ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Кристаллизация веществ из растворов
Для выделения веществ из концентрированных растворов используют методы кристаллизации и сушки.
Кристаллизация - это процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из насыщенных растворов, расплавов или паров.
Создание необходимого для кристаллизации пересыщения раствора обеспечивают охлаждением горячих насыщенных растворов (изогидриче - ская кристаллизация) и удалением частиц растворителя путем выпаривания (изотермическая кристаллизация) или комбинацией этих методов (вакуум-кристаллизация, фракционированная кристаллизация, кристаллизация с испарением растворителя в токе воздуха или другого газа - носителя) Вещества, растворимость которых существенно возрастает с повышением температуры (положительная растворимость), кристаллизуют при охлаждении их насыщенных растворов - это политермическая или изогид - рическая кристаллизация, идущая при неизменном содержании воды в системе. Если с ростом температуры растворимость вещества уменьшается, то кристаллизацию проводят при нагревании раствора. Вещества, мало изменяющие растворимость при изменении температуры, кристаллизуют путем испарения воды при постоянной температуре - изотермическая кристаллизация.
Положительной растворимостью обладают растворы MgCl2, MgSO4, NaCl; отрицательной растворы - CaSO4, СаSiO3, и др.
В практике кристаллизации из растворов иногда используют кристаллизацию высаливанием (введение в раствор веществ, понижающих растворимость соли), вымораживанием (охлаждением растворов до отрицательных температур с выделением кристаллов соли или их концентрирование удалением частиц растворителя в виде льда) или за счет химической реакции, обеспечивающей пересыщение раствора, а также высокотемпературную (автоклавную) кристаллизацию, обеспечивающую получение кристаллогидратов с минимальным содержанием влаги.
Кристаллизацию соли высаливанием проводят введением в концентрированный раствор веществ, уменьшающих ее растворимость. Это вещества, содержащие одинаковый ион с данной солью или связывающие воду.
Распространенным видом кристаллизации является химическое осаждение вещества из растворов с применением реагентов. Например, примеси ионов металлов осаждают в виде гидроксидов, добавляя в раствор щелочи.
Выделение кристаллов происходит только из пересыщенных растворов. Пересыщенные растворы характеризуют разностью между концентрациями пересыщенного Сп и насыщенного С* растворов, относительным пересыщением (Сп - С*)/С* или коэффициентом пересыщения Сп/С*.
Образование кристаллов состоит из двух последовательных стадий:
1) возникновение в пересыщенном растворе центров кристаллизации - зародышей кристаллов;
2) рост кристаллов на базе этих двух зародышей.
Для зародыша сферической формы работа образования равна: А = 4/3 я-Ло, (4.108)
Где r - размер зародыша; о - коэффициент поверхностного натяжения.
Размер зародыша, находящегося в равновесии с пересыщенным раствором, обратно пропорционален логарифму степени пересыщения: r = 2 оМ/[рДТ1и(Сп/С*)], (4.109)
Где М - молярная масса твердой фазы; р - плотность вещества; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.
Вероятность образования зародышей возрастет с повышением температуры. Этому процессу способствует механическая вибрация, перемешивание, воздействие акустического и магнитных полей.
Рост кристаллов происходит в результате диффузии вещества из основной массы раствора к поверхности растворенного кристалла с последующей в кристаллическую решетку.
Скорость диффузии частиц к поверхности кристалла определяется по уравнению
DM/dT = р^(Сп - Скр), (4.110)
А скорость роста кристалла
DM/dT = Ркр^(Скр - С*). (4.111)
Общее уравнение скорости кристаллизации имеет вид
DM/dT = 1/(1/р + 1/Ркр)^(Сп - С*) = КкрДСп - С*), (4.112) где Мт - количество диффундирующего вещества; т - время; в и вкр - коэффициент массоотдачи и процесса кристаллизации; F - площадь поверхности кристалла; Скр - концентрация вещества у поверхности кристалла; Ккр - коэффициент скорости кристаллизации.
Некоторые примеси в растворе увеличивают скорость кристаллизации, другие уменьшают.
Для оценки поведения растворов при их кристаллизации и рационального выбора способа проведения этого процесса используют диаграммы состояния растворов, выражающие зависимость растворимости солей от температуры. Скорость процесса кристаллизации зависит от степени пересыщения раствора, температуры, интенсивности перемешивания, содержания примесей и др., она изменяется во времени, проходя через максимум.