産業用溶解性・降水量における熱力学の理解

工業製造、プロセス設計、品質管理では、物質が特定の条件の下で溶解または沈殿物が単なる理論的な演習であるかどうかを予測する能力は、実用的な必需品です。 温度、圧力、濃度、および科学者は、エネルギーとその変化の研究、定量的な精度でこれらの予測を行うための基本的なフレームワークを提供します。 温度、圧力、濃度、およびイオン強度などの変数を分析することにより、エンジニアおよび科学者は、すべての化学物質が、化学的レベルの原則を最適化するために、医薬品の動作をモデル化することができます。

基礎熱力学的原則:ギブスフリーエネルギーと平衡

容解性と沈殿の心臓部では、Gibbbsフリーエネルギー(G)の概念があります。 Gibbsフリーエネルギー(ΔG)のプロセスの変化は、自発性を予測します。

  • ΔG の < 0 なら、プロセスは自発的です(方向によって溶解するか、または沈殿物を)
  • ΔG = 0 なら、システムは平衡にあります
  • ΔG の > 0 なら、プロセス非 spontaneous

溶解反応に関しては、以下のとおり検討します。

Xm[]]Yn](s) 温度 m Xn + ]] (aq) + n Y[m (aq)

標準的なギブは分解(ΔG°]diss)のための自由なエネルギー変化を解放します、または容解性プロダクトK]sp[]]に関連しています、:

ΔG°]]diss[] = –RT ln K]sp

R は普遍的なガス定数および T の絶対温度です。 この式は熱力学データと容解性の予測間の橋形を形作ります。 容解性プロダクトはそれ自体が活動(または集中、理想的な仮定の下で)のプロダクトとして定義されます構成されたイオン、それぞれそのstoichiometric 係数の力に上げられます。

実際の産業ソリューションでは、高いイオン強度、複雑化、温度依存性により、理想的な行動の逸脱が一般的です。精度を維持するために、活性係数(γ)が導入され、Debye-Hückelの式やPitzerモデルなどのモデルを使用して計算されます。

容解性予測: 単純Kを超えて、sp

Ksp]は、良好な開始点を提供しますが、産業コンテキストにおける容解性の熱的予測は、複数の要因を考慮する必要があります。

温度の依存性

バンのホフ式は温度に溶解性プロダクトを関連付けません:

[]d(ln K]]])/ dT = ΔH°/ (RT2)

ΔH°が溶解のための標準的な熱心な変化である場所。多くの塩のために、容解性は温度(endothermicの分解)と増加しますが、カルシウム硫酸塩のようなある塩は、熱交換装置のスケーリングのための重要な事実であるレトログラードの容解性(exothermicの溶解)を、表わします。

共通イオン効果およびイオン強さ

一般的なイオンを添加すると、Le Châtelierの原則に従って平衡をシフトし、容解性を低下させます。例えば、ナトリウムビカートの生産では、一般的なイオン濃度の慎重な制御は、早期結晶化を防ぎます。イオン強度は、その間、活性係数に影響を及ぼします。イオン濃度の高まりは、イオン濃度の上昇または減少を生じる可能性があります。

pHと複雑化

多くの産業溶岩は、弱い酸、基質、または溶性複合体です。例えば、金属水酸化物(例えば、Fe(OH)3[]])の溶解性は強くpHに依存しています。加水分解および複雑な形成定数(例えば、PHREEQCやVisual MINTEQなどのプログラムを使用して)を含む熱力学的モデルは、水溶性および複雑な形成定数(例えば、水溶性硬化症および水溶液を正確に予測するために不可欠です。

予測予測: 過飽和、核化、成長

溶液が過飽和する時に予感が起こります。つまり、イオン製品はK]spを超えたものです。 過飽和度(S)は次のように定義されます。

S = (イオン製品) / K[sp ]

S> 1、溶液は超飽和しています。 温度力学は、沈殿が自発的であることを教えてくれますが、皮膚はいつ、どのように起こるかを決定します。 降水のための駆動力は、過飽和溶液と固体相間のGibbbsのフリーエネルギーの違いです。

均質対. 肝因性核

核化—新しい結晶の誕生 - エネルギー障壁を克服する必要があります。 核のための重要なギブスフリーエネルギー(ΔG])のクレット)は、固体液状インタフェースと過飽和の面の緊張に依存します。 工業設定では、核化は、多くの場合、播種または外面の存在によって誘導されます(重水素核)、パイプ壁にスケールで見られるように。

