Kết tinh là gì? cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các thiết bị kết tinh

Tác giả: Phó Giáo sư. Tiến sĩ Dược sĩ Nguyễn Đình Luyện.

Bài viết Kết tinh là gì? cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các thiết bị kết tinh trích trong chương 5 sách Một số quá trình và thiết bị trong công nghệ dược phẩm – giáo trình đào tạo dược sĩ đại học bộ môn Công Nghiệp Dược trường Đại học Dược Hà Nội.

Mục tiêu học tập

1. Trình bày được cơ sở lý thuyết của các phương pháp kết tinh từ trạng thái nóng chảy, từ dung dịch và thăng hoa.
2. Trình bày được cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các thiết bị kết tinh.

Kết tinh là quá trình tách chất rắn dưới dạng tinh khiết từ các trạng thái ban đầu khác nhau của chúng như từ thể hơi (phương pháp thăng hoa), thể lỏng (phương pháp đông đặc) và từ dung dịch quá bão hòa (phương pháp kết tinh phân đoạn). Trong đó, phương pháp kết tinh từ dung dịch là phương pháp quan trọng nhất. Đây là phương pháp chủ yếu để thu được chất rắn ở dạng tinh khiết, được ứng dụng nhiều trong tinh chế các hợp chất dùng làm thuốc.

1. Kết tinh từ trạng thái nóng chảy

Kết tinh từ trạng thái nóng chảy là quá trình kết tinh để phân riêng hỗn hợp các chất có độ chảy khác nhau khi làm lạnh một cách có kiểm soát. Quá trình này có ưu điểm hơn so với chưng cất, vì nó cần năng lượng thấp hơn để tách riêng các chất. Mặt khác, vì quá trình thực hiện ở nhiệt độ thấp hơn nên ít ảnh hưởng đến các chất không bền nhiệt và dễ ứng dụng ở qui mô công nghiệp. Tuy nhiên, sản phẩm thu được chỉ ở mức độ tương đối tinh khiết.

1.1. Cơ sở của phương pháp

Không phải tất cả các chất đều được tách riêng từ hỗn hợp nóng chảy bằng cách kết tinh. Tùy thuộc trạng thái cân bằng pha để lựa chọn quy trình kết tinh và nó sẽ quyết định tính khả thi của phương pháp. Chúng ta hay gặp một số trường hợp cơ bản sau đây.

1.1.1. Trường hợp hệ 2 cấu tử tạo thành eutectic đơn giản

Đây là trường hợp đơn giản nhất, có thể kết tinh một thành phần tinh khiết từ hỗn hợp nóng chảy chỉ bằng 1 bước làm lạnh, giản đồ pha được thể hiện trên hình 5.1. Ớ trạng thái lỏng các cấu tử hoà tan hoàn toàn vào nhau, ở trạng thái rắn các cấu tử kết tinh riêng biệt (không tạo thành dung dịch rắn).

Vùng phía trên đường GEH là dạng lỏng. Vùng GEM là vùng cân bằng giữa hai pha rắn A và pha lỏng là dung dịch bão hoà tinh thể rắn A. Vùng HEN là trạng thái cân bằng giữa hai pha là rắn B và dung dịch lỏng bão hoà B.

Vùng nằm dưới đường MN tồn tại hai pha rắn là A và B. Đường GE là đường kết tinh rắn A, đường kết tinh rắn B là HE. Điểm E gọi là điểm eutectic biểu diễn dung dịch lỏng bão hoà cả rắn A và rắn B.

Quá trình làm nguội dung dịch lỏng đến một điểm nào đó trên HE thì dung dịch bắt đầu đạt đến trạng thái bão hoa rắn B. Từ đó trở đi, việc làm lạnh tiếp tục hệ sẽ có hai pha cùng nằm cân bằng với nhau là tinh thể rắn B và dung dịch bão hoà rắn B. Ở trạng thái này, có thể thu được tinh thể rắn B tinh khiết. Tuy nhiên, khái niệm tinh khiết trong trường hợp này chỉ có tính tương đối, vì sản phẩm còn nhiều tạp là chất lỏng bám trên bề mặt tinh thể mà chưa thể rửa hết được.

1.1.2. Trường hợp hệ hai cấu tử có tạo thành dung dịch rắn không hạn chế

Giản đồ pha được thể hiện trên hình 5.2. Trục tung thể hiện nhiệt độ, trục hoành thể hiện thành phần hỗn hợp. Các điểm T_A và T_B là nhiệt độ nóng chảy của các thành phần A và B tinh khiết. Trên giản đồ hình 5.2 cũng cho thấy: khi tăng nồng độ một cấu tử sẽ làm tăng (hoặc giảm) nhiệt độ bắt đầu kết tinh của hệ một cách đều đặn. Đường T_AL’LT_B là đường cân bằng pha lỏng, đường T_AS’ST_B là đường cân bằng pha rắn với trạng thái trung gian lỏng + dung dịch rắn.

Điểm X biểu thị trạng thái cân bằng của pha lỏng có thành phần L với pha rắn có thành phần S, điểm Y tương ứng cũng là trạng thái cân bằng của pha lỏng có thành phần L’ với pha rắn có thành phần S’. Quá trình làm nguội hỗn hợp A từ khu vực lỏng hoàn toàn đến L, khi đó hệ bắt đầu kết tinh. Tinh thể pha rắn đầu tiên tại S giàu B hơn so với dung dịch lỏng ban đâu A. Lúc này hệ có hai pha: dung dịch lỏng và dung dịch rắn. Khi làm lạnh tiếp tục, nhiều tinh thể sẽ được tách ra nhưng hàm lượng của nó thay đổi dọc theo đường cong SS’. Tương ứng, thành phần của pha long cũng thay đổi dọc theo đường LL’.

Trường hợp hệ hai cấu tử tạo thành dung dịch rắn không hạn chế rất khó để tách riêng được từng cấu tử một cách tinh khiết. Trường hợp này đoi hỏi các bước phân đoạn phải được lặp lại nhiều lần mói có thê thu được san phẩm có hàm lượng cao.

