Wasser-Wissen

 

Kristallisation

(crystallisation) Die Keimbildung und das Wachstum vom Kristallen wird als Kristallisation bezeichnet. Während die Kristallisation aus einer reinen Substanz lediglich der Formgebung bzw. der Verfestigung dient, ist bei einer Kristallisation aus einem Mehrkomponentensystem i.a. die Stofftrennung das Ziel. Die Stofftrennung beruht auf der Tatsache, dass die im Gleichgewicht stehenden fluiden und kristallinen Phasen eines Mehrkomponentensystems in der Regel verschiedene Zusammensetzungen haben.

Wird aus einem flüssigen Zweikomponentensystem mittels Kristallisation ein Teil in die feste Phase überführt, so wird im Falle eines eutektischen Stoffsystems das Kristallisat theoretisch vollkommen rein sein. Das würde bedeuten, dass ein Stoff innerhalb einer einzigen Trennstufe vollständig rein dargestellt werden könnte. Dieser theoretische Fall bedarf allerdings einer unendlich langen Kristallisationszeit. Bei technischen Anwendungen sind je nach Anforderung mehrere Stufen notwendig um eine nahezu vollständige Reinigung zu erzielen. 

Eine Stofftrennung mittels Kristallisation ist ein thermisches Trennverfahren ohne Einsatz von Hilfsstoffen. Es kann gegenüber den anderen Verfahren zahlreiche Vorteile besitzen: 

  • Niedrige Energiekosten: Bei der Kristallisation wird i.a. weniger Energie pro Trennstufe für die Phasenumwandlung benötigt als bei evaporativen Trennverfahren ohne Energierückgewinnung; die Schmelzenthalpie ist i.d.R. um den Faktor drei bis sieben (bei Wasser) kleiner als die Verdampfungsenthalpie. Dadurch können alle Stoffsysteme, welche mit zwei bis sechs Kristallisationsstufen genau so gereinigt werden können, wie mit einer Verdampfungsstufe, bei niedrigeren Energiekosten getrennt werden. Außerdem findet die Trennung bei den meisten Stoffsystemen in einem Temperaturbereich statt (unter 200 °C), bei dem Energie kostengünstig zu erhalten ist. 
  • Schonende Stoffbehandlung: Bedingt durch ein in vielen Fällen ausreichend niedriges Temperaturniveau des Verfahrens findet insbesondere bei der Trennung von temperaturempfindlichen Substanzen wie z.B. Lebensmitteln eine schonende Stoffumwandlung statt. Allerdings ist das Temperaturniveau noch immer höher als bei Verfahren ohne Phasenumwandlung wie z. B. dem Membranverfahren.
  • Trennung von azeotropen Gemischen: Bei manchen Stoffgemischen liegen die Siedepunkte der Komponenten sehr dicht beieinander bzw. das System bildet ein Azeotrop, so dass eine evaporative Trennung nicht möglich ist. Bei derartigen Stoffsystemen liegen allerdings meistens die Schmelzpunkte sehr weit auseinander, oder das Stoffsystem ist eutektisch, so dass eine Trennung mittels Kristallisation möglich ist.
  • Umweltsicherheit: Eine leicht verwirklichbare Umweltsicherheit wird aufgrund der Vermeidung der Gasphase und den damit verbundenen Möglichkeit, das Produkt im Falle von Leckagen vollständig aufzufangen, erreicht.
  • Hohe Betriebssicherheit: Bei zahlreichen Apparaten der Schmelzkristallisation, insbesondere in der Schichtkristallisation werden keine mechanisch bewegten Teile verwendet, dadurch ist zumeist ein wartungsarmer Betrieb gewährleistet.

Kristallisationsverfahren werden nur vereinzelt im bereich der Abwasserreinigung eingesetzt, sind aber im Bereich der Kreislaufschließung von innerbetrieblichen Wasserkreisläufen durchaus üblich und wirtschaftlich (z.B. bei der Regenerierung von Prozesslösungen) insbesondere auch in Kombination mit anderen Trennverfahren z.B. Verdampfern.