КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ КОНВЕКЦИИ РАСТВОРА

При кристаллизации по этому методу, как и в методах, описан­ных в предыдущих параграфах, для создания пересыщения исполь­зуется разность температур между зоной, в которой идет насыще­ние раствора, и зоной, в которой идет рост кристалла. Однако в отличие от рассмотренных методов конвекция в растворе осу­ществляется принудительно, с помощью насоса.

Принципиальная схема установки для выращивания кристал­лов описываемым способом изображена на рис. 3-15.

Так как для обеспечения массопереноса к растущему кристаллу достаточно сравнительно небольшой скорости течения раствора, то температуры в обеих камерах практически не зависят от скорости течения, а зависят только от температур термостатов. Таким об­разом, в этом методе имеется возможность в достаточно широких пределах более или менее независимо изменять скорость течения и пересыщение. Соответствующая конструкция камеры подпитки обеспечивает при данной скорости циркуляции раствора и данной температуре, благодаря большой площади шихты, потенциально большую суммарную скорость ее растворения. Это приводит к вы­сокому постоянству концентрации раствора, уходящего из камеры подпитки, т. е. независимости концентрации питающего раствора от концентрации обедненного раствора, уходящего из камеры роста. Таким образом, схема взаимосвязей между основными

параметрами (рис. 3-16) отличается относительной простотой при резком преобладании парамет­ров, находящихся под прямым контролем экспе­риментатора. В соответ­ствии со сказанным вы­ше обратной связью меж­ду скоростью роста, пе­ресыщением и скоростью растворения шихты мож­но пренебречь. Отсутствие плохо контролируемых обратных связей, обычных для других методов, обе­спечивает, в принципе, полную управляемость процессом роста.

Главной практической трудностью при создании установки для. выращивания кристаллов по этому методу является запаразичива-ние прибора, особенно соединительных трубок в нем. Поэтому ре­альные установки, как правило, отличаются от схемы, данной на рис. 3-16. В них предусматривают, например, независимый подо­грев соединительных трубок. В некоторых вариантах приборов ка­меру роста располагают над камерой растворения. Создают также трехкамерные установки, в которых одна из камер, промежуточ­ная между камерой роста и растворения, предназначена для пере­грева раствора и его дезактивации. Варианты таких приборов опи­саны, например, Г. Бакли [1954] и К.-Т. Вильке [1977]. Возможные усложненные схемы приборов даны также в предыдущем издании настоящей книги. В одной из этих схем предусматривалась не только дезактивация раствора, но и его регенерация, т. е. очистка от накапливающихся примесей. Таким образом, реальные приборы для выращивания кристаллов по описываемому методу относи­тельно сложны. Достаточно совершенный кристаллизатор для вы­ращивания кристаллов по этому методу — простой, компактный, удобный в сборке и разборке, — видимо, еще не создан. Этот ме­тод, вообще говоря, предпочтителен при промышленном выращи­вании кристаллов или в специализированных кристаллизационных лабораториях со сравнительно большой программой выращивания кристаллов определенного вещества. Метод используется для ве­ществ, имеющих существенную зависимость растворимости от тем­пературы при любом знаке этой зависимости.

Описываемый метод наиболее удобен для получения подряд многих кристаллов без замены раствора и прекращения работы кристаллизатора, а также для непрерывного выращивания одного кристалла с одновременным его вытягиванием из раствора, в условиях высокого постоянства температуры, пересыщения, скорости массопереноса к кристаллу в течение длительного времени. Воз­можные варианты технического устройства для реализации идеи

Рис. 3-16. Схема взаимосвязей между основными параметрами при выращивании кристаллов по методу вынужденной конвекции раствора.

вытягивания кристалла обсуждались в предыдущем издании этой

книги.

Важнейшей проблемой при разработке «идеального» варианта конструкции прибора по этому методу является организация выра­щивания кристаллов в формах (одной гранью) с постоянством скорости протекания жидкости вдоль поверхности кристалла.

3.9. ВЫБОР МЕТОДА ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛОВ

Выбор метода выращивания определяется: 1) характером рас­творимости данного вещества, 2) физико-химическими особенно­стями растворителя и вещества (летучестью, химической устойчи­востью и т. д.), 3) необходимыми размерами однородного крис­талла с учетом возможностей методов и «капризов» данного вещества при росте, 4) техническими возможностями, которые в лаборатории имеются.

Рассмотрим указанные пункты по порядку.