1.1.3. Trường hợp hệ hai cấu tử có tạo thành dung dịch rắn hạn chế

Đây là trường hợp hay xảy ra với các hợp chất hữu cơ. Giản đô pha trường hợp này tương tự giản đồ hệ hai cấu tử tạo thành eutectic đơn giản (hình 5.1). Tuy nhiên, đường kết tinh AE không kết tinh A nguyên chất mà kết tinh dung dịch rắn B hoà tan vào A (gọi là dung dịch rắn a), hàm lượng B tăng lên khi hạ thấp nhiệt độ kết tinh. Tương tự như vậy, đường BE kết tinh dung dịch rắn A hoà tan vào B (gọi là dung dịch rắn β).

Phía trên đường AEB là vùng lỏng đồng nhất, phía dưới đường ACEDB là vùng rắn. Vùng các hình quạt bên trái ACF và bên phải BDG là pha rắn ở trạng thái dung dịch rắn đồng nhất. Vùng giới hạn bởi đường FCEDG là hỗn hợp không đồng nhất của 2 dung dịch rắn (α+β). Vùng nằm trong giới hạn của các đường ACE và BDE chứa hỗn hợp lỏng + dung dịch rắn α và lỏng + dung dịch rắn β. Điểm E có nhiệt độ và thành phần của điểm eutectic, nó là một khối dung dịch rắn.

Khi làm lạnh hỗn hợp lỏng X đến Y, có thể quan sát thấy như sau: Điểm Y nằm trong vùng BDE, ở trạng thái huyền phù của dung dịch rắn có thành phần s cân bằng với pha lỏng có thành phần L, tỷ lệ rắn/lỏng tương ứng bằng YL/YS (quy tắc đòn bẩy hoặc quy tắc hỗn hợp).

Trường hợp hệ hai cấu tử tạo thành dung dịch rắn hạn chế cũng không thể tách riêng được từng cấu tử một cách tinh khiết chỉ bằng một bước làm lạnh. Quá trình kết tinh lặp lại nhiều lần, sản phẩm cũng không thu được hoàn toàn tinh khiết.

1.1.4. Hệ ba cấu tử tạo thành eutectic đơn giản

Mối quan hệ cân bằng trạng thái giữa nhiệt độ và nồng độ của hệ 3 cấu tử được thể hiện trên hình 5.4. Hệ 3 cấu tử gồm o-, m- và p-nitrophenol được chọn minh họa trong nghiên cứu trường hợp này.

Ba thành phần của hệ được kí hiệu là O, M và P tương ứng. Trên hình 5.4 (a) ta thấy điểm O’, M’ và P’ là các điểm nóng chảy của thành phần tinh khiết ortho (45°C), meta (97° C) và para (114° C). Các mặt phẳng đứng là sơ đồ thể hiện giản đồ pha của ba hệ thống hai cấu tử O-M, O-P và M-P.

Eutectic của hệ 2 cấu tử được thể hiện tại các điểm A (31,5° C; 72 5% O, 27,5% M), B (33,5° C; 75,5% O, 24,5% M) và C (61,5° C; 54,8% M, 45 2% P). Đường cong AD thể hiện sự ảnh hưởng của việc bổ sung các thành phan P đến hệ 0-M. Tương tự như vậy, đường cong BD và CD biểu thị sự giảm điểm đóng băng của hệ hai cấu tử có các eutectic là B và C khi bổ sung thành phần thứ ba.

Điểm D là điểm có nhiệt độ thấp nhất, mà tại đó tồn tại cân bằng rắn- lỏng của hệ 3 cấu tử. Nói cách khác, D là điểm eutectic bậc 3 (21,5° C; 57,7% O 23,2% M, 19,1% P). ở nhiệt độ và nồng độ này, các chất lỏng đóng băng tạo thành một hỗn hợp rắn của ba thành phần bất biến.

Trên hình chiếu phẳng 5.4(b), các đỉnh tam giác thể hiện thành phần tinh khiết O, M và P và nhiệt độ nóng chảy của chúng. Điểm A, B và c là các eutectic của hệ 2 cấu tử, điểm D là eutectic của hệ 3 cấu tử. Giản đồ pha được chia thành 3 vùng bởi các đường cong AD, BD và CD biểu thị ba mặt pha lỏng trong mô hình không gian. Trên sơ đồ còn thể hiện các đường đẳng nhiệt, nhiệt độ giảm từ đỉnh tam giác về phía điểm eutectic D.

Ta xét một hỗn hợp nóng chảy với thành phần như tại điểm X, sự kết tinh bắt đầu khi nhiệt độ giảm xuống đến 80°C. Điểm X nằm trong vùng ADCM, vì vậy đồng phân meta tinh khiết được tách ra khi tiếp tục giảm nhiệt độ. Các thành phần còn lại thay đổi độ tan dọc theo đường MXX’. Tại X’, thành phần thứ hai (para-) cũng bắt đầu kết tinh. Nếu tiếp tục làm lạnh thêm, meta-và para-được tách ra và thành phần pha lỏng thay đổi dọc theo hướng X’D. Khi nhiệt độ đạt đến điểm D, thành phần thứ ba (ortho)sẽ kết tinh và hệ pha rắn được tách ra với thành phần ổn định.

1.2. Thiết bị kết tinh

1.2.1. Thiết bị kết tinh dạng cột

– Thiết bị kết tinh vận chuyển bằng vít tải:

Hình 5.5 là sơ đồ nguyên lí cột kết tinh vận chuyển bằng vít tải (cột Schildknecht). Nguyên lí hoạt động của thiết bị này như sau:

Nguyên liệu lỏng được cấp vào phần giữa cột, nhờ bộ phận làm lạnh phía đỉnh cột, tinh thể sản phẩm có độ chảy cao được kết tinh trước. Những tinh thể này chuyển động ngược dòng với dạng nóng chảy, nên bề mặt tinh thể được rửa sạch. Tại đáy cột, nó được đun chảy nhờ bộ phận làm nóng và được thao ra ngoài. Phần sản phẩm có nhiệt độ nóng chảy thấp được đưa ra ngoài dưới dạng lỏng ở phần đỉnh cột.

– Thiết bị kết tinh dạng cột rung:

Hình 5.6 mô tả sơ đồ nguyên lí thiết bị kết tinh dạng cột rung. Nguyên liệu được đưa qua thiết bị làm lạnh tạo dạng bùn tinh thể. Sau đó, đi vào cột kết tinh được cấu tạo bởi nhiều ngăn chứa các bi kim loại.

