การตกผลึก

การตกผลึก

            การตกผลึกเป็นปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในสารละลายที่เป็นของไหลบริสุทธิ์        ที่มีการรวมตัวเป็นภาคของแข็งจากขนาดเล็ก ๆ แล้วมีการเพิ่มขนาดขึ้นตามลำดับ           เป็นกระบวนการเก่าแก่กระบวนการหนึ่งที่อุตสาหกรรมทางเคมีนิยมใช้กัน เนื่องด้วยประสิทธิภาพของการแยกสารที่ดีโดยเฉพาะประสิทธิภาพทางด้านพลังงาน จะประหยัดกว่าทางด้านการกลั่น หรือการแยกสกัดระหว่างของเหลวกับของเหลว และได้มีการศึกษาวิจัยอย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะทางด้านการปรับปรุงเครื่องตกผลึก ตลอดจน           การหาวิธีการคำนวณหรือวัดหาขนาดของผลึกในเครื่องตกผลึกการตกผลึกขึ้นกับสมบัติอันหนึ่งของสารคือการละลาย การตกผลึกจะออกมาในลักษณะใด ขั้นตอนแรกจำเป็นต้องทราบคุณสมบัติข้อนี้ก่อน

ภาพที่ 8 การตกผลึกของน้ำตาล ที่มา : http://www.thaifoodscience.com	ภาพที่ 9 การตกผลึก ที่มา : http://www.eqplusmag.com/bbs/ viewthread.php?tid=10743

การละลาย และสภาพอิ่มตัว

            สารละลาย หมายถึง ของผสมตั้งแต่ 2 ชนิดขึ้นไป ผสมเข้าเป็นเนื้อเดียวกัน                   ในสารละลายจึงแบ่งออกได้เป็น 2 ส่วนใหญ่ ๆ คือ
1. ตัวทำละลาย (Solvent)            
2. ตัวถูกละลาย (Solute)

โดยตัวทำละลาย ซึ่งเป็นสารส่วนใหญ่ในระบบมีความสามารถในการละลายอีกสารหนึ่งให้อยู่ในสถานะเดียวกันได้ ในสารละลายใด ๆ ตัวทำละลายมักมีปริมาณมากกว่าตัวถูกละลาย แต่ก็ไม่จำเป็นเสมอไปในบางระบบถูกละลายอาจมีปริมาณมากกว่าตัวทำละลายได้ เช่น ระบบแยมที่มีน้ำตาล 70 % ซึ่งมีมากกว่าน้ำ แต่อย่างไรก็ตาม น้ำยังคงเป็นตัวทำละลาย ส่วนในระบบที่ตัวถูกละลายไม่ใช่ของเหลว เช่น ในน้ำโซดา ตัวถูกละลายคือ ก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์

            สภาพละลายได้เราจะวัดความสามารถในการละลายในตัวถูกละลาย ถ้าตัว       ถูกละลายละลายได้ดีในตัวทำละลาย เรียกว่ามี Solution pressure สูง หรือมีสภาพละลาย  ได้สูง การละลายจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิด้วย โดยการละลายจะดีขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มสูงขึ้น ณ อุณหภูมิหนึ่ง เมื่อเราเพิ่มปริมาณตัวถูกละลายลงไปในตัวทำละลาย จนถึงค่าหนึ่ง      ที่ตัวถูกละลายไม่สามารถละลายได้ เราจะเรียกสารละลายนั้นว่า สารละลายอิ่มตัว (Saturated solution) ตัวอย่างเช่น น้ำเกลือแกงมีค่าอิ่มตัวที่ 26.5% โดยมวล และน้ำเชื่อมจากน้ำตาลทราย 35% โดยมวล ที่ระดับความดันบรรยากาศ อย่างไรก็ตามเราสามารถ  ทำให้การละลายเพิ่มขึ้นได้โดยการให้ความร้อนแก่ระบบ ซึ่งถ้าหากเราปล่อยให้เกิด       การเย็นตัวลงอย่างช้า ๆ ก็จะได้สารละลายอิ่มตัวยิ่งยวด (Supersaturated solution)          แต่ถ้าทำการลดอุณหภูมิอย่างเร็ว ก็จะเกิดผลึกในสารละลายดังกล่าวทันที