結晶成長とオスタル調合

核状化が進むと、表面に溶融分子を組み込むことで結晶成長が進みます。また、溶着性(ケルビン効果)の違いにより、より小さな結晶が小さいものの費用で成長するオストヴァルドの裂きについても説明しています。この現象は、医薬品製剤の粒度分布と触媒製造の制御に不可欠です。

体温モデル、人口バランスの整列と組み合わせることで、エンジニアは降水率と最終結晶特性を予測することができます。

熱力学的容解性/予測予測予測の産業応用

医薬品製造

溶解性予測は、薬物製剤にとって不可欠です。活性医薬品成分(API)の40%以上が、非晶質容解性を発揮します。熱力学位相図は、最適な溶媒混合物、共溶媒、および溶解試験および非定形固体分散の設計のためのpH条件を特定するのに役立ちます。例えば、]]] 軟性パラメータ (混合のエンテンピーに基づいて) 、多様な粘性特性が低下する可能性があるため、多様性製剤の安定性が低下する可能性があるため、多様な安定性が低下する可能性があります。

水処理・排水処理

炭酸カルシウム(CaCO[3)、硫酸カルシウム(CaSO]4[]])、および金属水酸化物は、スケール管理と硬度除去に集中しています。 ]]のような熱力学モデルは、放射線硬化剤の分解を防止するために、例えば、水酸化物は、水溶液を分解するなどの材料を使用することができます。

化学・石油化学産業

熱交換器、パイプライン、および原子炉のスケール形成は、業界を毎年10億件費を削減します。例えば、地熱エネルギー生産では、無水ケイ酸スケーリング(SiO]]2)は、温度とpHに応じて溶解性曲線を使用して予測されます。熱力学モデルは、操作窓をスーパーサテーリングを回避するのに役立ちます。排ガス脱硫(DFG)からの合成石の生産では、硫酸カルシウムの含有量と、硫酸カルシウムの動作が不可欠です。

水素・鉱物処理

鉱石からの金属を降水することは制御容解性に依存しています。例えば、シアン化物を使用して金の抽出物は、AuCNとして金の降水を防ぐために、狭い熱力学の窓内のpHとシアン化濃度を維持することに依存しています。同様に、バイエルプロセスでアルミナ生産、ギブサイト(Al(OH)]3)の相模擬性相測定器は、流体シミュレーションや流体シミュレーションなどのプロセスを予測します。

食品・飲料業界

ミルク殺菌中またはワイン中のタルトのカルシウムリン酸の制御沈殿物は実用的な適用です。熱力学モデルは、温度、pH、および添加物を調整し、望ましくない沈殿物を防ぐか、または望ましい結晶形成を誘発するのを助けます(例えば、砂糖の精製で)。

高度な熱力学モデリングツール

現代の産業予測は、計算式熱力学に依存しています。 ] のようなソフトウェアパッケージ ] (スケーリング予測用)、 (水溶液温度測定用) (MTDATA) (温度測定器や温度測定器に多成分を含有する) [FLT:] (温度測定器や温度測定器は、温度測定器を調節する) [FLT:] (温度測定器は、温度測定器は、温度を調節する) 温度を増加させる。

有機化合物を関与する複合システムの場合、【】UNIFAC[(UNIQUAC機能-グループ活動係数)と[NRTL[(ノンランダムツー-液体)モデルは、非点火相における活性係数を推定するために使用される。

制限事項と実践的検討

サーモダイナミクスは基礎を、いくつかの課題は残っていますが:

  • 運動の高度: 解決はすぐに沈殿物なしで過飽和することができる。 誘導時間は運動データを必要とします。
  • メタテーブルフェーズ[]: 異形またはメタテーブル多形は、熱力学的容解性限界を超えて長く持続することができます。
  • 不純物]:微量イオンは、過敏性および核化率を大幅に変更することができます。
  • 圧力効果]:高圧プロセス(例えば、地熱または油圧の耐衝撃)、圧縮性および圧力依存性容解性が重要になります。

これらを克服するために、熱力学予測は、動的光散乱、濁度測定、またはin-situ Raman spectroscopyなどの技術を使用して実験検証と組み合わせることがよくあります。

コンテンツ

サーモダイナミクスは、さまざまな産業設定で、容解性と沈殿を予測するために必要な量的言語を提供します。 Gibbsの無料エネルギー、容解性製品、および活動係数の原則を適用することにより、エンジニアは、コストを削減し、結晶化の収量を最適化し、効率的な分離プロセスを設計することができます。 現代のソフトウェアツールは、プロセス設計者が「what-if」シナリオを迅速に探索できるようにします。 サーモディナミクスデータベースの継続的な進化は、製品の品質を向上し、効率性を向上するだけでなく、製品の品質を向上します。

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