Do cột rung, các bi kim loại chuyển động trên bề mặt các ngăn giống như mặt sàng. Các tinh thể sản phẩm bị nghiền nhỏ và đi xuống dưới qua một loạt các khay rung, lưới lọc. Đáy cột có bộ phận đun nóng làm chảy các tinh thể sản phẩm có độ chảy cao và được tháo ra khỏi thiết bị. Sản phẩm có độ chảy thấp được lấy ra ở đỉnh cột.

1.2.2. Thiết bị kết tinh kiểu trống quay

Hình 5.7 thể hiện mặt cắt ngang và mặt cắt dọc của thiết bị kết tinh kiểu trống quay. Trống kết tinh hình trụ, được đặt ngập trong dịch nóng chảy của hôn hợp cần kết tinh. Nước làm lạnh được phun phía trong bề mặt trống. Sản phẩm kết tinh tạo thành lớp tinh thể mỏng trên bề mặt trống lạnh và được lấy ra nhờ một dao nạo tinh thể. Người ta điều chỉnh nhiệt độ nước làm lạnh, sao cho sản phẩm có nhiệt độ chảy cao kết tinh hết trong quá trình thiết bị hoạt động, sản phẩm có độ chảy thấp được làm giàu trong bồn chứa dịch nóng chảy và được tháo riêng.

1.2.3. Thiết bị kết tinh kiểu băng tải

Thiết bị gồm một hệ thống băng tải chuyển động nhờ 2 trục truyền tải. Mặt dưới của băng tải được phun nước làm lạnh dọc theo chiều dài của băng tải. Nguyên liệu dạng lỏng được đưa vào 1 phía và được phân phối đều trên bề mặt băng tải. Tinh thể sản phẩm được lấy ra ở phía ngược lại. Người ta có thể điều chỉnh thời gian kết tinh của từng chất khác nhau nhờ điều chỉnh tốc độ chuyển động của băng tải (Hình 5.8).

2. Thăng hoa

Thăng hoa là quá trình biến đổi vật chất trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí, không qua trạng thái lỏng. Tuy nhiên, sự kết tinh của một chất rắn từ trạng thái hơi bão hòa của nó được ứng dụng trong quá trình tinh chế một chất nào đó, thường được gọi là quá trình “thăng hoa”. Thực chất, quá trình tinh chê này xảy ra qua 2 giai đoạn: giai đoạn chuyển các chất rắn trực tiếp thành chất khí (thăng hoa) và giai đoạn chuyển dạng khí thành tinh thể.

Nhiều hợp chất vô cơ và hữu cơ có thể tinh chế bằng phương pháp thăng hoa. Ví dụ: Các nguyên tố và hợp chất vô cơ như iod, lưu huỳnh, calci, magnesi, ẢlCl₃, FeCl3, các hợp chất hữu cơ như 2-aminophenol, naphthalẹn, anthracen, anhydrid phthalic, acid anthranilic, anthraquinon, phthalimid, acid benzoic, acid salicylic, cafein…

Nhiều thuốc cũng có thể được tinh chế bằng phương pháp này như aspirin, long não…

Sự thăng hoa của nước đóng vai trò quan trọng trong kĩ thuật đông khô, được ứng dụng nhiều trong sản xuất thuốc và các chế phẩm sinh học.

2.1. Cơ sở của phương pháp

Cơ chế của quá trình thăng hoa được thể hiện trên giản đồ pha biểu diễn trạng thái của một chất thông qua quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất tồn tại của chất đó (hình 5.9). Giản đồ pha được chia thành ba khu vực: rắn, lỏng, hơi bởi các đường thăng hoa, đường bay hơi va đường hóa lỏng.

Ba đường cong cắt nhau tại điểm T (điểm cân bằng ba pha, còn gọi là điểm ba trạng thái). Nếu vị trí của điểm T nằm phía trên áp suất khí quyển thì chất răn không thể làm tan chảy trong điều kiện bình thường mà nó dễ dàng thăng hoa. Nếu điểm T ở phía thấp hơn áp suất khí quyển thì các quá trình thăng hoa hoặc ngưng tụ phải được kiểm soát.

Trong công nghiệp, việc hóa lỏng một chất trước giai đoạn bay hơi là khá phổ biến để tạo điều kiện truyền nhiệt tốt hơn. Tuy nhiên, không nên để kết tinh ở giai đoạn này. Vì vậy, các thiết bị thăng hoa phải hoạt động tốt dưới điểm ba. Việc hóa lỏng một chất trước khi cho bay hơi được gọi là giả thăng hoa.

Cả hai chu kỳ thăng hoa và giả thăng hoa được mô tả trong hình 5.9. Trường hợp một chất có áp suất tại điểm ba lớn hơn áp suất khí quyển quá trinh thăng hoa thực sự xảy ra. Chu kỳ hoàn chỉnh được thể hiện bởi đường ABCDE. Một chất rắn A khi được làm nóng đến nhiệt độ tại điểm B, sự tăng áp suất hơi được thể hiện dọc theo đường thăng hoa từ A đến B. Tại B, quá trình thăng hoa xảy ra hoàn toàn.

Sự ngưng tụ của quá trình này được thể hiện theo đường BCDE, khi hơi thoát ra khỏi thiết bị hóa hơi vào thiết bị ngưng tụ. Trên giản đồ, điểm C biểu diễn áp suất và nhiệt độ tại đầu vào thiết bị ngưng. Tại đó, hơi có thể được làm lạnh hoặc pha loãng với không khí. Tại C, nhiệt độ và áp suất hơi thấp hơn so với điểm B. Sau khi vào thiết bị ngưng, hơi tiếp tục được trộn với không khí, áp suất riêng phần và nhiệt độ của nó sẽ giảm xuống tới điểm D. Sau đó, hơi được làm lạnh ở áp suất không đổi đến điểm E là nhiệt độ của thiết bị ngưng. Giai đoạn này, quá trình kết tinh được thực hiện hoàn toàn.

