chuyển khối trong công nghệ môi trường

1. Chương 5: KẾT TINH
5.1 Khái niệm
 Kết tinh là quá trình tách chất rắn hòa tan trong dung dịch dưới dạng tinh
thể.
 Tinh thể là vật rắn đồng nhất có hình dạng khác nhau, giới hạn bởi các
mặt phẳng.
 Tinh thể gồm cả các phân tử nước gọi là tinh thể ngậm nước (tinh thể
hydrat).
 Tùy theo điều kiện thực hiện quá trình mà tinh thể có thể ngậm số phân tử
nước khác nhau.
 Phương pháp kết tinh
 Thay đổi nhiệt độ hoặc
 Tách một phần dung môi.
 Môi trường kết tinh
 Trong dung dịch nước hay
 Trong các dung môi hữu cơ như: rượu, este, các hydrocacbon, …

2.  Các giai đoạn kết tinh:
 Kết tinh,
 Tách tinh thể ra khỏi dung dịch,
− Dung dịch còn lại gọi là nước cái,
 Kết tinh lại (trường hợp cần thiết),
 Rửa và sấy khô tinh thể.
 Ứng dụng:
 Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm:
− Tinh chế các sản phẩm có yêu cầu độ tinh khiết cao.
 Trong CNMT:
− Thu hồi kim loại quý trong các chất thải điện tử, luyện kim, gia
công kim loại …
− Tạo ra các sản phẩm từ quá trình xử lý khí thải và nước thải.

3. 5.2 Cân bằng trong kết tinh
 Độ hòa tan của các chất phụ thuộc vào nhiệt độ:
− Nhiệt độ tăng độ hòa tan tăng - hòa tan “dương”
− Nhiệt độ tăng độ hòa tan giảm - hòa tan “âm”
 Dung dịch bão hòa:
 Trạng thái cân bằng động của pha rắn và pha lỏng ở một nhiệt độ
nào đó,
− Nghĩa là trong một đơn vị thời gian các tinh thể mới tạo thành
bằng số tinh thể tan vào dung dịch.
 Để kết tinh
 Phải tạo ra trạng thái quá bão hòa cho dung dịch.
 Trạng thái quá bão hòa của dung dịch:
− Thường không bền vững và
− Dễ chuyển về trạng thái bão hòa.

4. Hình 5.1 Biểu đồ trạng thái của dung dịch
1–1: đường hòa tan; 2–2: đường giả bão hòa;
A: vùng quá bão hòa; B: vùng hỗn hợp; C: vùng chưa bão hòa

5.  Các vùng trạng thái của dung dịch:
 Phía dưới vùng 1–1 là vùng chưa bão hòa (vùng C).
 Phía trên đường 2–2 là vùng quá bão hòa, vùng không ổn định
(vùng A),
 Khu vực nằm giữa vùng 1–1 và 2–2 gọi là vùng hỗn hợp (vùng B).
 Giới hạn các vùng phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch, vào tốc
độ làm lạnh hay bay hơi, vào sự khuấy trộn dung dịch …
 Hình 5.1a
 Khi nhiệt độ giảm từ t2 đến t1, nồng độ dung dịch chuyển từ trạng
thái bão hòa sang trạng thái quá bão hòa,
 Sau đó pha rắn tách ra và dung dịch lại trở thành bão hòa và nồng
độ dung dịch giảm từ C0 đến Cx.
 Để kết tinh loại dung dịch này thường người ta cần làm lạnh dung
dịch để chuyển nhanh về trạng thái quá bão hòa thuận tiện cho kết
tinh.

6.  Hình 5.1b
 Loại dung dịch mà khi nhiệt độ tăng nhưng độ hòa tan tăng nhỏ
(KCl),
 Để chuyển dung dịch về vùng quá bão hòa (từ điểm C0 đến Cx) thì
cần giảm nhiệt độ một khoảng lớn.
 Để kết tinh loại dung dịch này cần làm bay hơi một phần dung môi.
 Hình 5.1c
 Biểu diễn dung dịch cho chất hòa tan không tăng khi nhiệt độ tăng
(NaCl).
 Để kết tinh loại muối này cần phải thực hiện quá trình cô đặc.

