Cristallizzazione frazionata

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La cristallizzazione frazionata, in quanto caso particolare della cristallizzazione, è un processo unitario dell'ingegneria chimica per la precipitazione controllata di un composto (soluto) in soluzione in un solvente mediante la variazione di un parametro fisico (pressione, temperatura, concentrazione). Nel caso specifico, si intende con il termine cristallizzazione frazionata un processo in cui una massa solida contenente composti diversi viene portata oltre il punto di fusione e, mediante raffreddamento (solitamente lento) fino ad una precisa temperatura, si ottiene la precipitazione del soluto; la torbida viene quindi inviata alla separazione. Spesso questa separazione è seguita da un ulteriore raffreddamento, con separazione ulteriore dello stesso composto, o di un altro, con valori di solubilità più bassi - da qui il nome di cristallizzazione frazionata. I cristallizzatori sono gli apparecchi utilizzati per effettuare una cristallizzazione industriale.

[modifica] Descrizione del processo

Il processo di cristallizzazione frazionata è quasi sempre un'operazione discontinua, fatta per lotti. Si riconoscono quindi in essa delle fasi precise :

Cristallizzazione del soluto, a volte detta cristallizzazione di equilibrio
Decantazione dei cristalli dal solvente, a volte detto frazionamento di Rayleigh
Separazione dei cristalli, a volte impropriamente detta cristallizzazione in sito

[modifica] Meccanismi di frazionamento in Petrologia

La cristallizzazione frazionata è uno dei principali processi geochimici e fisici che governano la formazione dei magmi all'interno della crosta terrestre e del mantello. Si parla di cristallizzazione frazionata quando in un fuso silicatico i cristalli che si segregano vengono separati dal liquido, che quindi cambia di composizione. La cristallizzazione frazionata è il più potente meccanismo di differenziazione magmatica.

La cristallizzazione frazionata si realizza generalmente secondo tre modalità, che riflettono le condizioni geologiche del sistema in cui il processo ha luogo: differenziazione gravitativa, differenziazione per flusso o filtro-pressa.

La differenziazione gravitativa si realizza per contrasto di densità fra tra la fase liquida e il solido (fase minerale) che da esso si segrega. Se il contrasto di densità è abbastanza elevato, i cristalli di minerali segregati possono concentrarsi nella parte bassa della camera magmatica o nella parte alta, a seconda che la densità del solido sia rispettivamente maggiore o minore della densità del liquido. In risposta a questo meccanismo di differenziazione del liquido residuale, si verifica una zonatura composizionale all'interno di una camera magmatica, con i termini ricchi in minerali stabili a più alte temperature situati generalmente nella parte bassa e i liquidi più evoluti nella parte alta. In realtà tale situazione risponde a condizioni ideali del sistema, che in natura raramente si verificano. Di solito all'interno della camera magmatica si generano movimenti convettivi che si combinano con la differenziazione gravitativa e possono dare un'interpretazione di certe evidenze petrografiche non rispondenti al modello ideale sopra descritto. Un altro elemento di cui tenere conto nel processo di differenziazione magmatica è che spesso la distanza che separa la zona di formazione dei magmi da quella di messa in posto è molto grande e solitamente viene percorsa attraverso fratture, almeno nella litosfera.

La differenziazione per flusso si verifica in sistemi eterogenei, solido-liquido, in cui il magma fluisce laminarmente, ad esempio all'interno di filoni. In questo caso i solidi tendono a concentrarsi nella parte centrale del flusso, formando delle zone cumulitiche, che presentano variazioni sia tessiturali che composizionali dei minerali.

Il meccanismo di differenziazione per filtro-pressa si verifica in condizioni di avanzata cristallizzazione del magma, è quindi caratterizzato da un rapporto minerali segregati/liquido elevato. Il filtro-pressa si verifica quando il magma fluisce in fratture e pori con dimensione media inferiore alla dimensione media dei minerali cristallizzati, oppure in seguito ad un accumulo di solidi in prossimità di asperità dei condotti.