Kristalisasi

Kristalisasi adalah proses pembentukan kristal padat dari suatu larutan induk yang homogen. Proses ini adalah salah satu teknik pemisahan padat-cair yang sangat penting dalam industri, karena dapat menghasilkan kemurnian produk hingga 100%. Contoh proses kristalisasi : pembuatan gula pasir dari jus tebu/beet, pembuatan kristal pupuk dari larutan induknya, dll.

Syarat utama terbentuknya kristal dari suatu larutan adalah larutan induk harus dibuat dalam kondisi lewat jenuh (supersaturated). Yang dimaksud dengan kondisi lewat jenuh adalah kondisi dimana pelarut (solven) mengandung zat terlarut (solute) melebihi kemampuan pelarut tersebut untuk melarutkan solute pada suhu tetap. Atau kalau diilustrasikan dengan sebuah kelas, jika kapasitas suatu kelas adalah 80 mahasiswa, karena hanya ada 80 kursi. Maka mahasiswa ke-81 yang masuk ke kelas adalah mahasiswa yang membuat kondisi kelas lewat jenuh.

Selanjutnya, bagaimana cara untuk mencapai kondisi supersaturasi yang diinginkan ? Berdasarkan teori, solubilitas padatan dalam cairan akan menurun seiring dengan penurunan suhu (pendinginan).  Seiring dengan penurunan suhu, saturasi akan meningkat sedemikian hingga, sampai tercapai kondisi supersaturasi.

Pendinginan adalah salah satu dari 4 cara yang dapat digunakan untuk mencapai kondisi supersaturasi. Akan tetapi cara ini hanya dapat dilakukan jika, solubilitas padatan dalam larutan sangat dipengaruhi oleh suhu. Dan untuk senyawa Ce2(SO4)3 cara ini tidak berlaku, karena kelarutan senyawa ini dalam air akan berkurang dengan kenaikan suhu. 

Tiga metode lain yang dapat digunakan untuk mencapai kondisi supersaturasi  adalah penguapan solven sehingga konsentrasi larutan menjadi makin pekat, penambahan senyawa lain, non solven, ke dalam larutan yang akan menurunkan solubilitas padatan dan reaksi kimia.

Setelah kondisi supersaturasi dicapai, bagaimana kita menumbuhkan kristal ? 

Langkah pertama adalah membentuk inti kristal primer, yang akan merangsang pembentukan kristal. Untuk membentuk inti kristal primer, jika dibuat dari larutan induk, maka beda konsentrasi larutan lewat jenuh dengan konsentrasi jenuh (C-C*) sebagai driving force proses kristalisasi harus dibuat besar. Dan ini membutuhkan energi yang sangat besar. Sehingga untuk skala industri, tidak efisien. Lebih disukai cara penambahan kristal yang sudah jadi, untuk menginisiasi pembentukan inti kristal primer. 

Pemodelan matematis yang mewakili proses nukleasi primer, sulit untuk dibuat. Oleh karena itu, perhitungan waktu tinggal semata-mata didasarkan dari hasil eksperimen.

Mekanisme kristalisasi selanjutnya adalah nukleasi sekunder. Pada fase ini, kristal tumbuh dikarenakan kontak antara kristal dan larutan. Terjadi pada kondisi supersaturasi yang lebih rendah yang memungkinkan kristal tumbuh dengan optimal. Nukleasi sekunder membutuhkan bibit atau kristal yang sudah jadi untuk merangsang pertumbuhan kristal yang baru. Fase inipun juga sulit dibuat pemodelannya, sehingga sama dengan nukleasi primer, penentuan waktunya dilakukan dengan eksperimen.

Jenis-jenis Kristaliser:

1. Kristaliser Tangki, adalah jenis kristaliser yang paling kuno.  Larutan jenuh, panas dibiarkan berkontak dengan udara terbuka dalam tangki terbuka.
   
2. Scraped Surface Crystallizers, Contoh kristaliser jenis ini adalah Swenson-Walker crystallizer. Berupa saluran dengan lebar 2 ft, dengan penampang berbentuk setengah lingkaran. Bagian luar dinding dilengkapi dengan jaket pendingin dan sebuah pisau pengeruk yang akan mengambil produk kristal yang menempel pada dinding.
   
3. Forced Circulating Liquid Evaporator-Crystallizer. Kristaliser jenis ini mengkombinasikan antara pendinginan dan evaporasi untuk mencapai kondisi supersaturasi.  Larutan terlebih dulu dilewatkan pemanas HE, kemudian menuju badan kristaliser. Di sini terjadi flash evaporation, mengurangi jumlah pelarut dan meningkatkan konsentrasi solute, membawa ke kondisi supersaturasi. Selanjutnya larutan ini mengalir melalui area fluidisasi dimana kristal terbentuk melalui nukleasi sekunder. Produk kristal diambil sebagai hasil bawah, sedangkan larutan pekat direcycle, dicampur dengan umpan segar.
   
4. Circulating Magma Vacuum Crystallizer. Pada tipe kristaliser ini, baik kristal ataupun larutan disirkulasi diluar badan kristal. Setelah dipanaskan larutan akan dialirkan ke badan kristaliser. Kondisi vakum menjadi penyebab menguapnya pelarut, sehingga menjadi lewat jenuh.