1. Характер растворимости и выбор метода. Когда говорят о характере растворимости вещества и связи ее с методами выращивания, употребляют выражения: «большая рас­творимость», «плохая растворимость», «крутая зависимость от тем­пературы» и т. д. Для уточнения этих понятий предлагается сле­дующая градация веществ по их растворимости и температурным коэффициентам растворимости.

Градация по растворимости, г/100 г растворителя: а) малая (меньше 1); б) умеренная (от 1 до 10); в) большая (от 10 до 100); г) очень большая (выше 100).

Градация по температурным коэффициентам растворимости г/(°С ^. 100 г растворителя): а) малый (слабая зависимость раство­римости от температуры) —меньше 0,001; б) умеренный (умерен­ная зависимость растворимости от температуры) —от 0,001 до 0,1; в) большой (крутая зависимость растворимости от темпера­туры) — больше 0,1.

Очевидны вся условность такой классификации, ее сугубо прикладной характер и то, что со временем, по мере развития мето­дов, указанные границы будут изменяться.

Для выбора метода выращивания в зависимости от раствори­мости и температурного коэффициента растворимости можно воспользоваться рис. 3-17. Здесь по осям в логарифмическом мас­штабе располагается растворимость с и температурный коэффи­циент растворимости β при температурах 5—65° С, взятых в каче­стве примера 25 выращенных нами веществ. Направление стрелок показывает направление изменения параметров с ростом темпера­туры. Начало и конец стрелок соответствует параметрам при ука­занных температурах.

Выше и левее диагональной линии, проходящей через центр координат, составы растворов практически невозможны: чрезвы­чайно большой температурный коэффициент растворимости па сравнению с растворимостью. Остальные линии ограничивают об­ласти параметров, при которых предпочтительнее выращивать кристаллы тем или иным методом, на основании опыта выращива­ния многих веществ.

Рассмотрим области применения разных методов в зависимости от растворимости вещества.

Если растворимость меньше 1 г/100 г растворителя (lg c<0), то возможно выращивание кристаллов методом кристаллизации при химической реакции. Соответствующая граница проводится на рис. 3-17 на основании опыта выращивания иодата кальция, хло­рида свинца, флюорита, крокоита, гипса и др. Однако не исклю­чено, что эта граница может передвинуться вправо. Пожалуй,, затруднением тогда будет лишь подбор исходных веществ для ре­акции, которые обладали бы большей растворимостью, чем синтези­руемое вещество. Начиная с растворимости 1 г/100 г растворителя доступен для использования метод рециркуляции. Приблизительно с растворимости 5 г/100 г (lgc>0,7) возможно выращивание крис­таллов при испарении раствора и при концентрационной конвек­ции. Для меньших значений растворимости применение методов кристаллизации при испарении и концентрационной конвекции воз­можно, но нерационально, так как процесс будет идти очень мед­ленно, а в методе кристаллизации при испарении потребуются большие объемы раствора и увеличится опасность запаразичивания. Дело в том, что испарение происходит с поверхности раствора, кристалл же находится в его глубине, и чем больше расстояние между кристаллом и поверхностью, тем больше пересыщение у по­верхности по сравнению с пересыщением около кристалла (при от­сутствии принудительного перемешивания).

Значение растворимости практически не важно для методов тепловой и вынужденной конвекции, за исключением того случая, когда при очень больших растворимостях растворы становятся весьма вязкими. Высокая вязкость затрудняет конвекцию раствора. Это соображение вызвало появление вертикальной линии, ограни­чивающей область применения методов тепловой и вынужденной конвекции растворимостью выше 200 г/100 г растворителя (lg c>2,3). Повышение вязкости раствора может затруднить также перенос вещества при кристаллизации с испарением растворителя и в методе концентрационной конвекции.

Наклонная линия, ограничивающая область применения метода кристаллизации при изменении температуры при растворимостях около 200 г/100 г растворителя, проведена по тем соображениям, что при таких концентрациях целесообразнее применять другие методы выращивания, так как иначе на приготовление раствора расходуется большое количество вещества. Ограничивающая ли­ния оказывается наклонной потому, что чем больше растворимость, тем при больших температурных коэффициентах растворимости нецелесообразно применять данный метод. Так, йодноватую кис­лоту и сахарозу предпочтительнее выращивать не методом крис­таллизации при изменении температуры, а методами при испаре­нии раствора или концентрационной конвекции.

В зависимости от температурного коэффициента растворимости области применения методов располагаются следующим образом.

Нулевая зависимость растворимости от температуры указывает на принципиальную невозможность применения методов кристал­лизации при изменении температуры и конвекционных.

