Prinsip-prinsip Kristalisasi

Kristalisasi dapat ditinjau dari kemurnian, peolehan, kebutuhan energy, laju nukleasi dan laju pertumbuhan.

1.       Kemurnian Hasil

Kristal yang baik terbentuk dengan baik, biasanya hamper murni, tetapi masih mengandung agregat kristal, massa zat padat itu mungkin mengandung cairan induk bersama kristal. Bila cairan induk yang terkandung yang kemurniannya rendah itu dikeringkan , terjadi kontaminasi dan derajat kontaminasi ini tergantung pada banyak dan derajat ketakmurnian cairan induk yang terkandung bersama kristal.

Dalam praktek sebagain besar cairan induk yang terkandung itu dipisahkan dari kristal dengan cara filtrasi dan sentrifugasi, sedang sisanya dikeluarkan dengan mencucinya dengan pelarut segar. Efektifitas langkah pemurnian bergantung pada ukuran dan keseragaman kristal.

2.       Keseimbangan

Keseimbangan didalam proses kristalisasi dapat dicapai bila larutan itu jenuh dan hubungan keseimbangan untuk kristal adalah kurva kelarutan. Data kelarutan sebagai fungsi suhu, dimana kelarutan kristal yang sangat kecil, lebih besar dari kristal yang mempunyai ukuran biasa. Data kelarutan sebagai fungsi suhu diberikan pada gambar 2.2. Kebanyakan bahan mengikuti kurva yang serupa dengan kurva 1; artinya, kelarutannya meningkat hampir secepat peningkatan suhu. Beberapa bahan mengikuti kurva seperti kurva 2, di mana kelarutan berubah sedikit saja dengan suhu; ada pula yang mengikuti kurva kelarutan terbalik (inverted solubility curve) pada kurva 3, yang berarti bahwa kelarutannya berkurang bila suhu dinaikkan.

Gambar 2.2. Kurva kelarutan, kurva 1 KNO₃; kurva 2 NaCl; kurva 3 MnSO₄.H₂O (semua larut dalam air)

Banyak bahan anorganik yang penting-penting mengkristalisasi dengan air kristal. Pada beberapa sistem, terbentuk beberapa macam hidrat, bergantung pada konsentrasi dan suhu, dan keseimbangan dalam sistem itu bisa sangat rumit. Diagam fase untuk sistem magnesium sulfat-air terlihat pada Gambar 2.3. Konsentrasi magnesium sulfat bebas-air (anhydrous) dalam fraksi massa digambarkan grafiknya terhadap suhu dalam derajat Fahrenheit. Keseluruhan luas di bawah dan di poelah kiri garisponuh menunjukkan larutan tak-jenuh magnesium sulfat di dalam air. Garis putus-putus eag f hij menunjukkan solidifikasi (pembekuan) larutan cair membentuk berbagai fase zat padat. Luas pae menunjukkan campuran es dan larutan jenuh. Setiap larutan yang mengandung kurang dari 16,5 persen. MgSO4 akan mengendapkan es bila suhunya mencapai garis pa. Garis patah-patah abcdq ialah kurva kelarutan. Setiap larutan yang mengandung lebih dari 16,5 persen akan mengendapkan, pada waktu pendinginan, zat padat bila suhu mencapai garis ini. Zat padat yang terbentuk pada titik c disebut etektik (eutectic). Zat padat itu terdiri dari campuran mekanik yang akrab antara es dan MgSO₄ .12H₂O. Antara titik a dan b kristalnya adalah MgSO₄ . 12H₂O; antara b dan c fase zat padat adalah MgSO₄ .7H₂O (garam epsom); antara c dan d kristalnya adalah MgSO. 6H₂O; dan di atas titik d kristal itu adalah MgSO₄ .H₂O Dalam daerah cihb, sistem keseimbangan terdiri dari campuran larutan jenuh dan kristal MgSO_4.7H₂O, Dalam daerah dljc, campuran itu terdiri dari larutan jenuh dan kristal MgSO₄ .6H₂O. Dalam daerah qdk, carnpuran itu adalah larutan jenuh dan MgSO₄ . H₂O.

Gambar 2.3.Diagram fase system MgSO₄.H₂O

3.       Perolehan dan laju pertumbuhan

Pada proses kristalisasi, kristal dan cairan induk berada pada waktu yang cukup lama sehingga mencapai keseimbangan dan cairan induk itu jenuh pada suhu akhir proses. Perolehan kristal dapat dihitung dari konsentrasi larutan awal dan kelarutan pada suhu akhir. Jika selama proses terjadi penguapan yang cukup besar, kuantitasnya harus diketahui atau dapat diperkirakan.

Bila laju pertumbuhan kristal lambat diperlukan waktu yang agak panjang untuk mencapai keseimbangan. Hal ini sangat besar bila larutan itu viskos atau dimana kristal itu mengumpul di dasar kristalisator sehingga hanya sedikit saja permukaan kristal yang terkena larutan lewat jenuh. Sehingga cairan induk akhir sangat jenuh dan perolehan yang didapat akan lebih kecil dari hasil perhitungan dari kurva kelarutan.

