ siêu bão hòa. Quá trình trộn mạnh và sự truyền khối được cải thiện nhờ đó giúp tăng cường sự gieo mầm tinh thể. Các sóng xung kích siêu âm hỗ trợ sự hình thành mầm. Càng nhiều mầm được tạo ra, tinh thể phát triển càng mịn và càng nhanh. Vì hiện tượng xâm thực siêu âm có thể được kiểm soát rất chính xác, nên có thể kiểm soát quá trình kết tinh. Các rào cản tự nhiên đối với sự tạo mầm dễ dàng được vượt qua nhờ các lực siêu âm.
Ngoài ra, xử lý siêu âm hỗ trợ quá trình gọi là tạo mầm thứ cấp, vì các lực cắt siêu âm mạnh phá vỡ và phân rã các tinh thể lớn hơn hoặc các khối kết tụ.
Với siêu âm, có thể tránh bước tiền xử lý các tiền chất vì xử lý siêu âm làm tăng động học phản ứng.

Tác động đến kích thước tinh thể bằng xử lý siêu âm

Siêu âm cho phép sản xuất các tinh thể được điều chỉnh theo yêu cầu. Ba phương thức xử lý siêu âm phổ biến có tác động quan trọng đến sản phẩm đầu ra:

• Xử lý siêu âm ở giai đoạn đầu:
  Việc áp dụng sóng siêu âm trong thời gian ngắn cho dung dịch quá bão hòa có thể khởi phát sự gieo mầm và hình thành mầm. Vì siêu âm chỉ được áp dụng trong giai đoạn đầu, sự phát triển tinh thể sau đó diễn ra không bị cản trở, tạo ra các tinh thể lớn hơn .
• Xử lý siêu âm liên tục:
  Chiếu siêu âm liên tục vào dung dịch quá bão hòa tạo ra các tinh thể nhỏ vì quá trình xử lý siêu âm không gián đoạn tạo ra nhiều mầm, dẫn đến sự phát triển của nhiều tinh thể nhỏ .

• Xử lý siêu âm dạng xung:
  Siêu âm dạng xung là việc áp dụng siêu âm theo các khoảng thời gian xác định. Việc đưa năng lượng siêu âm vào một cách được kiểm soát chính xác cho phép tác động đến sự phát triển tinh thể nhằm đạt được kích thước tinh thể theo yêu cầu .

Máy siêu âm giúp cải thiện quá trình kết tinh và kết tủa

Các quá trình kết tinh và kết tủa bằng siêu âm có thể được thực hiện theo mẻ hoặc trong thiết bị phản ứng kín, dưới dạng quá trình liên tục trên dòng chảy hoặc phản ứng tại chỗ. Hielscher Ultrasonics cung cấp cho bạn thiết bị siêu âm hoàn toàn phù hợp với quá trình kết tinh và kết tủa bằng siêu âm cụ thể của bạn – dù phục vụ nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm và quy mô để bàn hay phục vụ sản xuất công nghiệp. Danh mục sản phẩm đa dạng của chúng tôi đáp ứng nhu cầu của bạn. Tất cả các thiết bị siêu âm đều có thể được cài đặt các chu kỳ phát xung siêu âm – một tính năng cho phép tác động để đạt được kích thước tinh thể theo yêu cầu.
Để tăng thêm lợi ích của quá trình kết tinh bằng siêu âm, nên sử dụng bộ phận chèn MultiPhaseCavitator dành cho buồng dòng chảy Hielscher. Bộ phận chèn đặc biệt này cho phép bơm tiền chất qua 48 ống kim nhỏ, giúp cải thiện việc tạo mầm ban đầu. Các tiền chất có thể được định lượng chính xác, nhờ đó mang lại khả năng kiểm soát cao đối với quá trình kết tinh.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: