Kết tinh

2.2.7. ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ của huyền phù có ảnh hưởng đến độ nhớt huyền phù, do đó có ảnh hưởng đến tốc độ chảy của nước trong qua lớp bã. Khi nhiệt độ huyền phù tăng lên thì độ nhớt huyền phù sẽ giảm xuống vμ tốc độ nước trong sẽ tăng lên. Ví dụ: nhiệt độ huyền phù tăng từ 10⁰C đến 40⁰C thì vận tốc lọc có thể tăng lên gấp đôi. Tuy nhiên, thực tế còn có nhiều nguyên nhân khác có ảnh hưởng đến quá trình lọc như ảnh hưởng của vách lọc, năng suất lọc,…. do đó khi tăng nhiệt độ thì vận tốc lọc sẽ tăng không lớn lắm. Quan hệ giữa nhiệt độ với năng suất lọc vμ với

độ ẩm của bã được thể hiện ở hình 15.11.

sao cho muối strychnin nitrat dễ kết tinh hơn sẽ được kết tinh, còn muối brucin nitrat sẽ bị tan ra trong nước cái. Sau đó lọc loại nước cái, sẽ thu được strychnin tinh khiết.

Kết tinh lμ quá trình tách chất rắn hoμ tan trong dung dịch dưới dạng tinh thể. Tinh thể lμ vật rắn đồng nhất có hình dạng khác nhau, giới hạn bởi các mặt phẳng. Tinh thể gồm cả các phân tử nước gọi lμ tinh thể ngậm nước (tinh thể hydrat). Tuỳ theo điều kiện thực hiện quá trình mμ tinh thể có thể ngậm số phân tử nước khác nhau.

3.1.1. Độ hoμ tan

Độ hoμ tan của một chất lμ lượng tối đa chất đó tan được trong một đơn vị dung môi ở một nhiệt độ nhất định. Độ hoμ tan có thể tính bằng g/l, g/kg, phần khối lượng… Độ hoμ tan của một chất phụ thuộc vμo bản chất hoá học của chất đó, phụ thuộc vμo tính chất vμ nhiệt độ của dung môi. Đối với đa số các chất, khi nhiệt độ tăng thì độ hoμ tan tăng, khi đó gọi lμ hoμ tan "dương".

Nhưng cũng có ít trường hợp khi nhiệt độ tăng thì độ hoμ tan lại giảm, khi đó gọi lμ hoμ tan "âm".

Kết tinh các chất hoμ tan trong dung dịch dựa vμo độ hoμ tan hạn chế của chất rắn. Độ hoμ tan của vật chất thường được xác định bằng thực nghiệm vμ được biểu diễn bằng đường cong thể hiện sự phụ thuộc giữa độ hoμ tan vμ nhiệt độ. Đối với đa số chất thì đường cong đó lμ một đường cong đều đặn (Hình 15.12).

Đối với những chất tạo thμnh tinh thể ngậm nước thì đường cong có điểm gẫy (Hình 15.13).

Khi đó độ hoμ tan cũng có thể giảm khi tăng nhiệt độ (đoạn 4a-4-4b, hình 15.14). Vấn đề xác định độ hoμ tan của chất tan ở nhiệt độ nhất định có giá trị thực tế lớn nhưng cho đến nay không có công thức nμo đảm bảo chính xác để tính toán mμ tuỳ theo từng trường hợp cụ thể mμ người ta vận dụng những số liệu thực nghiệm đã biết.

Hình 15.12. Quan hệ giữa nồng độ

bão hòa và nhiệt độ Hình 15.13. Độ hòa tan của tinh thể ngậm nước

Đường hoμ tan của một số chất muối vô cơ phụ thuộc vμo nhiệt độ được biểu diễn trên hình 15.14.

- đường 1-1: ứng với KNO₃ - đường 2-2: ứng với KCl - đường 3-3: ứng với NaCl

- đoạn 4a-4: ứng với Na₂SO₄.10H₂O - đoạn 4-4b: ứng với Na₂SO₄.