Khi điểm ba của một chất ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, việc đun nóng dễ dàng đạt đến nhiệt độ và áp suất hơi vượt quá điểm ba. Khi đó chất rắn sẽ nóng chảy trong thiết bị hóa hơi (thể hiện trên đường AB’, đoạn TB’). Tại B’ quá trình hóa hơi xảy ra hoàn toàn. Giảm áp suất riêng phần xuống thấp hơn áp suất điểm ba đến C’(điểm đầu vào thiết bị ngưng tụ), sau đó thực hiện quá trình ngưng tụ theo đường C’DE tương tự như trường hợp trên.

Thăng hoa phân đoạn

Việc phân riêng hai hay nhiều chất bằng thăng hoa phân đoạn, về mặt lý thuyết có thể thực hiện được, nếu chúng tạo thành các dung dịch rắn. Giản đồ pha của hệ hai cấu tử ỏ áp suất dưới áp suất điểm ba được thể hiện trong hình 5.10.

Điểm A và B là nhiệt độ thăng hoa của thành phần A tinh khiết (dễ bay hơi hơn) và B tương ứng. Đường cong dưới AZB là đường thăng hoa của hỗn hợp A và B, đường cong trên BYA là đường hóa rắn. Khi đun nóng dung dịch rắn có thành phần S đến nhiệt độ X, nó sẽ thăng hoa và thành phần pha khí tại Y sẽ giàu A hơn, pha rắn tại z sẽ nghèo A hơn. Quá trình thăng hoa lặp lại các dung dịch rắn thu được từ kết quả trên sẽ thu được các chất tinh khiết.

2.2. Các phương pháp thăng hoa

Kỹ thuật thăng hoa có thể được chia thành ba loại cơ bản: thăng hoa đơn giản, thăng hoa ở áp suất giảm và thăng hoa nhò thổi khí.

+ Thăng hoa đơn giản:

Nguyên liệu rắn được làm nóng và bốc hơi, hơi khuếch tán về phía thiết bị ngưng. Động lực khuếch tán là do chênh lệch áp suất giữa thiết bị hoá hơi và thiết bị ngưng tụ. Đường dẫn hơi giữa thiết bị hóa hơi và thiết bị ngưng nên ngắn để giảm trở lực với dòng chảy.

+ Thăng hoa ở áp suất giảm:

Tương tự thăng hoa đơn giản, chỉ khác là pha hơi từ thiết bị hóa hơi đi đến thiết bị ngưng được dễ hơn do việc làm giảm áp suất trong bình ngưng. Khí thoát ra từ thiết bị ngưng tụ được đi qua 1 cyclon để tránh mất mát sản phẩm.

+ Thăng hoa nhờ thổi khí:

Pha hơi chuyển từ buồng hóa hơi đến thiết bị ngưng nhờ dòng khí trơ. Có thể sử dụng hơi nước quá nhiệt (với các chất không tan trong nước), không khí nóng, N₂ hoặc CO₂. Ưu điểm của phương pháp này là tốc độ di chuyển của pha hơi sang thiết bị ngưng được tăng cường. Ngoài ra, phương pháp này còn có thể cung cấp nhiệt cho quá trình thăng hoa khi dùng hơi hoặc khí nóng.

2.3. Thiết bị kết tinh bằng phương pháp thăng hoa

Hình 5.11 thể hiện sơ đồ nguyên lí thiết bị thăng hoa kết hợp cả 3 phương pháp có thê sử dụng là thăng hoa đơn giản, thăng hoa ở áp suất giảm và thăng hoa nhờ thổi khí. Trường hợp thăng hoa đơn giản thì không sử dụng các van chân không hoặc nitơ. Trường hợp thăng hoa ở áp suất giảm thì dùng thiết bị tạo chân không và mở các van chân không nối với thiết bị thăng hoa. Còn trường hợp thăng hoa nhờ thổi khí thì mở các van khí nitơ đê thổi hơi chất cần tinh che từ buồng hóa hơi đến thiết bị ngưng tụ.

3. Kết tinh từ dung dịch

Đây là phương pháp kết tinh dựa vào độ hòa tan khác nhau của chất rắn trong dung môi ở các nhiệt độ khác nhau, ở một nhiệt độ nhất định, dung dịch chứa lượng chất hòa tan lớn nhất được gọi là dung dịch bão hòa ở nhiệt độ đó. Khi dung dịch quá bão hòa thì lượng chất hòa tan thừa sẽ được tách ra khỏi dung dịch, ở dạng tinh khiết. Nó được tách riêng bằng cách lọc, ly tâm hoặc để lắng rồi gạn. Nước cái chứa một phần chất cần tinh chế và các tạp chất khác do chưa đạt đến nồng độ quá bão hòa.

Trong công nghiệp Dược phẩm, kết tinh từ dung dịch là phương pháp tinh chế được sử dụng trong hầu hết các quá trình làm sạch các chất dạng rắn, để thu được sản phẩm đạt tiêu chuẩn làm thuốc.

3.1. Lựa chọn dung môi kết tinh

Lựa chọn dung môi trong kĩ thuật kết tinh là việc không hề đơn giản. Từ những thí nghiệm đầu tiên, nhiều yếu tố thuộc về dung môi cần phải được xem xét cẩn thận để có thể lựa chọn hoặc loại bỏ. Trong hàng trăm loại chất lỏng được dùng làm dung môi trong phòng thí nghiệm, khi đưa vào sản xuất chỉ còn vài chục thậm trí vài dung môi có thể sử dụng. Các dung môi dùng trong kĩ thuật kết tinh gồm các nhóm chính sau:

• Acid acetic và dẫn chất ester của nó.
• Alcol và ceton.
• Ester.
• Dẫn chất clor của
• Các đồng đẳng của
• Ether dầu hỏa…

Một hỗn hợp hai hay nhiều dung môi thường được dùng trong kĩ thuật kết tinh. Dung môi thứ hai được thêm vào để giảm độ tan của các chất hòa tan, tạo mầm tinh thể và nâng cao hiệu suất kết tinh. Hỗn hợp dung môi cần hòa tan vào nhau ở mọi tỷ lệ. Hệ hai dung môi thường gặp gồm alcol với nước, xeton, ester, hydrocarbon hoặc đồng đẳng benzen, dẫn chất clor của hydrocarbon mạch thẳng hoặc hydrocarbon thơm.

