【化学工程】 晶核 的形成

【化学工程】晶核的形成

晶核的过饱和溶液中由演技的分子、原子、离子形成初始的微小晶体，是晶体生长过程必不可少的核心。由于这些粒子不停地作快速运动，故称之为运动单元。晶核形成的速率指单位体积的溶液在单位时间内生成新粒子的数目。成核速率对晶体产品的粒度及其分布、晶形和产品质量都有很大影响。不同结晶过程需要有一定的成核速率，如果成核速率过大，将使晶体细小、粒度分布范围宽、产品质量下降。

粒子只有大至一定的临界粒度，才能成为继续长大的稳定的晶核，临界粒度是晶核的最小粒度。一般临界粒度值与晶体的表面能及生成能有关，而这直接受溶液的过饱和度影响。根据热力学原理，相同温度下小粒子具有较大的表面能，这使得微小晶体的溶解度高于较大粒度的晶体，结果是小晶粒不断溶解而大晶粒继续生长，直至小晶粒完全消失，因此常见的溶解度数据仅适用于粒度较大些的晶体。

在晶核形成的机理研究中，二次成核已被认为是晶核的主要来源。二次成核是指由于溶液中宏观晶体的影响而形成晶核的现象，而接触成核又在二次成核中起着决定性的作用。在有搅拌的结晶中，晶核的生成量与搅拌强度有直接关系。晶体在与外部物体(包括其他晶粒)碰撞时会产生大量碎片，其中粒度较大的即为新的晶核，这种成核现象的明确机理还在进一步研究当中。接触成核是结晶过程中获得晶核最简单也是最好的方法，其优点是:溶液的过饱和度对接触成核速率的影响较小，容易在这样的操作条件下易得到优质的产品;接触成核所需的能量非常低，晶体碰撞所产生的微小伤痕在饱和溶液中仅需数百秒钟就会自动修复而消失(即再生周期很短)，故被碰撞的晶体不会造成宏观的磨损。

接触成核的方式

接触成核的方式有四种:一是晶体与搅拌器之间的接触，这是最主要的接触成核方式，可以通过改变搅拌器的结构和速度来控制成核速率;二是晶体与容器内表面之间的接触，改变结晶吕结构对成核速率将会有一暄影响;三是晶体与晶体之间的接触，这种接触的几率和能量虽然较小，但是由于同种晶体之间的相互接触可产生更多的晶核，因此其对成核速率的影响较晶体与容器的接触要大;四是由于沉降速度不同而造成的晶体与晶体之间的碰撞。

影响接触成核速率的因素

影响接触成核速率的因素很多，主要有溶液的过饱和度、接触碰撞的能量、搅拌器、晶体的粒度和硬度等等。

过饱和度的影响

每一个次接触所产生的晶核量N与过饱和度S的关系为:N=f(s)。无机化合物晶体的N与S成正比;而有机化合物晶体的N则与lnS成反比。

接触碰撞能量的影响

接触成核所需要的能量相当小。含结晶水的无机化合物及有机化合物晶体的每次接触产生的晶核量N在很大的范围内都与接触能量成正比，而且不存在成核的能量阈值;一般不含苞欲放结晶水的无机化合物的晶体，接触成核所需的能量要大很多，只有接触碰撞能量超过某一阈值才能出现成核，因些这类晶体的成核比其它晶体要困难。

搅拌器的影响

晶体与搅拌器接触的碰撞能量比任何其他种类的接触都要大得多，接触的概率也高得多，对成核速率的贡献也是最大的，因此搅拌器的构型和转速等参数对成核速率肯定有一定影响。一般情况下，搅拌速度大，其成核速率也大。搅拌器的材质也对成核速率有明显的影响，较软的搅拌器桨叶可吸收大部分碰撞能量，使晶核的生成量大幅度减少。

晶体粒度的影响

每次接触的晶核生成量与晶种的粒度有密切关系。当结晶器的几何形状、搅拌器的直径转速等条件相同时，粒度较大的晶体与搅拌器的接触碰撞能量较高，晶核的生成量也较多;而小晶粒在特环过程中根本不与搅拌器接触。若晶粒粒度小于某一最小值，其单个晶粒的接触成核速率约等于零;而粒度较大，接触成核的效率及碰撞能量都增大，单个晶粒的成核速率就上升;若晶粒粒度更大到超过某值，由于晶粒质量的影响，晶粒与搅拌器的接触减少甚至不再接触，单个晶粒的成核速率降低，最后晶粒不再参与循环。

其他因素的影响

有实验证实:晶种的硬度及光滑度增加，接触核的晶核生成量降低。

成核现象的控制

在重结晶工艺中，获得粒度大、粒径分布窄、晶体形状完好、杂质含量低的晶体是主要的目的，这就应该控制晶核的数量，降低成核的速率。可以从以下方面采取措施:保持过饱和度的稳定，避免外界条件的不均匀而引起局部

范围内过饱和底;尽可能减小晶体的机械碰撞能量及概率;对溶液进行加热、过滤等预处理，消除溶液中要能成为晶核的微粒;消除微晶，可采用加热或稀释含有过量微晶的母液，或移除过量微晶的方法;调节物料溶液溶液的PH值或加入某些有选择性的添加剂以改变成核速率。

引文来源晶核的形成-四川成都常信源机械设备公司