结晶的基本原理

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固体物质以晶体状态从溶液、熔融混合物或蒸气中析出的过程称为结晶。结晶是获得纯净固态物质的重要方法之一。结晶是从过饱和溶液中结晶析出具有结晶性的固体污染物的过程。对于溶质浓度很高的废水，可直接利用降温冷却的方法产生过饱和溶液，对于溶质浓度较低的废水，可采用加热蒸发的方法产生过饱和溶液。

在过程工业中，许多产品及中间产品都是以晶体形态出现的，因此许多过程中都包含着结晶这一单元操作。与其他分离过程比较，结晶过程的主要特点是：能从杂质含量很多的溶液或多组分熔融态混合物中获得非常纯净的晶体产品；对于许多其他方法难以分离的混合物系如共沸物系、同分异构体物系以及热敏性物系等，采用结晶分离往往更为有效；此外，结晶操作能耗低，对设备材质要求不高，一般亦很少有"三废"排放。

结晶过程可分为溶液结晶、熔融结晶、升华结晶及沉淀结晶四大类，其中溶液结晶是过程工业中最常采用的结晶方法。
1.1 基本概念
晶体是内部结构中的质点元素（原子、离子或分子）作三维有序排列的固态物质，晶体中任一宏观质点的物理性质和化学组成以及晶格结构都相同，这种特征称为晶体的均匀性。当物质在不同的条件下结晶时，其所成晶体的大小、形状、颜色等可能不同。例如，因结晶温度的不同，碘化汞的晶体可以是黄色或红色；NaCl从纯水溶液中结晶时，为立方晶体，但若水溶液中含有少许尿素，则NaCl形成八面体的结晶。

晶体的外形称为晶形。同一种物质的不同晶形，仅能在一定的温度和外界压力范围内保持稳定。当条件变化时，将发生晶形的转变，同时伴随着热效应发生。此外，每一种晶形都具有特定的溶解度和蒸气压。

在结晶过程中，利用物质的不同溶解度和不同的晶形，创造相应的结晶条件，可使固体物质极其纯净地从原溶液中结晶出来。

溶质从溶液中结晶出来，要经历两个步骤：首先要产生微观的晶粒作为结晶的核心，这个核心称为晶核。然后晶核长大，成为宏观的晶体，这个过程称为晶体成长。无论是成核过程还是晶体成长过程，都必须以浓度差即溶液的过饱和度作为推动力。溶液的过饱和度的大小直接影响成核和晶体成长过程的快慢，而这两个过程的快慢又影响着晶体产品的粒度分布。因此，过饱和度是结晶过程中一个极其重要的参数。

溶液在结晶器中结晶出来的晶体和剩余的溶液所构成的悬浮物称为晶浆，去除晶体后所剩的溶液称为母液。结晶过程中，含有杂质的母液会以表面黏附或晶间包藏的方式夹带在固体产品中。工业上通常在对晶浆进行固液分离以后，再用适当的溶剂对固体进行洗涤，以尽量除去由于黏附和包藏母液所带来的杂质。此外，若物质结晶时有水合作用，则所得晶体中含有一定数量的溶剂（水）分子，称为结晶水。结晶水的含量不仅影响晶体的形状，也影响晶体的性质。例如，无水硫酸铜（CuSO4)在240℃以上结晶时，是白色的三棱形针状晶体；但在寻常温度下结晶时，则是含5个结晶水的大颗粒蓝色晶体水合物（CuSO4·5H2O)。晶体水合物具有一定的蒸气压。

1.2 结晶的方法
按照结晶过程中过饱和度形成的方式，可将溶液结晶分为两大类：移除部分溶剂的结晶和不移除溶剂的结晶。

①不移除溶剂的结晶法  此法亦称冷却结晶法，它基本上不去除溶剂，溶液的过饱和度系借助冷却获得，故适用于溶解度随温度降低而显著下降的物系，如KNO3、NaNO3、MgSO4等。

②移除部分溶剂的结晶法   按照具体操作的情况，此法又可分为蒸发结晶法和真空冷却结晶法。蒸发结晶是将溶剂部分汽化，使溶液达到过饱和而结晶。此法适用于溶解度随温度变化不大的物系或温度升高溶解度降低的物系，如氯化钠、无水硫酸钠等溶液；真空冷却结晶是使溶液在真空状态下绝热蒸发，一部分溶剂被除去，溶液则因为溶剂汽化带走了一部分潜热而降低了温度。此法实质上兼有蒸发结晶和冷却结晶共有的特点，适用于具有中等溶解度的物系，如氯化钾、硫酸镁等溶液。

此外，也可按照操作是否连续，将结晶操作分为间歇式和连续式，或按有无搅拌装置分为搅拌式和无搅拌式等。