Les Fondamentaux de la Cristallisation et de la Précipitation

Quelque soit la finalité industrielle du solide issu de l'opération de cristallisation, il est important de pouvoir contrôler la pureté de ce produit, sa structure cristalline, la distribution de taille de ses cristaux et son faciès. Certaines de ces propriétés peuvent devenir des objectifs essentiels, selon le type de solide considéré et ses applications (chimie fine, pharmacie, agro-alimentaire, poudres minérales, etc.). Par exemple, une distribution de taille étroite peut être recherchée : c'est le cas pour contrôler les opérations de frittage des poudres de céramique. De même, une taille moyenne finale spécifique peut être recherchée selon l'application future du solide : on peut rechercher une poudre alimentaire relativement fine pour favoriser sa dispersion en phase liquide, ou à l'inverse une poudre relativement grosse - présentant des agglomérats - pour en exploiter la porosité.

La reproductibilité des propriétés des poudres obtenues constitue aussi un enjeu industriel.

Tous ces enjeux justifient que l'on cherche à caractériser au mieux les mécanismes fondamentaux de nucléation, de croissance, d'agglomération et de brisure afin de permettre le contrôle des procédés de cristallisation, et de produire ainsi des cristaux aux propriétés souhaitées, telles que la pureté, la distribution de taille, la structure cristalline ou le faciès.

Depuis plus de vingt ans, les ultrasons sont fréquemment utilisés pour améliorer les processus de cristallisation. D'après la littérature, les ultrasons permettent généralement de modifier les taux de nucléation, de croissance et d'agglomération, ce qui conduit à modifier les distributions de taille des cristaux. L'application d'ultrasons semble de ce fait être un outil très prometteur pour commander les propriétés finales d'un cristal, améliorer le rendement d'un procédé de cristallisation, ou remplacer l'étape industrielle d'ensemencement de solutions métastables. Malheureusement, les travaux des pionniers sur ce sujet datent des années 1960. L'effet des ultrasons est généralement attribué à la présence de bulles de cavitation, mais le mécanisme précis à l'échelle de la bulle n'a toujours pas été clarifié, et seulement quelques travaux abordent les aspects fondamentaux.

Dans ce court chapitre, nous proposons de donner des éléments concernant la cristallisation assistée par ultrasons (pour plus de détails, voir Baillon et al., 2014^[1]).

Dans un premier temps, nous rappellerons les éléments essentiels de la thermodynamique et de la cinétique de cristallisation. Ensuite, nous verrons des exemples concrets des effets des ultrasons sur la cristallisation en solution. Enfin, nous présenterons les différents mécanismes physiques fondamentaux qui sous-tendent le processus de sono-cristallisation.