Если температурный коэффициент растворимости больше 0,001 г/(°С-100 г растворителя) (lg р> —3), уже возможно выра­щивание кристаллов конвекционными методами. Процесс будет идти медленно, но за ограниченностью способов выращивания для веществ с таким температурным коэффициентом, приходится при­менять и эти.

Если температурный коэффициент растворимости достигает 0,5 г/ (°С-100 г растворителя) (бромат натрия, хлорид аммония), наряду с указанными возможно применение метода кристаллиза­ции при изменении температуры.

Для методов кристаллизации при химической реакции и при испарении температурный коэффициент растворимости не имеет значения. Что касается метода концентрационной конвекции, то чем больше температурный коэффициент растворимости вещества, тем легче интенсифицировать процесс выращивания. Поэтому ли­ния, ограничивающая область применения этого метода в отноше­нии растворимости, должна в принципе отклоняться вверх и влево. Однако недостаток данных не позволил провести ее точнее, чем это сделано на графике.

Указанные границы применимости методов ориентировочны, по­скольку можно выращивать, например, кристаллы при изменении температуры и при меньших, чем рекомендовано выше, темпера­турных коэффициентах растворимости. В таком случае требуется лишь брать сравнительно большое количество раствора или в про­цессе выращивания снижать температуру в значительных преде­лах. Однако иногда приходится так поступать по тем или иным соображениям. Установленные границы, по сути дела, указывают на то, какой метод более экономичен перед другими для достиже­ния кристалла данного размера, хотя в принципе крупные одно­родные кристаллы можно получить разными методами.

2. Физико-химический характер растворителя и растворенного вещества. Чем более, например, летуч,

агрессивен, огнеопасен и подвержен разложению раствор, тем, оче­видно, при более низких температурах необходимо работать. Так, могут оказаться непригодными методы кристаллизации при изме­нении температуры и тепловой конвекции, поскольку приходится захватывать широкий диапазон температур. При ядовитости рас­творителя неприменима кристаллизация с испарением раствори­теля в атмосферу.

3. Особенности методов с точки зрения воз­можности получения однородных кристаллов.
У каждого из описанных методов имеются свои достоинства и не­достатки в отношении борьбы с неоднородностями кристаллов и
с другими затруднениями при выращивании.

Во-первых, для получения однородных кристаллов стационар­ные методы предпочтительнее нестационарных. В этом отношении наиболее выгодны конвекционные методы, так как выращивание ведется при постоянной температуре. В методе тепловой конвекции имеется недостаток, уже отмечавшийся, — небольшие самопроиз­вольные колебания температуры около некоторого среднего значе­ния, а следовательно, и колебания пересыщения. Что же касается, например, метода выращивания при изменении температуры, то необходимость изменения температуры во время процесса (иногда на 50—60°С) приводит к неравномерному вхождению примеси в кристалл, что, как уже указывалось, может вызывать напряже­ния и даже трещиноватость кристалла. При кристаллизации с ис­парением растворителя количество примеси в растворе, как гово­рилось, также изменяется по мере его испарения и роста крис­талла.

Во-вторых, при выращивании предпочтительнее, очевидно, те методы, где легче осуществить относительное движение кристалл — среда. Преимущество в этом отношении за методами тепловой и вынужденной конвекции и методом кристаллизации при измене­нии температуры.

В-третьих, методы различаются трудностью регулирования па­раметров процесса.

В-четвертых, эффективность некоторых методов резко сни­жается при неустойчивости пересыщенных растворов. Если послед­нее не так опасно при выращивании кристаллов методами тепло­вой конвекции, то весьма затрудняет получение кристаллов осталь­ными методами.

На основании сказанного методы тепловой и вынужденной кон­векции, метод изменения температуры считаются «быстрыми» ме­тодами выращивания, остальные — «медленными». Если в первых заданный режим необходимо выдерживать днями и неделями, то во вторых — неделями и месяцами.

4. Технические особенности разных методов.
По техническому оформлению самый простой (в описанных выше
вариантах) — метод кристаллизации при химической реакции. Не­
сколько сложнее метод кристаллизации при испарении раствори­
теля. Здесь уже необходима большая точность поддержания температуры.

Затем по технической сложности следуют рядовые мо­дификации метода тепловой конвекции и метод кристаллизации при изменении температуры, далее метод концентрационной кон­векции и рециркуляционный. И наконец, самым сложным техни­чески является метод вынужденной конвекции. Соответственно требуется и большая квалификация, большая культура работы по мере возрастания сложности метода. Чем технически сложнее осу­ществить метод, чем длительнее процесс выращивания, тем больше вероятностей для каких-либо аварий, тем труднее бывает выдер­жать долгое время заданный режим процесса.