결정화

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1. 개요

결정화는 용액에서 용질이 고체 결정 형태로 석출되는 과정으로, 핵생성과 결정 성장의 두 단계로 이루어진다. 핵생성은 용질 분자가 안정적인 클러스터를 형성하는 단계이며, 결정 성장은 핵이 성장하여 결정의 크기가 커지는 단계이다. 결정화는 온도, 용매, 과포화도 등의 요인에 의해 영향을 받으며, 냉각, 증발, 용매 첨가 등의 다양한 방법으로 유도될 수 있다. 결정화는 자연 현상뿐만 아니라, 화학, 산업 등 다양한 분야에서 활용되며, 결정의 순도와 크기를 제어하는 것이 중요하다.

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결정화
결정화 개요
정의	원자 또는 분자가 고도로 정돈된 구조로 형성되는 과정
관련 분야	고체물리학 화학 재료공학
기본 요소
관련 용어	결정 결정 구조 핵 생성
주요 개념
관련 개념	결정 성장 재결정 씨앗 결정 원시 결정 단결정
방법 및 기술
관련 기술	불 브리지먼-스톡바거 방법 반 아르켈-데 부어 공정 초크랄스키 법 에피택시 플럭스 방법 분별 결정 분별 동결 수열 합성 키로풀로스 방법 레이저 가열 페데스탈 성장 마이크로 풀링 다운 결정 성장의 성형 공정 해골 도가니 베르누이 법 구역 용융

2. 결정화의 과정

결정화 과정은 핵생성과 결정 성장이라는 두 가지 주요 단계로 이루어진다. 핵생성은 용매에 분산된 용질 분자들이 모여 클러스터를 만드는 단계이다. 이 클러스터가 안정적인 핵이 되려면 일정 크기 이상이어야 하며, 이 크기는 온도, 과포화 등 조건에 따라 달라진다. 핵생성 단계에서 원자나 분자는 규칙적으로 배열되어 결정구조를 이룬다.

결정 성장은 생성된 핵이 커지는 단계이다. 과포화 상태에서는 핵생성과 결정 성장이 계속 진행되며, 이 속도는 과포화도가 높을수록 빨라진다. 조건에 따라 핵생성이나 결정 성장 중 하나가 우세해져 결정의 크기와 모양이 달라진다. 의약품 등 산업적 생산에서는 결정의 크기와 형태 제어가 중요하다.

다형성은 많은 화합물이 서로 다른 결정 구조를 가질 수 있는 현상을 말한다.

2. 1. 핵생성

핵생성은 용매에 분산된 용질 분자 또는 원자가 미시적 규모에서 안정적인 클러스터로 모이기 시작하는 단계이다. 이 클러스터들이 핵을 구성하며, 안정적인 핵이 되기 위해서는 임계 크기에 도달해야 한다. 임계 크기는 온도, 과포화 등 여러 요인에 따라 결정된다. 핵생성 단계에서 원자 또는 분자는 규칙적이고 주기적인 방식으로 배열되어 결정 구조를 형성한다.^[5] 핵생성은 1차 핵생성과 2차 핵생성으로 나뉜다. 1차 핵생성은 다른 결정의 영향 없이 처음 결정이 형성되는 것이고, 2차 핵생성은 이미 존재하는 결정의 영향으로 핵이 형성되는 것이다.

2. 1. 1. 1차 핵생성

다른 결정이 존재하지 않거나, 시스템에 결정이 존재하더라도 그 과정에 영향을 미치지 않는 경우에 결정이 처음 형성되는 것을 말한다. 이는 두 가지 조건에서 발생할 수 있다. 첫 번째는 균일 핵생성으로, 고체의 어떤 영향도 받지 않는 핵생성이다. 이러한 고체에는 결정화 용기의 벽과 어떤 이물질 입자도 포함된다. 두 번째 범주는 비균일 핵생성이다. 이것은 이물질의 고체 입자가 핵생성 속도를 증가시켜 이러한 이물질 입자가 없다면 볼 수 없었을 핵생성 속도 증가를 유발하는 경우 발생한다. 균일 핵생성은 핵생성을 촉매하는 고체 표면 없이 핵생성을 시작하는 데 필요한 높은 에너지 때문에 실제로는 거의 발생하지 않는다.^[5]

일차 핵생성(균일 및 비균일 모두)은 다음과 같이 모델링되었다.^[5]

:

B = \dfrac{dN}{dt} = k_n(c - c^*)^n,

여기서

''B''는 단위 시간당 단위 부피당 형성되는 핵의 수,
''N''은 단위 부피당 핵의 수,
''k_n''은 속도 상수,
''c''는 순간 용질 농도,
''c''^*는 포화 상태의 용질 농도,
(''c'' − ''c''^*)는 과포화도로도 알려져 있으며,
''n''은 최대 10까지 될 수 있는 경험적 지수이지만 일반적으로 3과 4 사이의 범위이다.

