La cristallisation est une méthode de séparation dans laquelle se produit la formation d’un solide (cristal ou précipité) à partir d’une phase homogène, liquide ou gazeuse. Le solide formé peut devenir très pur, c’est pourquoi la cristallisation est également utilisée au niveau industriel comme processus de purification. La cristallisation du sel, ou traitement des saumures, est un processus très courant dans les processus industriels qui génèrent des eaux usées.
Pour que la cristallisation puisse avoir lieu, il est indispensable que la solution soit sursaturée. Les processus de cristallisation diffèrent les uns des autres par la méthode par laquelle la sursaturation est obtenue. En général, cela peut être réalisé de trois manières différentes :
- Sursaturation produite par refroidissement de la solution avec évaporation négligeable.
- Sursaturation produite par évaporation du solvant avec peu de refroidissement.
- Évaporation par combinaison de refroidissement et d’évaporation dans des évaporateurs adiabatiques (cristalliseurs sous vide).
Il convient de garder à l’esprit que pour utiliser les cristalliseurs dans lesquels la sursaturation est obtenue par refroidissement, les solutés doivent avoir une courbe de solubilité qui diminue significativement avec la température. Dans les cas où la solubilité ne dépend pratiquement pas de la température, la sursaturation est obtenue en évaporant le solvant. Et lorsque l’on utilise la combinaison de refroidissement et d’évaporation, une solution est soumise à des conditions de vide pour que le solvant s’évapore de manière soudaine et que la solution se refroidisse adiabatiquement.
Cette dernière méthode est la plus utilisée au niveau industriel pour provoquer la sursaturation. En pratique, il existe une large variété de cristalliseurs industriels, chacun conçu spécifiquement pour obtenir de manière optimale la sursaturation de la solution, en fonction des caractéristiques et des propriétés de celle-ci.
Le processus de cristallisation n’est pas simple et l’étape la plus importante consiste en la formation de cristaux solides au sein de la solution liquide. La solution se concentre et se refroidit jusqu’à ce que la concentration du soluté soit supérieure à la solubilité à cette température et que le soluté forme des cristaux presque purs.
La vitesse de croissance d’un cristal est connue sous le nom de vitesse de cristallisation. La croissance se produit d’abord avec la formation du noyau, puis sa croissance se produit progressivement. Lorsque la concentration est supérieure à la sursaturation, la nucléation – formation de noyaux – se produit de manière naturelle, spontanée et rapide. La vitesse de cristallisation peut être exprimée par l’équation empirique suivante :
Où :
- B : vitesse de nucléation (noyaux formés par unité de temps et de volume de solvant)
- N : nombre de noyaux formés par unité de volume de solvant
- t : temps
- k, i : paramètres empiriques
- (C-C*) : sursaturation
- C : concentration du soluté dans la solution
- C* : concentration de saturation du soluté
De l’équation, on déduit que la vitesse de nucléation est une fonction directe de la sursaturation. Il a été prouvé que lorsque la sursaturation est élevée, la vitesse de nucléation – et aussi la vitesse de croissance du cristal – sont également élevées, donnant lieu à des cristaux petits, imparfaits et avec des impuretés. Et inversement, lorsque la sursaturation est faible, la vitesse de formation est petite, la croissance des cristaux est régulière et l’on obtient des cristaux de grande taille et de haute pureté.
Dans la cristallisation, on distingue principalement deux étapes : la nucléation et la croissance des cristaux. Les deux processus se produisent, si les conditions sont favorables, dans la zone sursaturée du graphique. Cependant, pour la nucléation, il faut plus de sursaturation que pour la croissance. La zone de formation nucléaire où se produit la sursaturation est appelée zone instable, tandis que la zone de croissance est connue sous le nom de zone métastable. Pour la nucléation, il est nécessaire que la solution atteigne la zone instable. Cependant, une fois là, les noyaux croîtront trop rapidement et les cristaux résultants seront nombreux et très petits. Pour obtenir la formation de cristaux aussi grands et purs que possible, il est nécessaire de contrôler la quantité de noyaux en formation. Si la solution ne contient pas d’impuretés ni de cristaux de son propre type, le noyau ne peut être formé que par nucléation homogène. Si certaines particules étrangères sont présentes, la nucléation est facilitée et le processus est connu sous le nom de nucléation hétérogène. Les deux nucléations, homogène et hétérogène, se produisent en l’absence de cristaux de la propre solution et sont collectivement connues sous le nom de nucléation primaire. La nucléation secondaire fait référence au processus de formation de cristaux qui est conditionné et produit par la présence de particules de la même phase dans le système sursaturé.
D’autre part, le processus de cristallisation a de nombreuses applications industrielles et l’obtention de cristaux purs n’est pas toujours l’objectif principal de ce processus. Il arrive souvent que le processus de cristallisation soit intéressant en tant qu’élément d’un traitement plus large des effluents liquides. Dans ce cas, l’objectif principal est la séparation de la contamination présente dans un effluent du solvant lui-même, de manière à obtenir le solvant pur et la contamination sous forme solide, pour faciliter sa gestion de manière économique. Par exemple, cette application de la cristallisation est indispensable dans les processus de rejet zéro, où l’effluent est séparé en deux courants, celui du solvant relativement pur et apte à être réutilisé, et celui de la contamination sous forme solide ou semi-solide.
Ainsi, la cristallisation se présente également comme une excellente solution dans les cas où l’objectif principal n’est pas l’obtention d’un produit solide de haute pureté, comme dans les applications suivantes :
- Traitement des effluents avec une charge contaminante élevée
- Traitement des effluents lorsque les techniques conventionnelles ne sont pas efficaces (comme dans le cas des saumures)
- Impossibilité de pouvoir rejeter les effluents traités
- Traitement des effluents dont la composition fluctue et est très variable
Actuellement, il est possible de disposer de cristalliseurs pour le traitement des eaux avec des sels qui sont très compétitifs en termes d’efficacité énergétique, car ils reposent sur une évaporation sous vide par pompe à chaleur, et très robustes en ce qui concerne leur fonctionnement.