Jika kristal itu bebas air perhitungan lebih sederhana karena zat padat tidaka mengandung pelarut. Bila hasil mengandung air kristalisasi, air yang terdapat bersama kristal harus diperhitungkan karena air ini tidak terkandung didalam larutan. Data kelarutan ini biasanya diberikan sebagai bagian massa bahan bebas air perseratus bagian dari massa pelarut total atau dalam persen massa zat terlarut bebas air. Data tersebut tidak memperhitungkan air kristalisasi. Kunci dalam perhitungan perolehan zat terlarut bebas air ialah menyatakan semua massa dan konsentrasi sebagai garam hidrasi dan air bebas. Oleh karena kuantitas yang terakhir ini tetap berada dalam fase zat cair selama berlangsungnya kristalisasi, konsentrasi atau kuantitas yang didasarkan atas air bebas dapat dikurangkan untuk memberikan hasil yang benar.

Dalam pembentukan krisatal diperlukan dua langkah :

1.       Lahirnya suatu partikel baru

2.       Tumbuhnya partikel itu menjadi sesuatu yang ukurannya makroskopik.

Langkah pertama dinamakan nukleasi. Dalam kristalisator CSD ditentukan oleh interaksi antara laju nukleasi dan laju pertumbuhan. Keseluruhan proses sangat rumit ditinjau dari segi kinetic. Potensial pendorong untuk kedua laju adalah kelewatjenuhan atau supersaturasi dan baik bukleasi maupun pertumbuhan yang tidak dapat berlangsung di dalam larutan jenuh atau tak jenuh. Kristal-kristal yang sangat kecil memang dapat dibuat dengan atrisi di dalam larutan jenuh, dan kemudian berfungsi sebagai inti untuk pertumbuhan kristal selanjutnya apabila larutan menjadi lewat jenuh.

4.       Nukleasi

Laju nukleasi ialah banyaknya partikel baru yang terbentuk per satuan waktu per satuan volume magma atau larutan induk bebas zat padat. Besaran ini merupakan parameter kinetic pertama yang mengendalikan Distribusi ukuran kristal.

Ada beberapa pengerian nukleasi :

a.       Nukleasi primer

·         Nukleasi homogen

·         Nukleasi heterogen

b.       Nukleasi sekunder

·         Nukleasi geser fluida

·         Nukleasi kontak

Nukleasi Primer

Nukleasi ialah lahirnya suatu benda yang sangat kecil, merupakan suatu fase baru di dalam fase yang telah ada, dimana fase yang telah ada itu homogen dan lewat jenuh. Pada dasarnya fenomena nukleasi sama dengan kristalisasi dari larutan, kristalisasi dari cairan, kondensasi tetesan kabut didalam uap yang lewat dingin dan pembangkitan gelembung di dalam zat cair panas lanjut. Nukleasi merupakan akibat fluktuasi local yang berlangsung cepat pada skala molekul di dalam fase homogeny yang berada di dalam keseimbangan metastabil. Fenomena dasarnya disebut nukleasi homogen yang terbatas pada pembentukan partikel baru di dalam suatu fase tanpa terpengaruh oleh suatu zat padat termasuk dinding bejana atau partikel submikroskopik paling kecil sekalipun.

Variasi nukleasi homogen terjadi bila partikel zat padat asing masih mempengaruhi proses nukleasi dengan mengkatalisis laju pertambahan nukleasi pada suatu keadaan lewat jenuh tertentu atau memberikan suatu laju tertentu pada lewat jenuh dimana nukleasi homogeny hanya akan berlangsung sesudah memakan waktu yang lama sekali. Proses ini disebut nukleasi heterogen.

Nukleasi Sekunder

Pembentukan inti yang dapat dikatakan dipengaruhi oleh kristal-kristal mikroskopik yang sudah ada di dalam magma dinamakan nukleasi sekunder. Ada dua macam nukleasi sekunder, yang pertama disebabkan geser fluida dan tumbukan antara sesama kristal yang ada/dinding kristalisator/ impeller putar/daun agitator.

Nukleasi Geser Fluida

Nukleasi jenis ini diketahui berlangsung pada kondisi tertentu dan diperkirakan juga berlangsung pada kondisi lain. Bila larutan lewat jenuh bergerak dengan kecepatan agak tinggi melewati permukaan kristal yang sedang tumbuh, tegangan geser (shear stress) pada lapisan batas dapat menyebabkan embrio atau inti tersapu dan muncul sebagai kristal baru. Inti tersebut seharusnya menjadi bagian dari kristal yang sedang tumbuh tadi.

Nukleasi Kontak

Nukleasi sekunder dipengaruhi oleh intensitas pengadukkan, jenis ini merupakan nukleasi yang paling banyak terdapat dalam kristalisator industry Karen aterjadi  pada lewat jenuh rendah, dimana laju pertumbuhan kristal  adalah optimum untuk menghasilkan kualitas yang baik. Nukleasi kontak sebanding dengan pangkat satu lewat jenuh, bukan pangkat 20 lebih seperti nukleasi primer sehingga mudah dikendalikan tanpa mengalami operasi yang tak stabil. Dalam nukleasi dan pertumbuhan digunakan satuan mol sebagai pengganti satuan massa.

Kelarutan suatu zat

Satuan kelarutan dinyatakan dalam berapa bagian solute/100 bagian air (solven). Yang artinya berapa lb solute yang dapat melarut dalam 100 lb air (jika satuan dalam lb).

Jadi suatu larutan jenuh yang didinginkan sampai suhu tertentu (dalam keadaan jenuh) maka akan terbentuk kristal.