2. 1. 2. 2차 핵생성

2차 핵생성은 마그마 내에 존재하는 미세한 결정의 영향으로 인한 핵의 형성이다.^[6] 간단히 말해, 2차 핵생성은 기존의 결정 또는 "씨앗"과의 접촉으로 결정 성장이 시작되는 현상이다.^[7] 알려진 첫 번째 유형의 2차 결정화는 유체 전단에 기인하며, 다른 유형은 이미 존재하는 결정들이 결정화 장치의 고체 표면 또는 다른 결정들끼리 충돌하는 것에 기인한다. 유체 전단 핵생성은 액체가 결정을 고속으로 통과할 때 발생하며, 그렇지 않으면 결정에 포함될 핵을 쓸어내어 쓸려나간 핵이 새로운 결정이 되도록 한다. 접촉 핵생성은 가장 효과적이고 일반적인 핵생성 방법으로 밝혀졌다. 장점은 다음과 같다.^[6]

낮은 운동학적 차수와 과포화에 비례하는 속도로 불안정한 작동 없이 쉬운 제어가 가능하다.
성장 속도가 우수한 품질에 최적인 낮은 과포화 상태에서 발생한다.
결정이 충돌하는 데 필요한 에너지가 낮아 기존 결정이 새로운 결정으로 파괴되는 것을 방지한다.
정량적 기본 원리가 이미 분리되었으며 실제로 적용되고 있다.

다소 단순화되었지만 다음 모델은 종종 2차 핵생성을 모델링하는 데 사용된다.^[5]

:

B = \dfrac{dN}{dt} = k_1 M_T^j(c - c^*)^b,

여기서

''k''₁은 속도 상수이다.
''M_T''는 현탁액 밀도이다.
''j''는 최대 1.5까지의 경험적 지수이나 일반적으로 1이다.
''b''는 최대 5까지의 경험적 지수이나 일반적으로 2이다.

2. 2. 결정 성장

결정 성장은 임계 클러스터 크기에 도달한 핵의 크기가 증가하는 단계이다. 결정 성장은 용질 분자 또는 원자가 용액에서 석출되고 다시 용액으로 용해되는 평형 상태에서 일어나는 동적인 과정이다.^[1] 과포화는 어떤 종의 용해도가 K_sp로 정량화되는 평형 과정이기 때문에 결정화의 원동력 중 하나이다.^[1] 조건에 따라 핵 생성 또는 성장이 다른 과정보다 우세하여 결정 크기를 결정한다.^[1]

구연산 결정 성장의 타임랩스. 영상은 2.0 x 1.5 mm 영역을 7.2분에 걸쳐 촬영한 것이다.

일단 최초의 작은 결정인 핵이 형성되면, 과포화로 인해 불안정한 경우, 결정에 접하거나 인접한 용질의 분자에 대한 수렴점 역할을 하여, 연속적인 층에서 자신의 크기를 증가시킨다.^[1] 성장 패턴은 양파의 고리와 비슷하며, 각 색상은 동일한 용질의 질량을 나타낸다. 이 질량은 성장하는 결정의 표면적이 증가함에 따라 점점 더 얇은 층을 만든다.^[1] 원래 핵이 단위 시간에 "포획"할 수 있는 과포화 용질 질량을 kg/(m²*h) 단위로 표현되는 ''성장률''이라고 하며, 이는 공정에 따라 특정한 상수이다.^[1] 성장률은 표면 장력, 압력, 온도, 용액 내 상대 결정 속도, 레이놀즈 수 등 여러 가지 물리적 요인의 영향을 받는다.^[1]

따라서 제어해야 할 주요 값은 다음과 같다.^[1]