Hình 15.14. Đường hoà tan của các muối ư Đường 1-1 (KNO₃): độ hoμ tan tăng nhanh khi nhiệt độ tăng.

ư Đường 2-2 (KCl): độ hoμ tan tăng chậm khi nhiệt độ tăng.

ư Đường 3-3 (NaCl): độ hoμ tan tăng không đáng kể khi nhiệt độ tăng.

ư Đường 4a-4-4b của muối sulfat natri:

+ Đoạn 4a-4 (Na₂SO₄.10H₂O): độ hoμ tan tăng, gọi lμ "hoμ tan dương".

+ Đoạn 4-4b (Na₂SO₄ không ngậm nước): độ hoμ tan giảm-"hoμ tan âm".

3.1.2. Các trạng thái của dung dịch

Để có thể tiến hμnh được quá trình kết tinh, người ta phải tạo ra trạng thái quá bão hoμ của dung dịch. Trạng thái quá bão hoμ của dung dịch thường không bền, chất hoμ tan thừa sẽ tách ra khỏi dung dịch để kết tinh, khi đó dung dịch sẽ dễ chuyển về trạng thái bão hoμ.

Dung dịch bão hoμ ở một nhiệt độ nhất định lμ dung dịch có chứa lượng

dung dịch ở trạng thái cân bằng động, có nghĩa lμ trong một đơn vị thời gian cứ có bao nhiêu tinh thể mới được tạo thμnh thì cũng có bấy nhiêu tinh thể bị tan vμo trong dung dịch.

Các trạng thái của dung dịch được biểu diễn bằng biểu đồ gọi lμ biểu đồ trạng thái của dung dịch. Các loại dung dịch khác nhau được thể hiện bằng những biểu đồ trạng thái khác nhau, thể hiện trên hình 15.15 dưới đây.

a) b) c) Hình 15.15. Biểu đồ trạng thái của các loại dung dịch

Trong đó:

+ Hình a - biểu đồ trạng thái của dung dịch muối KNO₃. + Hình b -biểu đồ trạng thái của dung dịch muối KCl.

+ Hình c - biểu đồ trạng thái của dung dịch muối NaCl.

Trên mỗi biểu đồ:

ư Vùng A - vùng quá bão hoμ, nằm phía trên đường 2-2, lμ vùng không ổn định.

ư Vùng C - vùng chưa bão hoμ, nằm ở dưới đường 1-1.

ư Vùng B - vùng hỗn hợp, nằm ở giữa đường 1-1 vμ đường 2-2. Giới hạn của vùng hỗn hợp phụ thuộc vμo nhiệt độ của dung dịch, vμo tốc độ lμm lạnh hay bay hơi, vμo sự khuấy trộn dung dịch, …

Tuỳ theo từng trường hợp cụ thể mμ người ta áp dụng những phương pháp kết tinh sau sao cho phù hợp:

ƒ Trường hợp a:

Đối với những dung dịch có độ tan tăng nhanh khi tăng nhiệt độ, ví dụ dung dịch muối KNO₃. Khi nhiệt độ giảm từ t₂ đến t₁, dung dịch chuyển từ trạng thái bão hoμ sang trạng thái quá bão hoμ, nồng độ dung dịch sẽ biến đổi từ C₀ đến C_x, sau đó pha rắn sẽ tách ra, dung dịch sẽ lại trở về trạng thái bão

nμy thường người ta tiến hμnh lμm lạnh dung dịch, vì khoảng chênh lệch nhiệt độ nhỏ nên dung dịch dễ chuyển nhanh về trạng thái quá bão hoμ thuận tiện cho quá trình kết tinh.

ƒ Trường hợp b:

Đối với những dung dịch có độ tan tăng chậm khi tăng nhiệt độ, ví dụ dung dịch muối KCl. Để chuyển dung dịch nμy vμo vùng quá bão hòa (từ điểm đến điểm) thì cần phải giảm một khoảng nhiệt độ lớn. Do đó để kết tinh loại dung dịch nμy cần cho bay hơi một phần dung môi.

