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超声波结晶

超声的应用可分为两类,一类是高频超声(频率范围为1~10MHz),已在探测和医学领域获得了成功的应用,并在化合物的结构分析中发挥作用。另一类是功率超声(频率范围为15~60kHz),这类超声主要用于过程的强化。
    近年来,超声场强化化学化工过程的研究十分活跃,超声在合成化学、高分子化学、电化学、萃取与浸取、乳化与破乳和凝聚等过程中的应用屡见报道,但对超声场 强化结晶过程的研究却并不多,特别是超声用于溶液结晶过程的研究很少,且大多处于实验室研究阶段。从文献报道看,这一领域的研究分为工艺性研究和机理研究 两个方面,前者侧重超声波频率和超声场强度对产品质量和操作时间的影响;后者重点研究超声场对初级成核过程的影响。本文从这两个方面介绍功率超声在结晶过 程中的应用。

1 超声在结晶过程中的应用
    在结晶过程中引入超声波主要具有调节晶体粒度、改善粒度分布及缩短结晶时间的作用。
1.1 超声场对产品粒度和粒度分布的影响
    实验研究表明,功率超声可以使过饱和溶液中的固体溶质产生迅速而平缓的沉淀。早在50年代,用10kHz的超声辐照普鲁卡因溶液与盘尼西林盐混合物,获得了细小而均匀的普鲁卡因盘尼西林晶体沉淀物,产品粒度为5~15
mm,而采用常规方法获得的产品粒度为10~20mm。
    丘泰球等[1]研究了蔗糖溶液在频率为6.5kHz、强度为0.6W·cm-2~4W·cm-2的超声场中的结晶过程。结果表明,在外加声场作用下,成核过程可以在低过饱和度下实现,糖液成核数与超声场强度呈线性关系;超声成核法与其它起晶法相比,所得晶核均匀、完整、光洁,晶体尺寸分布范围窄,变异系数低。在此研究基础上,超声波起晶器已开始付诸工业实施。
    工业上起晶的方法有三种:自然起晶法、刺激起晶法和晶种起晶法。前两种方法因不易控制已较少采用,晶种起晶法则要求所加晶种大小均匀、不含碎粒,否则,会严重影响成品的质量。高大维[2]和赵茜等[3]发明了一种超声波刺激起晶法,用于蔗糖、葡萄糖和味精溶液的起晶过程获得了良好结果,与传统方法相比具有制晶种快、制得晶种数目稳定且粒子均匀整齐的特点,并在实验室条件下进行了育晶试验,结果表明,结晶生长过程平稳,晶形良好。
    Enomoto等[4]将超声场引入KAl(SO4)2·12H2O的结晶过程,研究了超声波频率、强度和溶液浓度对明矾结晶过程的影响。结果表明,超声辐照对晶体粒度和粒度分布有明显的影响。图1是溶液浓度为23.1(wt)%时,机械搅拌与超声波作用下所得晶体产品的粒度分布。采用机械搅拌所得产品的最大粒径约为2000
mm,且粒度分布范围宽;而超声波作用下的最大粒径约为200mm,且粒度分布范围窄。超声场对晶体平均粒度的影响与溶液的初始浓度和超声场强度有关。当溶液浓度为16.7(wt)%时加入超声场,平均粒径由机械搅拌条件下的130mm下降到70mm,但当溶液浓度增大到23.1(wt)%和28.6(wt)%时,超声场与机械搅拌条件下的平均粒径基本无差别。表明超声场对结晶过程的影响与溶液的过饱和度有关,这与Arakelyan[5]研究了超声场中熔融结晶和溶液结晶过程后所得的结论一致。图2是平均粒径随超声场强度的变化关系。可见,晶体的平均粒径随超声场强度增加而增大。上述实验结果表明,加入超声场可使溶液在低过饱和度下发生快速成核,且可提高晶体的均匀度。

 

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(a) 机械搅拌

 

(b) 超声辐照

图1 超声和机械搅拌条件下的粒径分布

 
  图2   超声场强度对平均粒径的影响

    Martinez等[6]研究了超声波对正二十二烷在正庚烷中结晶的影响后发现,超声辐照可增加晶粒的均匀性,从而有利于减少包藏;加入超声场可明显增加成核速率,对晶体生长速率的影响很小。
    Kroeber等[7]在KAl(SO4)2·12H2O和3-硝基-1,2,4-三唑-5-酮(NTO)自水溶液结晶的过程中加入超声场,分别研究了超声波对两个体系均相成核过程的影响。实验在不同的冷却速率下进行,并与未加超声场的情况做了比较。结果表明,对KAl(SO4)2·12H2O体系,加入超声场使成核温度变高,结果诱导时间变短,平均粒径变小,尺寸分布变窄;对NTO体系,加入超声场不仅使粒径和粒径分布变小,而且晶体形态也有所改善。
1.2 超声场对结晶时间的影响
    碱式氯化镁Mg3(OH)5Cl·4H2O是制备纤维状氢氧化镁阻燃剂的一种重要中间体,它的结晶过程对纤维状氢氧化镁的产量和质量有着决定性的作用。用传统的方法进行结晶,Mg3(OH)5Cl·4H2O的饱和溶液诱导期特别长,成核速度也很慢,通常在12h以上方能完全结晶出来。王伟宁等[8]将频率为33kHz、功率为250W的超声波引入Mg3(OH)5Cl·4H2O的结晶过程中,使过饱和溶液的诱导期缩短,结晶过程由12h转变为4h,并且超声波频率越高,成核速度越快,完全结晶所用的时间也越短。
    Τюрин等[9]的试验表明,在频率为25kHz的超声场内,氟化铝经过2~4h后开始结晶;而在90
°C和没有辐照的情况下,氟化铝的过饱和溶液经过10~14h仍然没有明显的变化。
    Kelly等[10]发现,许多有机物的饱和溶液在超声波辐照下可使结晶变得容易、快速。例如,盐酸盐[1a]用醋酸钠处理得到胺[1b]。将反应粗产物溶于乙醚后放置过夜方可析出晶体,而若用超声波处理,5min即可析出白色的产物晶体。
       
