Kristallisation

Die Kristallisation beschreibt den Vorgang der Überführung eines Stoffes oder mehrerer Stoffe aus dem amorph-festen, flüssigen oder gasförmigen Zustand in den kristallinen Zustand. Die Kristallisation kann man als thermisches Trennverfahren zur Reindarstellung oder Konzentrierung von Stoffen aus der Schmelze, Lösung oder Gasphase anwenden oder auch zum Verbessern der mechanischen Eigenschaft von Stählen oder Legierungen. Ein weiterer Verwendungszweck der Kristallisation liegt in der Latentwärmespeicherung.

Die notwendige Bedingung zum Bilden von Kristallen ist die Übersättigung einer Phase, damit sich Kristalle bilden oder vorhandene Kristalle wachsen können. Dies erfolgt durch Abkühlen der Phase oder durch Verdampfen. Die Kristallisation als Ganzes wird untergliedert in Kühlungskristallisation, Verdampfungskristallisation, Verdrängungskristallisation und Reaktionskristallisation.

Voraussetzungen für die Kristallisation sind die Keimbildung und der Kristallwachstum. Die Keimbildung erfolgt durch thermische Fluktuation im Bereich der Schmelztemperatur des gegebenen Stoffes. Jedoch sind die Keime oberhalb der Schmelztemperatur instabil, weil die freie Gibbs‘sche Enthalpie der Keime größer ist als die der Schmelze. Aus diesem Grund lösen sich die Keime schneller auf als dass sie sich bilden oder wachsen. Unterhalb der Schmelztemperatur stabilisieren sich Keime und es bilden sich Kristalle, da die Gibbs‘sche Bildungsenthalpie unterhalb der Schmelztemperatur negativ ist. Somit wird der feste Zustand energetisch günstiger. Die Anordnung der Atome verläuft grundsätzlich nach dem Prinzip der dichtesten Packung. Dabei wird die Struktur des Gitters von der Anzahl der Nachbaratome beziehungsweise der Koordinationszahl bestimmt. Beim Kristallwachstum ist der Energiegewinn der Atome sowohl von dessen Volumen als auch von seiner Platzierung im Gitter abhängig. Der Energiegewinn ist proportional zur Anzahl der besetzten Nachbarplätze. Deshalb ist eine Platzierung in der Ebene am energiereichsten. Als Ergebnis dieser Anordnung erhält man ein Kristallgitter.

Die Kühlungskristallisation erfolgt durch das Abkühlen der Phase. Die Verdampfungskristallisation erfolgt durch das Verdampfen des Lösungsmittels. Bei der Vakuumkristallisation wird das Prinzip der Entspannungsverdampfung verwendet, um eine Übersättigung zu erreichen. Des Weiteren kann man ein Verdrängungsmittel nutzen, um die Löslichkeit des gelösten Stoffes zu reduzieren, so dass die Phase übersättigt. Bei der Reaktionskristallisation reagieren die Stoffe zu einem Produkt, welches aufgrund der Übersättigung im Laufe der Zeit auskristallisiert.

Zu Ergänzen ist die Unterscheidung der Begriffe der Schmelzkristallisation und der Kristallisation aus der Lösung. Wenn nur der in niedriger Konzentration vorliegende Stoff kristallisiert, dann spricht man von der Kristallisation aus der Lösung. Wenn jedoch alle vorhandenen Komponenten von der flüssigen Phase in die feste übergehen spricht man von der Schmelzkristallisation.

Bei der Latentwärmespeicherung nutzt man die Enthalpie thermodynamischer Zustandsänderungen des Speichermediums. Dabei ist die Kristallisation und die Schmelzung das am häufigsten genutzte Prinzip. zum Aufladen von Latentwärmespeichern wird das Speichermedium geschmolzen. Das Medium nimmt dabei Energie in Form von Wärme auf. Beim Entladen erstarrt das Speichermedium und gibt dabei die latente Wärme wieder ab. Keimbildner werden dem Speichermedium zugesetzt, welche eine Kristallisation des Phasenwechselmaterials bei geringer Unterkühlung ermöglichen. Die Kristallisation findet dadurch kurz unterhalb der Schmelztemperatur statt.

Als Wärmeträger in einem Latentwärmespeicher nutzt man Phasenübergangsmaterial welches eine hohe Schmelzenthalpie, Lösungsenthalpie und Verdampfungsenthalpie besitzen. Außerdem müssen diese Stoffe eine hohe spezifische Wärmekapazität vorweisen, wenn auch die sensible Wärme zur Speicherung genutzt wird. In Kältenetzen ist dies meist aufbereitetes Wasser, das in einem Eisspeicher genutzt wird. In der Wärmeversorgung wird häufig eine Kombination von Wasser und Paraffin als Wärmeträger eingesetzt. Das Wasser dient dabei dem Wärmetransport und der sensiblen Wärmespeicherung. Bei Phasenwechselmaterial, das als Emulsion vorliegt, spricht man auch von einem Phase Change Slurry.

Englische Übersetzung(en):

crystallization