결정 성장에 사용 가능한 용질의 양을 나타내는 과포화 값
용질이 결정에 고정될 수 있는 능력을 나타내는 단위 유체 질량당 총 결정 표면적
용질 분자가 기존 결정과 접촉할 확률을 나타내는 체류 시간
용질 분자가 기존 결정과 접촉할 확률을 나타내는 유동 패턴 (층류에서는 높고 난류에서는 낮지만, 접촉 확률에는 반대의 경우가 적용됨)

과포화 상태가 계속되는 한, 핵 생성과 결정 성장은 계속 진행된다.^[1] 과포화는 결정화의 구동력이므로, 핵 생성과 결정 성장의 속도는 용액의 과포화도가 높을수록 빨라진다.^[1] 조건에 따라서는, 핵 생성과 결정 성장 중 어느 하나가 우세하게 되어, 결과적으로 크기와 모양이 다른 결정이 얻어진다.^[1] 의약품 등의 산업적인 생산 과정에서는, 결정의 크기·형태 제어가 중요한 과제 중 하나이다.^[1]

3. 결정화의 열역학

결정화 과정은 열역학 제2법칙을 따르는 것처럼 보인다. 더 질서 정연한 결과를 얻는 대부분의 과정은 열을 가하여 이루어지는 반면, 결정은 일반적으로 더 낮은 온도에서, 특히 과냉각을 통해 형성된다. 그러나 결정화 과정에서 융해열이 방출되어 우주의 엔트로피가 증가하므로, 이 법칙은 변함없이 유지된다.^[3]

순수하고 완벽한 결정 내부의 분자는 외부에서 열을 가하면 액체가 된다. 이는 각 결정의 종류에 따라 다른, 명확하게 정의된 온도에서 발생한다. 액화되면서 결정의 복잡한 구조는 붕괴된다. 분자의 공간적 무작위화에 의한 시스템의 엔트로피(''S'') 증가가 결정 충전력의 파괴로 인한 엔탈피(''H'') 손실을 극복했기 때문에 용융이 발생한다.

: $T(S_\text{liquid} - S_\text{solid}) > H_\text{liquid} - H_\text{solid},$

: $G_\text{liquid} < G_\text{solid}.$

결정에 관해서는 이 규칙에 예외가 없다. 마찬가지로, 용융된 결정이 냉각되면 온도가 전환점 이하로 떨어질 때 분자는 결정 형태로 돌아간다. 이는 주변 환경의 열적 무작위화가 시스템 내부의 분자 재정렬로 인한 엔트로피 손실을 보상하기 때문이다. 냉각 시 결정화되는 이러한 액체는 예외적인 경우이며 일반적인 경우는 아니다.^[3]

4. 결정화의 방법

결정화는 용액의 온도를 낮추거나, 용매를 증발시키거나, 용질의 용해도를 낮추는 다른 용매를 첨가하는 등 다양한 방법으로 수행할 수 있다.

결정은 냉각, 증발, 용질의 용해도를 낮추기 위한 두 번째 용매의 첨가(반용매 또는 침전법), 용매 층화, 승화, 양이온 또는 음이온의 변경과 같은 다양한 방법으로 형성될 수 있다.

과포화 용액을 만드는 일반적인 방법은 다음과 같다.

용액을 냉각시킨다.
용질의 용해도를 감소시키는 새로운 용매를 첨가한다. (이 기법은 빈용매 첨가 결정화로 알려져 있다.)
화학 반응을 일으킨다.
수소 이온 지수(pH)를 변화시킨다.

용매를 천천히 증발시키는 방법도 사용된다.

결정화 과정을 간략하게 요약하면 다음과 같다.^[1]

1. 용매 선택: 불순물을 거의 녹이지 않거나, 잘 녹여 결정화에 방해되지 않도록 하며, 화학 반응을 일으키지 않고, 불연성, 무독성, 저렴하며, 휘발성이 높은 용매를 선택한다.

2. 용질 용해: 가연성 용매의 경우 불 대신 열판 등을 사용하고, 용매를 저어주면서 용질이 녹을 때까지 용매를 첨가한다.

3. 탈색: 착색된 경우, 입상 활성탄 등을 사용하여 탈색하고, 몇 분간 끓인 후 여과한다.

4. 불순물 제거: 불용성 불순물은 여과를 통해 제거한다.