Khi lựa chọn dung môi cho quá trình kết tinh cần chú ý: các chất cần được kết tinh phải dễ hòa tan trong dung môi và dễ tạo tinh thể khi làm lạnh hoặc bốc hơi. Dựa vào độ phân cực, có thể phân loại dung môi là loại phân cực hay không phân cực. Một chất tan không phân cực thường hòa tan nhiều trong dung môi không phân cực mà ít hoặc không tan trong dung môi phân cực và ngược lại. Các dung môi có tính chất hóa học tương tự chất tan thì không nên dùng để tinh chế, vì tính hòa tan lẫn nhau của chúng rất cao, kết tinh khó hoặc không kinh tế. Cần lưu ý rằng dạng tinh thể có thể thay đổi, bằng cách thay đổi dung môi kết tinh. Dựa vào bản chất tương tác của liên kết nội phân tử của dung môi, có thể chia chúng thành ba nhóm chính:

1) Dung môi proton phân cực: nước, methanol, acid acetic.

2) Dung môi không proton lưỡng cực: nitrobenzen, acetonitril,

3) Dung môi không proton, không phân cực: hexan, benzene, ethyl ether.

Trong dung môi proton phân cực, giữa các phân tử dung môi hình thành liên kết hydro mạnh. Để hòa tan được, các chất tan cũng phải có khả năng hình thành liên kết hydro với dung môi. Với các chất tan không proton hoặc về cơ bản không tạo liên kết mạnh mẽ với các phân tử dung môi thì sẽ có độ hòa tan rất thấp.

Trong các dung môi không proton lưỡng cực, các phân tử dung môi ảnh hưởng lẫn nhau bằng tương tác lưỡng cực-lưỡng cực. Nếu chất tan cũng là loại không proton lưỡng cực, nó sẽ tương tác với các phân tử dung môi theo kiểu lưỡng cực-lưỡng cực và tan được trong dung môi loại này. Nếu các chất tan không phân cực, nó không thể tương tác với các phân tử dung môi và do đó không thể hòa tan. Chất tan dạng proton có thể hòa tan trong các dung môi không proton lưỡng cực, vì liên kết hydro có thể hình thành giữa các phân tử chất tan và dung môi.

Trong các dung môi không proton, không phân cực, tương tác giữa các phân tử chỉ là lực Van der Waals yếu. Chất tan không phân cực dễ dàng hòa tan, ngược lại chất tan proton phân cực hoặc lưỡng cực hầu như không thể tan được.

Khả năng hòa tan của một dung môi được biểu thị bằng khối lượng của các chất có thể hòa tan trong một khối lượng nhất định dung môi tinh khiết ở một nhiệt độ xác định.

Hầu hết dung môi (trừ nước) đều có độc tính, gây ô nhiễm môi trường và dê cháy nổ. Vì vậy, ngoài các khả năng về độ tan, sự biến đổi độ tan theo nhiệt độ… khi ứng dụng trong sản xuất ở qui mô công nghiệp, cần chú ý đến độc tính, khả năng gây ô nhiễm môi trường và tính dễ cháy nổ của dung môi sử dụng đê kết tinh, cần nghiên cứu kĩ giới hạn nổ của từng loại để thực hiện biện pháp thông gió cho phân xưởng sản xuất. Hiện nay, nhiều Dược điển đã đưa tiêu chuẩn về dư lượng dung môi trong nguyên liệu hóa dược. Một số dung môi độc hại, gây ung thư như benzen đã bị cấm sử dụng ở nhiều nước. Các dung môi là clor hữu cơ khả năng gây ô nhiễm môi trường cao. Các ether dễ bay hơi và dễ cháy nổ.

Dung môi cần ổn định trong mọi điều kiện hoạt động của quá trình kết tinh và thu hồi. Nó không dễ phân hủy, cũng không dễ bị oxy hóa.

Các chất tan và dung môi không được phản ứng với nhau về mặt hóa học, tuy nhiên có thể có tương tác vật lí nào đó như solvat hóa. Các dung môi có độ nhớt cao thường không có lợi cho quá trình kết tinh, nó gây khó khăn khi lọc và rửa. Do đó, các dung môi có độ nhớt thấp hay được dùng hơn.

Quá trình thu hồi dung môi bằng chưng cất phải dễ thực hiện, sự hao hụt dung môi khi lọc và gia nhiệt cần được xem xét để đảm bảo tính kinh tế và không nguy hiểm.

3.2. Độ hòa tan và dung dịch quá bão hòa

Mỗi một chất có khả năng hòa tan khác nhau trong các dung môi khác nhau. Độ hòa tan phụ thuộc bản chất hóa học của từng chất, tính chất và nhiệt độ của dung môi. Với đa số các chất, khi nhiệt độ tăng thì độ hòa tan cũng tăng. Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi nhiệt độ tăng thì độ hòa tan lại giảm.

Độ hòa tan của một chất thường xác định bằng thực nghiệm và được biểu diễn bằng đường cong phụ thuộc giữa độ hòa tan và nhiệt độ. Hình 5.12 thể hiện số kg muối tan trong 100 kg nước ở các nhiệt độ khác nhau. Đa số các chất, đường hòa tan cong đều đặn (hình 5.12a). Với các chất kết tinh ngậm nước, đường hòa tan có điểm gãy chỉ ra sự thay đổi trạng thái kết tinh (hình 5.12 b).

Trên sơ đồ ta thấy, NaCl có độ tan tăng rất ít khi tăng nhiệt độ, natri acetat có độ tan tăng mạnh khi tăng nhiệt độ. Dựa vào độ tan của từng chất trong các dung môi để lựa chọn phương pháp kết tinh hợp lí, điều này sẽ được làm rõ hơn ở phần sau. Natri sulfat khan, calci sulfatkhan độ tan giảm khi tăng nhiệt độ, sự kết tinh của các muối này ở nhiệt độ cao gây khó khăn cho quá trình truyền nhiệt là điều cần được chú ý.

Dung dịch bão hoà là dung dịch có chứa lượng chất hoà tan lớn nhất ở một nhiệt độ nhất định. Trong dung dịch bão hoà thì tinh thể và dung dịch ở trạng thái cân bằng động, có nghĩa là cứ có bao nhiêu tinh thể mới được tạo thành thì cũng có bấy nhiêu tinh thể bị tan vào trong dung dịch.

