Способ управления способностью растворов солей к нуклеации при кристаллизации

Способ может быть реализован в технологических процессах при выделении из растворов солей в виде кристаллической массы. Изобретение относится, в первую очередь, к выделению солей в виде кристаллогидратов.

Известно, что размер кристаллов, выделяющихся их насыщенного раствора, зависит от скорости пересыщения и числа центров кристаллизации (Краткая химическая энциклопедия /гл. ред. И.Л. Кнунянц/ Изд. «Советская энциклопедия». М., 1963 г., т. 2, с. 833). В случае кристаллогидратов процесс зарождения и роста кристаллов связан со скоростью испарения воды и пересыщением поверхностного слоя. В то же время молекулы воды являются компонентами твердой фазы и от их состояния в растворе может изменяться склонность их к участию в образовании координационных связей и кристаллов таких комплексов соответственно. Изменение размеров кристаллов существенно сказывается на протекание последующих процессов: выветривание, дегидратация, слеживание и пр.

Наиболее известным техническим решением управления размерами кристаллов является способ, основанный на изменении числа центров кристаллизации за счет изменения скорости удаления растворителя, в данном случае - воды. (Там же, с. 838). Недостатком данного способа является необходимость наличия специального оборудования и, соответственно, разных технологических режимов для получения мелких или крупных кристаллов. При этом для получения мелкокристаллических продуктов приходится затрачивать значительную энергию для быстрого удаления воды.

Известен способ (Кондогури В.В. Влияние электрического и магнитного полей на число зародышей. / Журнал русского физико-химического общества, часть физ., 58, 279 (1926), с. 279-283) изменения склонности растворов пиперина и салола, заключающийся в длительном (10-50 часов) воздействии постоянного электрического поля напряжением 800 В/мм или магнитного поля 14000 гаусс. При этом во всехслучаях наблюдалось заметное, в 3-10 раз увеличение количества кристаллических зародышей. Недостатком данного способа является длительность процесса и применение электрических полей большой напряженности.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является техническое решение "Радиочастотный преобразователь солей жесткости" патент РФ 56891 опубликовано 27.09.2006 Бюл. №27 в котором используется воздействие на воду и водные растворы электромагнитным полем частотой от 1 до 10 кГц. Недостатком данного способа является факт кратковременного (до 5-ти суток) результата полевого воздействия, что требует периодического повторения процедуры для поддержания полевого эффекта. Кроме этого данное действие предполагается на сильно разбавленные растворы солей жесткости и не может применяться для направленного либо увеличения, либо уменьшения размеров образующихся кристаллов из концентрированных растворов.

Целью настоящего изобретения является реализация способа направленного изменения способности насыщенных растворов солей некоторых металлов, преимущественно кристаллогидратов, к нуклеации, что выражается либо в получении небольшого числа крупных кристаллов, либо множество мелких.

Поставленная цель достигается следующим образом. Для того что бы инициировать образование малого числа центров кристаллизации и, как следствие, образование одиночных крупных кристаллов воду подвергают действию электромагнитного ВЧ поля частотой от 30 до 290 МГц в течение от 30 до 90 минут. После этого воду выдерживают в течение не менее 7 суток в закрытой емкости и приготавливают с использованием такой воды раствор соли, близкий к насыщению. Полученный раствор оставляют для постепенной кристаллизации. Для гептасульфата никеля наилучший результат достигается при частоте 170 МГц, для пентагидрата меди - при 200 МГц. Подбор частоты максимума для других солей осуществляют простым перебором в указанном диапазоне.

Для того чтобы получить массу микрокристаллов реализуют условия получения множества зародышей. Для этого приготавливают раствор соли, близкий к насыщению, и подвергают его действию ВЧ поля определенной частоты, в диапазоне от 30 до 200 МГц, и оставляют для кристаллизации. Выбор частоты в указанном диапазон в случае сульфатов меди или никеля не принципиален. При этом предварительная выдержка не требуется, поскольку кристаллы начинают выпадать через 3-10 дней в зависимости от температуры и влажности.

Диапазон частот определен имеющимся оборудованием. Время полевого воздействия менее 30 минут дает эффект с недостаточной воспроизводимостью. Увеличение времени свыше 90 минут нецелесообразно, поскольку не наблюдается увеличения эффекта полевого воздействия. Выдержка воды в течение не менее 7 суток после полевого воздействия позволяет получить устойчивый результат и не требует повторного полевого воздействия.

Пример 1. Получение крупных кристаллов кристаллогидратов сульфата меди и сульфата никеля. Порцию дистиллированной воды помещали в ячейку из стекла, по оси которой и снаружи располагались электроды из металла, изолированные от раствора. Для создания ВЧ поля определенной частоты использовали генератор Г4-119А, соединенный с ячейкой ВЧ кабелем через разъем. Включали генератор и выдерживали воду в поле 60 минут. Воду переливали в колбу, закрывали пробкой и выдерживали не менее 7 дней для развития эффекта. После выдержки в воду добавлялись рассчитанные количества безводных солей сульфата меди или сульфата никеля. Стаканчик с раствором накрывали фильтровальной бумагой и оставляли в столе до выпадения кристаллов при почти полном испарении воды. На фиг. 1 и 2 показана зависимость максимального размера кристалла, полученного в результате предобработки ВЧ полем разной частоты для разных солей: сульфатов никеля и меди. На основе аналогичных зависимостей выбирают частоту для других солей, позволяющую получить желаемый эффект.

Пример 2. Получение мелких кристаллов кристаллогидратов сульфата меди и сульфата никеля. Для этого готовили ненасыщенные, но близкие к насыщению растворы сульфатов меди и сульфатов никеля. Приготовленные растворы помещали в ячейку и подвергали воздействию ВЧ поля любой частотой в диапазоне от 30 до 200 МГц, как описано в примере 1. Растворы переливали в стаканчики, накрывали фильтровальной бумагой и оставляли в столе до выпадения кристаллов при почти полном испарении воды.