5. 결정화: 실온으로 냉각시키고, 종자 결정을 첨가하거나 유리 막대로 용기를 문질러 결정화를 촉진한다.

6. 결정 수집, 세척 및 건조: 생성된 결정을 냉각시킨 용매로 세척하고 건조시킨다.

7. 정제: 결정이 불순하면 재결정화 또는 승화를 통해 정제한다.

결정 성장에서는 생성된 핵이 성장한다. 과포화 상태가 계속되는 한, 핵 생성과 결정 성장은 계속 진행된다. 과포화는 결정화의 구동력이므로, 핵 생성과 결정 성장의 속도는 용액의 과포화도가 높을수록 빨라진다. 조건에 따라 핵 생성과 결정 성장 중 어느 하나가 우세하게 되어, 결과적으로 크기와 모양이 다른 결정이 얻어진다. 의약품 등의 산업적인 생산 과정에서는 결정의 크기·형태 제어가 중요한 과제 중 하나이다. 과포화 상태가 끝나면 용액은 고-액 상평형에 도달하고 결정화는 완료된다. 조건이 변화하여 평형이 깨지고 용액이 과포화 상태가 되면 다시 결정화가 시작된다.

4. 1. 냉각 결정화

대부분의 화합물은 용매에 녹았을 때 온도가 증가함에 따라 용해도 한계가 증가하는 "직접" 용해도를 보인다. 따라서 용액을 냉각시켜 결정 형성을 유도할 수 있다. "냉각"은 상대적인 용어인데, 강철의 오스테나이트 결정은 1000 °C 이상에서도 잘 형성된다. 냉각 결정화의 예로는 글라우버염(황산나트륨의 결정형) 생산이 있다.

위 그림에서 x축은 평형 온도, y축은 평형 농도(포화 용액에서 용질의 질량 백분율)를 나타낸다. 황산염의 용해도는 32.5 °C 이하에서 빠르게 감소한다. 30 °C에서 포화 용액을 0 °C로 냉각시키면 (어는점 내림 때문에 가능) 용해도가 29%(30 °C 평형 값)에서 약 4.5%(0 °C)로 변화하여 황산염이 침전된다. 황산염은 수화수를 포함하기 때문에 실제로는 더 많은 결정이 침전되며, 이는 최종 농도를 증가시킨다.

냉각 결정화는 다음과 같은 한계점을 갖는다.

많은 용질은 저온에서 수화물 형태로 침전된다. 염화칼슘의 경우처럼 수화물 결정 형성에 필요한 수화수의 질량이 이용 가능한 물보다 많으면 하나의 수화물 용질 덩어리가 형성되어 해로울 수 있다.
최대 과포화는 가장 차가운 지점에서 일어난다. 열교환기 튜브와 같이 스케일링에 민감한 지점에서는 열교환이 감소하거나 중단될 수 있다.
온도 감소는 용액의 점도 증가를 유발한다. 점도가 너무 높으면 유압 문제가 발생하고, 층류가 형성되어 결정화 역학에 영향을 줄 수 있다.
"역" 용해도를 갖는 화합물(예: 황산나트륨, 32.5 °C 이상에서 용해도 역전)에는 적용할 수 없다.

결정 성장 단계에서는 생성된 핵이 성장한다. 과포화 상태가 지속되는 동안 핵 생성과 결정 성장이 계속 진행된다. 과포화는 결정화의 구동력이므로, 핵 생성과 결정 성장 속도는 용액의 과포화도가 높을수록 빨라진다. 조건에 따라 핵 생성 또는 결정 성장이 우세하여 결정 크기와 모양이 달라진다. 의약품 등의 산업 생산에서는 결정 크기 및 형태 제어가 중요한 과제이다. 과포화 상태가 끝나면 용액은 고-액 상평형에 도달하고 결정화가 완료된다. 조건 변화로 평형이 깨져 용액이 과포화 상태가 되면 다시 결정화가 시작된다.

4. 1. 1. 냉각 결정화 장치

화합물의 용해도는 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향이 있기 때문에, 용액을 냉각시켜 결정을 형성할 수 있다.

가장 간단한 냉각 결정화 장치는 탱크 결정화 장치로, 내부 순환을 위한 혼합기가 장착된 탱크이다. 이 탱크는 자켓 내에서 순환하는 중간 유체와의 열교환을 통해 온도를 낮춘다. 이러한 방식은 의약품 처리와 같은 회분식 공정에 사용되지만, 스케일링이 발생하기 쉽고 배치마다 제품의 품질이 달라질 수 있다.