Quá trình kết tinh chỉ xảy ra khi dung dịch đạt trạng thái quá bão hoà. Ở trạng thái này dung dịch thường không bền, chất hoà tan dư sẽ kết tinh và dung dịch chuyển dần về trạng thái bão hoà.

Để tiến hành quá trình kết tinh, cần phải tạo được dung dịch quá bão hòa. Có thể dùng các phương pháp sau:

– Làm lạnh dung dịch: dùng cho các chất có độ hòa tan tăng khi tăng nhiệt độ.

– Cất loại bót dung môi: dùng cho các chất có độ tan ít biến đổi khi tăng nhiệt độ.

3.3. Sự tạo thành tinh thể

Sự tạo thành tinh thể gồm hai giai đoạn: giai đoạn tạo mầm tinh thể và giai đoạn phát triển mầm tinh thể thành tinh thể hoàn chỉnh.

3.3.1. Quá trình tạo mầm

Mầm tinh thể (còn gọi là tâm kết tinh) được hình thành khi dung dịch ở trạng thái quá bão hoà. Khi đó, các ion (hoặc phân tử) chất tan do va chạm mà liên kết lại với nhau tạo thành mầm.

Tốc độ tạo mầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: bản chất của chất tan và dung môi, mức độ quá bão hoà của dung dịch, nhiệt độ, phương pháp khuấy trộn, nồng độ các tạp chất… Thời gian tạo mầm có thể rất nhanh (từ vài giây) cho đến rất chậm (có thể vài tháng). Số lượng mầm tạo thành có ảnh hưởng đến kích thước của tinh thể. Khi số mầm tạo thành ít thì tinh thể sẽ lớn và ngược lại khi số mầm tạo thành nhiều thì tinh thể sẽ nhỏ. Thực tế cho thấy, khi tinh thể kết tinh nhỏ thì sản phẩm thu được thường sạch hơn.

Để quá trình tạo mầm được dễ dàng, người ta cho thêm vào dung dịch một ít tinh thể của chất tan hoặc tinh thể của chất khác, nhưng có cùng cấu trúc tinh thể giông chất tan trong dung dịch. Chất cho thêm vào gọi là chất “trợ mầm”. Biện pháp này đặc biệt cần thiết đôi với những dung dịch khó tạo mầm, kê ca khi dung dịch đã có độ quá bão hoà rất lớn.

Để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tạo mầm, còn có thể thay đổi nhiệt độ, tăng cường khuấy trộn, tăng cường những tác động cơ học bên ngoài (rung, lắc, va đập…). Độ nhám của bề mặt thiết bị kết tinh và vật liệu làm cánh khuấy cũng ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm.

3.3.2. Quá trình lớn lẽn của tinh thể

Sự lớn lên của tinh thể theo tất cả các mặt của nó, tuy nhiên tuỳ điều kiện kết tinh mà vận tốc lớn lên của các mặt tinh thể có khác nhau. Tinh thể của một chất có thể có kích thước khác nhau. Có nhiều cách giải thích về sự lớn lên của tinh thể, sau đây là một số ví dụ.

3.3.2.1. Theo Ií thuyết năng lượng bề mặt

Một giọt chất lỏng ổn định khi sức căng bề mặt và diện tích bề mặt của nó ở mức tối thiểu. Gibbs cho rằng sự phát triển của một tinh thể có thể được coi là một trường hợp đặc biệt của nguyên tắc này: tổng năng lượng tự do của một tinh thể ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh khi nhiệt độ và áp suất không đổi sẽ là tối thiểu. Vì vậy, một tinh thể lớn lên trong một dung dịch quá bão hòa, cần đảm bảo rằng tổng năng lượng bề mặt tự do là tối thiểu cho một khối lượng nhất định.

Hình 5.13a cho thấy trường hợp lý tưởng của một tinh thể duy trì cấu trúc hình học của nó khi lớn dần. Một tinh thể như vậy được gọi là “bất biến” khi kết tinh. Ba mặt A tăng trưởng với tỷ lệ tương đương nhau; mặt B nhỏ hơn tăng trưởng nhanh hơn; trong khi mặt nhỏ nhất C phát triển nhanh nhất. Ngược lại, khi tinh thể này hòa tan, mặt C sẽ hòa tan với tốc độ nhanh hơn so với các mặt khác.

Trong thực tế, sự lớn lên của tinh thể không phải như vậy. Mặt nhỏ hơn dù lớn nhanh hơn nhưng đến một lúc nào đó nó cũng biến mất. Hình 4.13b cho thấy các giai đoạn phát triển khác nhau của một tinh thể như vậy.

3.3.2.2. Theo lí thuyết hấp phụ

Cơ chế lớn lên của tinh thể dựa trên cơ sỏ một lốp hấp phụ nguyên tử hay phân tử chất tan tồn tại trên bề mặt tinh thể (Volmer-1939). Khi chất tan khuếch tán đến bề mặt tinh thể, nó không tích hợp vào mạng tinh thể ngay. Một trạng thái cân bằng động được thiết lập tạo thành 1 lớp giữa dung dịch và tinh thể. Lớp này được gọi là lớp hấp phụ, nó đóng một vai trò quan trọng trong sự lớn lên của tinh thể và tạo mầm thứ cấp. Độ dày của lớp hấp phụ không vượt quá 10nm, thậm chí chỉ gần 1 nm.

Các nguyên tử, ion hay phân tử sẽ liên kết vào mạng tinh thể ở các vị trí có lực hấp dẫn rất lớn (các trung tâm hoạt động). Chúng tự sắp xếp cho đến khi toàn bộ bề mặt tinh thể được hoàn thành (hình 5.14a và b). Một lớp mới có thể tiếp tục bắt đầu, khi một trung tâm kết tinh thứ cấp được hình thành trên bề mặt tinh thể (hình 5.14c).

3.4. Các phương pháp kết tinh

3.4.1. Kết tinh có tách một phần dung môi

Phương pháp này được áp dụng khi độ tan của chất tan ít thay đổi theo nhiệt độ. Để tách dung môi có hai cách: cho bay hơi ở nhiệt độ sôi hoặc ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi của dung dịch.

Không nên cô đặc đến quá nồng độ giới hạn, vì khi rót dung dịch vào thiết bị kết tinh có thể dung dịch bị đóng rắn lại. Nồng độ giới hạn của từng chất được xác định bằng thực nghiệm.