ƒ Trường hợp c:

Đối với những dung dịch có độ hoμ tan thay đổi không đáng kể theo nhiệt độ, ví dụ dung dịch NaCl. Để kết tinh loại muối nμy người ta cần thực hiện quá trình cô đặc.

3.2. Quá trình hình thμnh tinh thể

Sự tạo thμnh tinh thể bao gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm tinh thể vμ giai đoạn phát triển mầm tinh thể thμnh tinh thể hoμn chỉnh.

3.2.1. Quá trình tạo mầm

Mầm tinh thể (còn gọi lμ tâm kết tinh) được tự hình thμnh khi dung dịch ở trạng thái quá bão hoμ do dung dịch được lμm lạnh hoặc cho bốc hơi một phần dung môi. Theo quan điểm hiện đại, các ion (phân tử) chất tan khi va chạm với nhau thì liên kết lại với nhau tạo thμnh mầm.

Tốc độ tạo mầm phụ thuộc vμo rất nhiều yếu tố: bản chất của chất tan vμ dung môi, mức độ quá bão hoμ của dung dịch, nhiệt độ, phương pháp khuấy trộn, nồng độ các tạp chất,…

Thời gian tạo mầm có thể rất nhanh (từ vμi giây) cho đến rất chậm (có thể vμi tháng). Số lượng mầm tạo thμnh có ảnh hưởng đến kích thước của tinh thể. Khi số mầm tạo thμnh ít thì tinh thể sẽ lớn vμ ngược lại khi số mầm tạo thμnh nhiều thì tinh thể sẽ nhỏ.

Để cho quá trình tạo mầm được dễ dμng, người ta cho thêm vμo dung dịch một ít tinh thể của chất tan hoặc tinh thể của chất khác nhưng có cùng cấu trúc tinh thể giống chất tan trong dung dịch. Chất cho thêm đó gọi lμ chất

"trợ mầm". Biện pháp nμy đặc biệt cần thiết đối với những dung dịch khó tạo mầm, kể cả khi dung dịch đã có độ quá bão hoμ rất lớn.

Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo mầm còn có nhiều biện pháp khác nhau: thay đổi nhiệt độ, tăng cường khuấy trộn, tăng cường những tác động cơ học bên ngoμi (rung, lắc, va đập,…). Độ nhám của bề mặt thiết bị kết

3.2.2. Quá trình lớn lên của tinh thể

Tinh thể phát triển về kích thước vμ đạt tới giá trị tới hạn của mầm.

Tinh thể có năng lượng bề mặt lớn lên nó hút (hấp thụ) các chất tan trong dung dịch. Tinh thể lớn lên đồng thời theo tất cả các mặt của nó. Tuỳ theo điều kiện kết tinh mμ vận tốc lớn lên của các mặt tinh thể có khác nhau. Tinh thể của một chất có thể có kích thước khác nhau. Mỗi một dạng tinh thể chỉ bền ở một khoảng áp suất vμ nhiệt độ nhất định. Sự biến dạng của tinh thể có kèm theo sự toả nhiệt hoặc thu nhiệt.

Theo thuyết khuếch tán thì chất hoμ tan bắt đầu khuếch tán từ trong lòng dung dịch, xuyên qua lớp biên (có chuyển động dòng vμ nằm sát bề mặt tinh thể) rồi sau đó dính vμo tinh thể.

Chiều dμy của lớp biên phụ thuộc vμo tốc độ khuấy trộn dung dịch.

Nếu dung dịch không khuấy trộn thì bề dμy lớp biên δ ≈ 20 ữ 150 μm. Nếu có khuấy trộn mạnh thì δ → 0.

Trong thực tế, quá trình lớn lên của mầm thường xảy ra chậm hơn nhiều so với quá trình hoμ tan. Tốc độ kết tinh thay đổi

theo thời gian được thể hiện trên hình 15.16.

Sự thay đổi tốc độ kết tinh phụ thuộc vμo mức độ quá bão hoμ. Lúc bắt đầu, tốc độ kết tinh bằng 0 (ở giai đoạn tạo mầm), rồi đạt tới giá trị cực đại, sau đó lại giảm dần đến giá trị 0.