Swenson-Walker 결정화 장치는 1920년경 Swenson Co.에서 개발한 모델이다. 반원통형의 수평한 중공 트로프(trough)에 냉각 유체가 순환하는 중공 나사 컨베이어 또는 중공 디스크가 회전하며 담겨 있다. 냉각 유체는 트로프 주변 자켓에서도 순환될 수 있다. 결정은 나사/디스크의 차가운 표면에 석출되어 스크레이퍼로 제거되고 트로프 바닥에 침전된다. 나사는 슬러리(slurry)를 배출구 쪽으로 밀어낸다.

설탕 산업에서는 진공 솥의 하류 마지막 결정화 단계에서 당밀을 제거하기 위해 수직 냉각 결정화 장치를 사용한다. 마세쿠이트(massecuite)는 상단에서 결정화 장치로 들어가고, 냉각수는 역류 방식으로 파이프를 통해 펌핑된다.

4. 2. 증발 결정화

증발 결정화는 용매를 증발시켜 용질의 농도를 높여 결정을 형성하는 방법이다. 이 방법은 온도 변화에 민감하지 않은 용질을 결정화하는 데 유용하다. 거의 일정한 온도에서 용질 농도를 용해도 한계 이상으로 높여 결정을 침전시키며, 이를 위해 증발 기법을 사용하여 용질/용매 질량비를 증가시킨다.^[9]

결정 성장 과정에서 생성된 핵은 과포화 상태가 유지되는 동안 계속 성장한다. 과포화는 결정화의 원동력이므로, 핵 생성과 결정 성장의 속도는 용액의 과포화도가 높을수록 빨라진다. 조건에 따라 핵 생성 또는 결정 성장이 우세하게 되어, 결과적으로 크기와 모양이 다른 결정이 얻어진다. 의약품 등의 산업적 생산 과정에서는 결정의 크기와 형태를 제어하는 것이 중요하다. 과포화 상태가 끝나면 용액은 고체-액체 상평형에 도달하고 결정화가 완료되지만, 조건 변화로 평형이 깨지고 용액이 다시 과포화 상태가 되면 결정화가 다시 시작된다.^[9]

4. 2. 1. 증발 결정화 장치

대부분의 산업용 결정화 장치는 증발식이며, 염화나트륨과 자당 생산 설비가 그 예시이다. 이는 세계 전체 결정 생산량의 50% 이상을 차지한다.^[9] 가장 일반적인 유형은 강제 순환(FC) 모델이다. (증발기 참조)^[9] 펌핑 장치(펌프 또는 축류형 혼합기)는 결정 슬러리를 탱크 전체, 특히 열교환 표면에서 균질한 현탁액 상태로 유지한다.^[9] 펌프 유량을 제어함으로써 과포화 용액과 결정 덩어리의 접촉 시간을 제어하고 열교환 표면에서 적절한 속도를 유지한다.^[9] 오슬로(Oslo)는 증발식 강제 순환 결정화 장치를 개선한 것으로, 큰 결정 침강대를 갖추어 체류 시간(일반적으로 FC에서는 짧음)을 늘리고 무거운 슬러리 영역과 맑은 액체를 대략적으로 분리한다.^[9] 증발식 결정화 장치는 평균 결정 크기를 크게 하고 결정 크기 분포 곡선을 좁히는 경향이 있다.^[9]

5. 자연에서의 결정화

눈송이는 미세한 결정 성장 조건의 차이가 서로 다른 기하학적 형태를 만들어내는 매우 잘 알려진 예이다.

자연에는 결정화를 포함하는 과정이 많이 존재한다. 대표적인 예는 다음과 같다.

지질 시대 규모:
천연 (광물) 결정 형성 (보석 참조)
종유석/석순 형성
인간의 시간 척도 규모:
눈송이 형성
꿀 결정화 (거의 모든 종류의 꿀이 결정화됨)

각각의 자세한 내용은 하위 문단을 참고하면 된다.

5. 1. 지질 시대 규모

자연에서 결정화를 포함하는 과정의 예는 많다.

지질 시대 규모의 과정 예시는 다음과 같다.