รูปแบบการตกผลึก

รูปแบบของการตกผลึกสามารถทำได้ 3 วิธี คือ
            1. ลดปริมาณของตัวทำละลายลง เช่น วิธีการระเหยน้ำในกระบวนการผลิตแยมใน Vacuum Evaporator โดยระเหยตัวทำละลายไปเรื่อย ๆ จนสารละลายเกิดการอิ่มตัวยิ่งยวด และในที่สุดก็จะเกิดการตกผลึกลงมา
            2. ลด หรือ เพิ่มอุณหภูมิ เป็นวิธีที่ทำให้ตัวถูกละลายละลายได้น้อยลง              แล้วในที่สุดทำให้ตัวถูกละลายที่อยู่ในสภาพอิ่มตัวยิ่งยวด ส่วนตัวทำละลายก็จะตกผลึก
            3. เปลี่ยนธรรมชาติของระบบ โดยการเติมสารใด ๆ ที่ไปทำให้สมบัติของ        ตัวทำละลาย หรือดึงตัวทำละลายไปทำการละลายในสารอื่น ซึ่งมีสภาพการละลาย           ที่ดีกว่า หรือเติมตัวถูกละลายที่มีสภาพละลายได้สูงกว่าตัวถูกละลายเดิม ไปดึงเอา         ตัวทำละลายมาจับ
            การตกผลึกสารละลาย ทำได้ 3 วิธี คือ
            1. ลดปริมาณของตัวทำละลายลง
            2. ลด หรือ เพิ่มอุณหภูมิ
            3. เปลี่ยนธรรมชาติของระบบ

ภาพที่ 10 การตกผลึกตามธรรมชาติ 
ที่มา : http://www.dmr.go.th/main.php?filename=sylvite

อัตราการเจริญของผลึก

            การฟอร์มตัวของผลึกที่เกิดขึ้นจากการเย็นตัวอย่างช้า จะมีความแตกต่างกับผลึกที่เกิดจากการเย็นตัวอย่างรวดเร็ว ดังภาพประกอบ

ลักษณะผลึกที่ฟอร์มตัวจากการเย็นตัวอย่างช้า
สภาวะเริ่มต้นของการตกผลึก	เมื่อทำการลดอุณหภูมิอย่างช้า ๆ ตัวถูกละลาย ก็จะปรับเข้าสู่สภาพสมดุลทีละน้อย ๆ
ยิ่งเวลาในการตกผลึกนานก็ทำให้สิ่งเจือปน ในระบบ มีโอกาสที่จะเหวี่ยงหลบอนุภาค ที่จับกันโครงร่างผลึกได้	ในที่สุดจะได้โครงร่างผลึกที่ค่อนข้างแน่น ซึ่งถ้าหากปล่อยให้เย็นต่อไป ผลึกก็จะกอดกันแน่นกว่านี้
สภาวะเริ่มต้นของการตกผลึก	อนุภาคตัวถูกละลายจะเข้าสู่สภาพสมดุลอย่างเร็ว และเมื่อถึงจุดอิ่มตัวก็จะเริ่มตกผลึก
สิ่งเจือปนไม่ทันที่จะออกอนุภาคตัวถูกละลาย   ซึ่งเริ่มเกิดโครงร่าง ก็เข้าไปห้อมล้อม	ในที่สุดจะพบว่ามีสิ่งเจือปนอยู่ภายใน โครงร่างผลึก ซึ่งแตกต่างกับผลึกแบบแรก

ปรากฏการณ์ตกผลึก (Crystallization)

การตกผลึกประกอบด้วย 2 ขั้นตอนหลักที่สำคัญ คือ
1. การเกิดเกล็ดผลึก (Nucleation)
2. การโตของผลึก (Crystal Growth)
ทั้งสองขั้นตอนเกิดเฉพาะในสารละลายที่อิ่มตัวยิ่งยวดเท่านั้น แต่สภาพอิ่มตัวยิ่งยวดไม่ใช่เป็นเหตุเพียงอย่างเดียวที่ทำให้เกิดการตกผลึก ยังขึ้นกับค่าที่แน่นอนของดีกรี      ของสภาพอิ่มตัวยิ่งยวดสำหรับขั้นตอนการเกิดเกล็ดผลึก สามารถเกิดขึ้นได้                 ในสารละลายที่ไม่มีผลึกอยู่ในรูปของสารแขวนลอย ซึ่งเรียกการเกิดเกล็ดผลึกชนิดนี้    ว่าการเกิดเกล็ดผลึกปฐมภูมิ (primary nucleation) ส่วนการเกิดเกล็ดผลึกที่เกิดในสารละลายที่มีเกล็ดของผลึกอยู่ในสารละลายแล้ว เรียกว่า การเกิดเกล็ดผลึกทุติยภูมิ (secondary nucleation)
การเกิดเกล็ดผลึกปฐมภูมิ เป็นการเกิดผลึกขึ้นเองในสารละลาย ซึ่งอาจแบ่งเป็น
Homogeneous คือ เกิดขึ้นเองจริง ๆ ในสารละลาย
Heterogeneous คือ เกิดผลึกได้โดยอาศัยสิ่งเทียมหรือผงต่าง ๆ เป็นตัวเหนี่ยวนำกลไก การเกิดเกล็ดผลึกของทั้งสองแบบจะแตกต่างกันมาก

ภาพที่ 12 ปรากฏการณ์การตกผลึกในรูปแบบของหินอัคนี 
ที่มา : http://elearning.stkc.go.th/lms/html/earth_science/LOcanada2/205/3_th.htm