Nhược điểm của phương pháp này là nồng độ tạp chất cũng được tăng lên, có thể kết tinh cùng sản phẩm. Mặt khác, tinh thể bị dính hoặc đóng cặn lên bề mặt truyền nhiệt.

Phương pháp tách một phần dung môi ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sôi, có thể để bay hơi tự nhiên hoặc cô ở áp suất giảm. Phương pháp bay hơi tự nhiên thường được thực hiện trong thiết bị hở, ở áp suất thường, thời gian bay hơi chậm. Thiết bị bay hơi yêu cầu phải có kích thước lớn. Phương pháp cô ở áp suất giảm thực hiện trong các thiết bị chuyên dụng.

3.4.2. Kết tinh bằng cách thay đối nhiệt độ

Để tạo dung dịch quá bão hòa, người ta có thể làm lạnh dung dịch bằng nước lạnh hoặc bằng nước muối lạnh. Phương pháp kết tinh này có thể làm việc gián đoạn hoặc liên tục. Kết tinh gián đoạn được thực hiện khi cho dung dịch vào thiết bị kết tinh, sau khi làm lạnh và để kết tinh, tinh thể được lọc. Nước cái có thể được tiếp tục xử lí để thu thêm sản phẩm. Kết tinh liên tục được thực hiện trong hệ thống nhiều thiết bị. Khi đó, dung dịch được đưa vào liên tục và sản phẩm và nước cái cũng được lấy ra liên tục.

3.5. Tính toán hiệu suất kết tinh lý thuyết

Nếu biết trước các dữ liệu của chất tan, dung môi, có thể tính được hiệu suất của quá trình kết tinh theo phương pháp làm lạnh hoặc làm bay hơi dung môi. Ta xét các trường hợp sau:

Kí hiệu:

C₁: nồng độ dung dịch ban đầu (kg muối khan/kg dung môi)

C₂: nồng độ dung dịch cuối cùng (kg muôi khan/kg dung môi)

W: khối lượng ban đầu của dung môi (kg)

V: lượng dung môi bị mất do bay hơi (kg)

R: tỷ lệ khối lượng mol của muối ngậm nước và muôi khan (R=M_n/M_k)

Y: lượng tinh thể (kg)

Với chất kết tinh là muối khan, lượng tinh thể thu được như sau:

Nếu loại hoàn toàn dung môi: Y = WC₁ (4.1)

Nếu chỉ làm lạnh: Y = W (C₁ – C₂) (4.2)

Nếu loại một phần dung môi: Y = W [C₁-C₂(1- V)] (4.3)

Với chất kết tinh là muối ngậm nước, ta có:

Nêu loại hoàn toàn dung môi tự do: Y = WRC₁ (4.4)

Nếu chỉ làm lạnh: Y= [WR(C₁ – C₂)]/ [ 1-C₂(R-1)]  (4.5)

Nếu loại một phần dung môi: Y  = [WR(C₁ – C₂(1-V))]/[1-C₂(R-1)]   (4.6)

Ví dụ 1:

Tính lượng tinh thể tinh khiết có thể thu được từ một dung dịch chứa 100 kg natrisulfat (M=142) trong 500 kg nước, bằng cách làm lạnh đến 10°C. Khả năng hòa tan của natri sulfat tại 10°C là 9 kg muối khan trong 100 kg nưóc. Tinh thể thu được ở dạng ngậm 10phân tử nước (M = 322). Giả sử rằng 2% nước bị mất do bay hơi trong quá trình làm lạnh.

Hiệu suất kết tinh được tính như sau:

R = 322/142 = 2,27

C₁ = 0,2 kg Na₂SO₄/kg nước

C₂ = 0,09 kg Na₂SO₄/kg nước

W = 500 kg nước

V = 0,02 kg / kg nước ban đầu

Thay giá trị vào phương trình (4.6), ta có:

Y= {500 x 2,27 [ 0,2 – 0,09 (1 – 0,02)]}/ [1 -0,09(2,27-1)] = 1,43

Vậy, lượng tinh thể Na₂SO₄.10H₂O thu được là 143 Kg.

Với quá trình kết tinh bằng phương pháp làm bay hơi dung môi trong chân không, để xác định được lượng chất kết tinh, cần tính được lượng dung môi bay hơi V trong thiết bị. Điều này phụ thuộc vào lượng nhiệt cần cung cấp, nhiệt kết tinh, nhiệt độ đầu và cuối của dung dịch… Cân bằng nhiệt lượng được tính như sau:

VWλ_v = c(t₁– t₂)W(1 – C₀ + λ_c Y (4.7)

Trong đó:

λ_v: enthapy hóa hơi của dung môi (kJ / kg)

λ_c: nhiệt kết tinh sản phẩm (kJ/ kg)

t₁: nhiệt độ han đầu của dung môi (°C)

t₂: nhiệt độ cuối của dung môi (°C)

c: nhiệt dung riêng của dung dịch (kJ /kg.độ)

Thay giá trị Y từ phương trình (4.6) vào (4.7) và đơn giản hóa, ta có:

V= {λ_cR(C₁– C₂) + c(t₁– t₂)(1+C₁)[1 – C₂(R – 1)]} / {λ_v[1-C₂(R-1)]-λ_cRC₂}                                 (4.8)

Ví dụ 2:

Tính lượng tinh thể natri acetat (CH₃COONa 3H₂0) thu được khi tiến hành kết tinh chân không liên tục. Biết rằng, áp suất của thiết bị cô là 15 mbar, tốc độ dung dịch vào thiết bị là 2000 kg/h, nồng độ dung dịch là 40% (0,4 kg muối natri acetat khan trong 0,6 kg nước) ở 80°C. Nhiệt độ sôi của dung dịch tăng 11,5°C.

Nhiệt kết tinh của CH₃COONa 3H₂0, λ_c= 144 kJ/ kg

Nhiệt dung riêng của dung dịch, c = 3,5 kJ/kg.độ

Enthapy hóa hơi của nước ở 15 mbar, λ_v= 2,46 MJ/kg

Điểm sôi của nước ở 15 mbar = 17,5°c

Nhiệt độ hoạt động = 17,5 + 11,5°C = 29°C

Độ hòa tan ở 29°C, C₂= 0,539 kg/kg

Nồng độ ban đầu, C₁= 0,4/0,6 = 0,667 kg/kg

Khối lượng ban đầu của nước trong dung dịch, w=0,6 x2000 =1200 kg/h. Tỷ lệ khối lượng mol, R = 136/82 = 1,66

Lượng nước bay hơi được tính toán khi thay các giá trị đã được xác định vào phương trình (4.8): V = 0,153 kg/kg lượng nước ban đầu.