천연 (광물) 결정 형성 (보석 참조)
종유석/석순 형성^[1]

5. 2. 인간의 시간 척도

인간의 시간 척도 규모의 결정화 과정 예시는 다음과 같다.

눈송이 형성^[1]
꿀 결정화 (거의 모든 종류의 꿀이 결정화됨)^[1]

6. 화학에서의 결정화

화학에서 결정화는 용액을 과포화 상태로 만들어 결정을 형성하는 방법으로, 물질을 분리하고 정제하는 데 사용된다. 결정화 과정은 핵생성과 결정 성장이라는 두 가지 주요 과정으로 구성된다.

핵생성: 용질 분자 또는 원자가 용매에 분산되어 미시적 규모에서 클러스터를 형성하는 단계이다. 이 클러스터가 안정적인 핵이 되기 위해서는 임계 크기에 도달해야 하며, 이는 온도, 과포화 등 여러 요인에 따라 결정된다. 핵생성 단계에서 원자 또는 분자는 규칙적으로 배열되어 결정 구조를 형성한다.
결정 성장: 임계 크기에 도달한 핵의 크기가 증가하는 단계이다. 과포화는 결정화의 원동력 중 하나이며, 조건에 따라 핵 생성 또는 성장이 우세하여 결정 크기를 결정한다.

많은 화합물은 서로 다른 결정 구조를 가질 수 있는데, 이러한 현상을 다형성이라고 한다. 각 다형체는 서로 다른 물리적 특성을 나타내므로, 다형성은 결정질 제품의 산업적 제조에 매우 중요하다. 또한, 아나타제에서 루타일 이산화티탄 상으로의 변환과 같이 온도와 같은 요인을 변화시킴으로써 결정 상을 상호 변환할 수 있는 경우도 있다.

결정화의 일반적인 절차는 용매 선택, 용질 용해, 탈색, 고체(불순물) 제거, 결정화, 결정 수집, 세척 및 건조 순서로 진행된다.

6. 1. 결정화 방법 (화학)

결정은 냉각, 증발, 용질의 용해도를 낮추기 위한 두 번째 용매의 첨가(반용매 또는 침전법으로 알려짐), 용매 층화, 승화, 양이온 또는 음이온의 변경과 같은 다양한 방법으로 형성될 수 있다.^[1] 과포화 용액이 형성된다고 해서 결정 형성이 보장되는 것은 아니며, 종종 핵 생성 부위를 만들기 위해 종자 결정을 넣거나 유리 표면을 긁는 과정이 필요하다.^[1]

결정 형성을 위한 일반적인 실험실 기법은 고온에서 과포화 상태를 만들기 위해, 보통 부분적으로 용해되는 용액에 고체를 용해하는 것이다. 그런 다음 고온 혼합물을 여과하여 불용성 불순물을 제거하고, 여과액을 천천히 냉각시킨다. 형성된 결정은 여과하고, 용해되지 않지만 모액과 섞이는 용매로 세척한다. 재결정화 과정을 반복하여 순도를 높일 수 있다.^[1]

3차원 구조를 그대로 유지하기 위해 용매 채널이 계속 존재하는 생체 분자의 경우, 오일 및 증기 확산^[3] 하에서 마이크로 배치^[2] 결정화가 일반적인 방법이었다.

결정화가 일어나려면 용액은 과포화 상태여야 한다. 즉, 평형 상태에서의 농도보다 더 많은 용질(분자 또는 이온)을 포함하고 있어야 한다. 이러한 상태를 만드는 일반적인 방법은 다음과 같다.^[1]

용액을 냉각시킨다.
용질의 용해도를 감소시키는 새로운 용매를 첨가한다(이 기법은 빈용매 첨가 결정화로 알려져 있다).
화학 반응을 일으킨다.
수소 이온 지수(pH)를 변화시킨다.

용매를 천천히 증발시키는 방법도 사용된다.^[1]

일반적인 결정화 절차는 다음과 같다.

1. 용매 선택: 불순물을 전혀 녹이지 않거나, 매우 잘 녹여 결정화할 수 없는 성질을 가지고, 화학 반응을 일으키지 않으며, 이상적으로는 불연성, 무독성, 저렴하고, 휘발성이 높아 최종적으로 제거하기 쉬운 용매를 선택한다.