7. 5.3 Cơ chế và động học quá trình kết tinh
5.3.1 Quá trình tạo mầm
 Mầm tinh thể hay còn gọi là tâm kết tinh được tự hình thành khi
dung dịch ở trạng thái quá bão hòa do dung dịch được làm lạnh
hoặc cho bốc hơi một phần dung môi.
 Mầm tinh thể đạt tới trạng thái cân bằng với dung dịch thì kết tinh
tinh sẽ dừng lại.
 Vận tốc tạo mầm phụ thuộc vào bản chất của chất hòa tan và
dung môi, vào mức độ quá bão hòa của dung dịch, vào nhiệt độ và
phương pháp khuấy trộn, vào tạp chất.
 Thời gian từ vài giây đến vài tháng.
 Để quá trình tạo mầm được dễ dàng, người ta cho vào dung dịch
một ít tinh thể giống chất tan trong dung dịch. Chất cho thêm vào
đó gọi là chất “trợ mầm” (mầm giống).
 Để tăng cường quá trình tạo mầm:
‒ Có thể thay đổi nhiệt độ và
‒ Tăng cường khuấy trộn hoặc tăng cường tốc độ tác động cơ học
bên ngoài (rung, lắc, va đập …).
‒ Độ nhám bề mặt của thiết bị kết tinh và vật liệu làm cánh khuấy
cũng ảnh hưởng đến quá trình tạo mầm.

8. 5.3.2 Quá trình lớn lên của tinh thể.
 Tinh thể phát triển về kích thước và đạt tới giá trị tới hạn của mầm.
 Tinh thể có năng lượng bề mặt lớn nên nó hút các chất hòa tan
trong dung dịch.
 Sự lớn lên của tinh thể đồng thời theo tất cả các mặt của tinh thể
với vận tốc có thể khác nhau.
 Theo thuyết khuếch tán:
 Chất hòa tan bắt đầu khuếch tán từ trong lòng dung dịch qua lớp
biên chuyển động dòng nằm sát bề mặt tinh thể và sau đó dính
vào tinh thể.
 Chiều dày lớp biên chuyển động dòng phụ thuộc vào cường độ
khuấy trộn dung dịch.
‒ Nếu dung dịch không khuấy trộn thì chiều dày lớp biên δ từ 20 –
150 μm.
‒ Khi khuấy trộn mạnh δ→0

9. 5.4 Phương pháp kết tinh
5.4.1 Kết tinh tách một phần dung môi
 Để tách một phần dung môi có thể cho bay hơi dung môi bằng
phương pháp cô đặc.
 Sau khi đạt tới trạng thái quá bão hòa ở mức độ cần thiết thì thực
hiện quá trình kết tinh.
 Phương pháp này gọi là kết tinh đẳng nhiệt.
 Phương pháp kết tinh cho bay hơi bằng cô đặc có nhược điểm là
các tinh thể sẽ bị dính lên bề mặt truyền nhiệt và đồng thời sẽ làm
tăng nồng độ tạp chất có trong dung dịch.
 Để hạn chế lượng chất rắn đọng lại trên bề mặt truyền nhiệt phải
tăng vận tốc tuần hoàn dung dịch hoặc khuấy trộn.
 Để tách dung dịch nước cái khỏi tinh thể thực hiện ở thiết bị khác
ở bên ngoài (lọc, ly tâm …). Dung dịch nước cái còn lại và nước
rửa nếu chứa lượng tạp chất nhỏ thì có thể cho quay lại để tiếp
tục cô đặc.

10. 5.4.2 Kết tinh với thay đổi nhiệt độ
 Để quá bão hòa dung dịch cần phải làm lạnh.
 Có thể làm lạnh dung dịch bằng nước lạnh hoặc
 Bằng nước muối.
 Phương pháp kết tinh này có thể làm việc liên tục hoặc gián
đoạn.
 Kết tinh gián đoạn bằng cách cho dung dịch vào đầy thiết bị,
sau khi kết tinh xong nước cái và tinh thể được tháo ra
ngoài.
 Kết tinh liên tục được thực hiện trong nhiều thiết bị nối với
nhau, dung dịch đi từ thiết bị này qua thiết bị khác và sản
phẩm lấy ra liên tục.

11. 5.4.3 Kết tinh chân không
Trong phương pháp kết tinh chân không:
 Một phần dung môi được bay hơi dựa vào nhiệt vật lý của
dung dịch. Hơi bay ra theo đường bơm chân không. Nhiệt
độ của dung dịch ở trạng thái bão hòa sẽ giảm đến nhiệt độ
sôi tương ứng với áp suất chân không trong thiết bị. Dung
dịch đạt quá bão hòa và kết tinh.
 Dung môi bay hơi không chỉ do nhiệt vật lý của dung dịch
mà còn do sự tỏa nhiệt khi kết tinh.
 Kết tinh tiến hành đồng thời bay hơi do hút chân không và
làm lạnh sẽ tăng cường quá trình và xảy ra trong toàn bộ
thể tích dung dịch, do đó sẽ hạn chế được tinh thể bám dính
vào bề mặt thiết bị truyền nhiệt và thời gian rửa thiết bị sẽ
được rút ngắn.

12. 5.5 Cấu tạo và nguyên lý làm việc thiết bị kết tinh.