    此外,超声波对晶体的形态和聚结也存在有利的影响[11,12]

2 超声场对成核速率的影响
    迄今为止,对超声波能够产生强化作用的原因仍不十分清楚。一个被普遍接受的观点是:功率超声对过程的强化作用源于超声空化。所谓超声空化是指存在于液体中 的微气核(空化核)在超声场的作用下振动、生长和崩溃闭合的过程。超声空化的四个效应(湍动效应、微扰效应、界面效应和聚能效应)可以减薄体系的边界层, 增大传质表面积和传质速率,强化微孔扩散,活化分子,因而从整体上使分离过程得以强化[13]
    结晶领域的一些研究者认为,超声场能够对结晶过程产生强化作用,是因为它可明显地促进和/或改变成核过程[6,14]
2.1 聚能效应对成核的影响
    聚能效应指的是空化泡爆裂时产生的局部高能环境,这些能量可用来打开化学键。有些有机结晶物系,如味精,葡萄糖和蔗糖溶液,能与水形成氢键缔合体而呈现在较高过饱和度不析出晶核的介稳特性。超声空化所产生的聚能效应可破坏这种缔合结构和介稳状态,使晶核迅速形成[3]
    为了形成稳定的晶核质点,需要向体系供给能量去克服来自界面能的成核能量势垒。在初级成核过程中,此能量只能由体系内部的能量起伏供给,因而需要较高的过 饱和度。空化现象产生的非线性振动以及气泡破灭时产生的压力使体系内各点的能量发生变化,增大了体系内部的能量起伏,使体系可以在较低过饱和度下发生成核 过程[1]
2.2 界面效应对成核的影响
    根据表面化学理论,晶核质点表面分子的剩余力场能对碰到晶核质点表面上来的气体分子产生吸引力,使气体分子在晶核质点表面上发生相对聚集而呈云雾状,其结 果可减小剩余力场,降低晶核质点的表面能,因而使具有新生表面的晶核质点变得较为稳定,实际上也降低了固/液界面能。在超声场中,空化泡破灭时产生的气泡 云雾状有助于降低界面能而使晶核易于形成[1]
2.3 湍动效应对成核的影响
    超声空化产生的声冲流和冲击波可引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高速冲撞,使边界层减薄、增大传质速率,称之为“湍动效应”。
    晶核可由溶质的分子、原子、离子形成,溶液中的这些粒子作为运动单元不断进行无规则的布朗运动,各运动单元经常能进入另一单元的力场中而立即结合在一起,但又可能迅速分开,这种结合可以认为是可逆链式化学反应:
       
式中,A1表示可结晶粒子,A2、A3、……An-1、An为可结晶粒子的组合体。当组合体的单元数n值增大至一定程度即形成晶核质点。超声空化的湍动效应使溶质粒子的运动能量增加,从而增加其与组合体间碰撞的机会,提高成核几率。
    有关超声空化的研究表明,靠近液/固界面的超声空化,其气泡崩溃时形成的微射流,或对固体表面产生损伤(凹蚀),或使微小的固体颗粒高速碰撞。碰撞时会产生大量碎片,其中粒度较大的就成为新的晶核。可见,湍动效应的另一个作用是加剧颗粒的破碎使成核速率提高[10]
    此外,超声空化的综合效应可使体系的物性发生变化,从而对结晶过程产生影响。
    晶核的生成速率,即单位时间内在单位体积晶浆或溶液中形成新粒子的数目,可用下式计算:
       
式中,
s为固/液界面张力;M为溶质分子量;r为溶质密度;S为溶液的过饱和度;k为频率因子,k∝m-1,μ为溶液的粘度。
    可见,界面张力
s和溶液粘度μ愈小,成核速率愈大。当溶液中加入超声场时,溶液粘度和界面张力都可以降低,使成核速率大大提高[3,15]

3 结束语
    超声是一种简单、廉价的技术,使用安全、方便。超声波用于结晶过程可改善晶体产品的粒度分布,缩短结晶时间,并对晶体的粒度有一定的调节作用。因此其在结晶过程中,特别是对产品粒度和粒度分布有较高要求的场合,如医药产品的结晶过程中将会起到较重要的作用。
    目前超声波的应用还缺乏应有的理论指导,多数研究只是停留在工艺条件的探索上,对超声强化结晶过程的机理仍缺乏足够的认识。因此,要实现其在实际工业生产中的应用,仍要进行大量的研究,以对其中的规律有更清楚的认识。

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:09-03-02]
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