2. 용질 용해: 비커 대신 삼각 플라스크를 사용하고, 가연성 용매의 경우 불을 사용하지 않고, 열판(또는 멘틀 히터, 전기 플라스크 히터) 등으로 가온하여 용매를 저어주거나 빙빙 돌려 용해를 촉진하면서 용질이 녹을 때까지 용매를 첨가한다.

3. 탈색: 착색이 있는 경우, 과거에는 활성탄 가루를 사용했지만, 여과가 잘 되지 않고 용액도 검게 변하므로 Norit과 같은 입상 또는 구상 활성탄이 더 적합하며, 활성탄을 첨가한 후 몇 분간 끓인다(반대로 하면 넘칠 수 있다). 필요 이상으로 활성탄을 첨가하면 불순물 이외의 것도 흡착된다.

4. 고체 제거: 불순물이 많으면 여과를 하고, 용기를 기울여 용액을 옮겨 불순물만 남기거나(데칸테이션), 깔때기와 거름종이를 사용한다.

5. 결정화: 실온으로 냉각시켜 결정화시키고, 결정화를 촉진하기 위해 종자 결정(목적하는 물질)을 첨가하거나, 유리 막대로 용기를 문지르거나, 추가로 냉각시킨다.

6. 결정 수집, 세척 및 건조: 결정화가 완료되면, 결정을 냉각시킨 용매로 씻고 건조시킨다.

결정이 불순하면 정제하고, 재결정화하거나, 때로는 승화시킨다. 결정화되지 않으면 추출하여 단리한다.

6. 2. 재결정화

불순한 결정을 정제하기 위해 다시 결정하는 것을 재결정화라고 한다. 결정이 불순하면 정제하거나, 재결정화하거나, 때로는 승화시킨다.^[2]

7. 주요 결정화 공정

화학 공학에서 자주 언급되는 결정화 공정은 다음과 같다:

냉각 결정화
증발 결정화

이러한 구분은 냉각이 증발을 통해 수행되어 동시에 용액의 농축이 이루어지는 하이브리드 시스템이 존재하기 때문에 명확하게 구분되지 않는다.

화학 공학에서 자주 언급되는 결정화 공정은 분별 결정이다. 이것은 별개의 공정이 아니라 위에 언급된 한 가지 또는 두 가지 공정의 특수한 응용이다.

주요 산업용 결정화 공정에 사용되는 장비는 다음과 같다:

1. '''탱크 결정기''': 탱크 결정화는 일부 특수한 경우에 여전히 사용되는 오래된 방법이다. 탱크 결정화에서는 포화 용액을 개방형 탱크에서 냉각시킨다. 일정 시간이 지나면 모액을 배출하고 결정을 제거한다. 핵 생성 및 결정 크기를 제어하기 어렵다.

2. '''혼합 현탁, 혼합 생성물 제거(MSMPR)''': MSMPR은 훨씬 더 큰 규모의 무기물 결정화에 사용된다. MSMPR은 연속적으로 용액을 결정화할 수 있다.^[4]

참조

_[1] 논문 An Extensive Study of Protein Phase Diagram Modification:Increasing Macromolecular Crystallizability by Temperature Screening 2008
_[2] 논문 Microbatch crystallization under oil – a new technique allowing many small-volume crystallization trials 1992
_[3] 논문 Crystallization of soluble proteins in vapor diffusion for x-ray crystallography 2007
_[4] 웹사이트 MSMPR Crystallizer {{!}} Practical Solubility Science {{!}} Prof Steven Abbott https://www.stevenab[...] 2024-05-25
_[5] 서적 Industrial Crystallization Plenum Press, New York 2021-10-01
_[6] 서적 Unit Operations of Chemical Engineering McGraw-Hill, New York 2021-10-01
_[7] 웹사이트 Crystallization http://www.reciproca[...] 2017-01-03
_[8] 논문 The effect of crystallization conditions, crystal morphology and size on pressure filtration of l-glutamic acid and an aromatic amine https://linkinghub.e[...] 2009-05-07
_[9] 뉴스 Submerge Circulating Crystallizers http://thermalkineti[...] 2017-01-03
_[10] 뉴스 Draft Tube Baffle (DTB) Crystallizer https://swensontechn[...] 2023-11-15
_[11] 서적 学術用語集物理学編培風館

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