Thay giá trị V = 0,153 vào phương trình (4.6), ta tính được lượng tinh thể natri acetat trihydrat Y = 660 kg/h.

3.6. Thiết bị kết tinh

3.6.1. Thiết bị kết tinh loại cô đặc

Thiết bị phổ biến của loại này là nồi cô đặc. Tuy nhiên, do trong dung dịch có tinh thể và để tạo điều kiện cho tinh thể phát triển, nên kết cấu của nồi cô đặc được thay đổi cho thích hợp. Thường phải lắp thêm thùng lọc ở đầu ra của huyền phù để tách tinh thể ra khỏi nước cái. Thiết bị kết tinh phòng đốt trong (hình 5.15) và thiết bị kết tinh phòng đốt ngoài (hình 5.16) là hai loại thiết bị cô đặc kết tinh điển hình.

Các thiết bị được gia nhiệt bằng hơi nước quá nhiệt. Buồng đốt là loại ông ngắn, thẳng đứng. Trung tâm buồng đốt thường được lắp ống lốn, cho phép dung dịch dễ lưu thông. Với các dung dịch có độ nhốt cao, cần có biện pháp tuần hoàn cưỡng bức vối sự trợ giúp của bơm hoặc máy khuấy.

Sản phẩm thu được từ thiết bị loại này có kích thước tinh thể khá lớn và đồng đều.

3.6.2. Thiết bị kết tinh kiểu tầng sôi

Hình 5.17 là sơ đồ thiết bị kết tinh tầng sôi phòng đốt ngoài. Dung dịch vận hành trong thiết bị nhờ một bơm công suất lớn.

Dung dịch cần kết tinh được bơm qua bộ phận gia nhiệt đến sôi, sau đó được phun vào phòng bốc hơi. Tại đây, do phòng bốc hơi có dung tích lớn, dung dịch được bốc hơi kiểu tầng sôi. Hơi nước qua lưới lọc và đến bộ phận ngưng để thu hồi. Tinh thể tạo thành đủ lớn thì theo ông trung tâm lăng xuống đáy, huyền phù qua ống thông vào phòng chứa huyền phù để tiếp tục chu trình mối.

3.6.3. Thiết bị kết tinh loại dung môi ở áp suất giảm

Thiết bị kết tinh loại dung môi ở áp suất giảm còn gọi là thiết bị kết tinh chân không. Cấu tạo thiết bị dạng hình trụ, có máy khuấy, phía trong có lắp các vách ngăn đê định hướng huyền phù. Nắp được nôi với máy hút chân không, ông cấp dung dịch lắp phía dưới, dẫn tới trung tâm thiết bị. Huyền phù được tháo qua ông ở đáy thiết bị. Nước cái lấy ra từ máng chảy tràn. Thiết bị hoạt động theo kiểu liên tục (hình 5.18).

Đây là loại thiết bị kết tinh nhanh, dùng trong các trường hợp chỉ cần sản xuất dạng tinh thể thô. Dung dịch được đưa trực tiếp vào ông trung tâm và đến vùng bốc hơi nhờ máy khuấy và hút chân không. Tại đây, dung dịch đạt quá bão hòa và các tinh thể được hình thành. Do tỷ trọng tăng, huyền phù được lắng xuống đáy giữa các vách ngăn. Nước cái chuyển động ngược lên trên và theo máng tràn ra ngoài.

3.6.4. Thiết bị kết tinh bằng phương pháp làm lạnh liên tục

Dung dịch quá bão hòa được tạo thành do làm lạnh. Bộ phận làm lạnh lấy nhiệt từ dung dịch và nhiệt kết tinh. Chất tải nhiệt có thể dùng nước lạnh hoặc hỗn hợp nước đá + muối.

Thùng kết tinh có cấu tạo hình trụ đứng, bơm tuần hoàn 3 dùng để đưa dung dịch vào bộ phận làm lạnh. Kích thước tinh thể lớn dần trong quá trình tuần hoàn. Khi các hạt đủ lớn sẽ tách ra và lắng xuống đáy, chúng được hút ra liên tục. Nước cái sau khi đi qua lưới lọc được thu vào máng rồi ra ngoài.

3.6.5. Máng kết tinh

Đây là loại thiết bị đơn giản, chỉ gồm 1 máng bằng kim loại, được gắn trên một hệ giá đỡ. Thiết bị dùng để kết tinh các chất kết tinh chậm, làm nguội tự nhiên bằng không khí. Điển hình cho loại này là máng kết tinh Wulff-Bock (hình 5.20).

Nguyên liệu nóng được bơm vào máng mỏ, tại đó nó được làm mát tự nhiên, thời gian để kết tinh thường kéo dài vài ngày. Tinh thể sản phẩm lắng xuống đáy và lớn dần. Nước cái được xi-phông có thể sử dụng lại, sản phẩm được thu gom bằng cách nạo thủ công.

Máng kết tinh cho năng suất thấp, chi phí lao động cao và đòi hỏi không gian lắp đặt rộng.

Câu hỏi lượng giá

1. Giải thích giản đồ pha của hệ 2 cấu tử tạo thành eutectic đơn giản, hệ hai cấu tử có tạo thành dung dịch rắn hạn chế và hệ ba cấu tử tạo thành eutectic đơn giản?

2. Trình bày cấu tạo và nguyên lí hoạt động của các thiết bị kết tinh từ trạng thái nóng chảy?

3. Trình bày cơ sở lí thuyết của phương pháp thăng hoa ứng dụng trong tinh chế các hóa chất và hóa dược?

4. Phân tích sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ tan của một chất trong việc lựa chọn phương pháp kết tinh của mỗi chất đó?

5. Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm và các lí thuyết về sự lớn lên của tinh thể?

6. Trình bày cấu tạo, nguyên lí hoạt động và ưu nhược điểm của các thiết bị kết tinh từ dung dịch?