Vad är nukleation? Så börjar frysning och kristallbildning i vätskor

Varför kan en vätska vara flytande trots att temperaturen ligger under dess normala fryspunkt? Och varför bildas ibland kristaller runt ett påfyllningslock trots att det är varmt ute?

För att förstå detta behöver vi titta närmare på nukleation, även kallat kärnbildning. Det är ett första steg i bildandet av en ny fas, exempelvis när kristaller börjar bildas i en vätska. För dig som hanterar AdBlue och andra kemiska produkter hjälper kunskapen till att förklara både frysning och kristallbildning.

Vad betyder nukleation?

När en kristall bildas behöver molekyler eller andra byggstenar först samlas i en liten, ordnad struktur. Om strukturen blir tillräckligt stabil kan den fungera som en kärna som fler byggstenar ansluter till.

Processen består därför av två olika steg:

1. Kärnbildning: en stabil kristallkärna uppstår.
2. Kristalltillväxt: kristallen växer när fler byggstenar ansluter.

Att förhållandena tillåter kristallbildning betyder alltså inte att hela vätskan omedelbart blir fast. Först behöver processen komma igång.

Hur börjar kristaller bildas?

Kärnbildning kan ske på olika sätt. Två centrala begrepp är homogen och heterogen nukleation.

Homogen nukleation

Vid homogen nukleation bildas kärnan inne i själva vätskan, utan hjälp av en främmande yta. Det kräver ofta större underkylning än när en lämplig yta finns tillgänglig.

Heterogen nukleation

Vid heterogen nukleation börjar kristallbildningen vid exempelvis en partikel eller behållarens vägg. Ytan kan underlätta bildandet av en stabil kristallkärna.

Det är en anledning till att provets renhet och behållarens egenskaper kan påverka när kristallbildningen börjar. Forskare använder bland annat kontaktfri hantering för att studera vätskor utan påverkan från behållarväggar.

Vad är underkylning?

Underkylning innebär att en vätska förblir flytande under sin normala fryspunkt. Vätskan har då ännu inte börjat bilda stabila kristaller i tillräcklig omfattning.

Ett exempel finns i atmosfären. Små vattendroppar kan vara flytande trots minusgrader. När sådana underkylda droppar träffar en tillräckligt kall yta kan de frysa och bilda ett islager.

Underkylning innebär däremot inte att vätskans normala fryspunkt har sänkts. Den visar att själva starten på frysningen har fördröjts.

Hur hänger nukleation ihop med AdBlue?

AdBlue består av 32,5 viktprocent urea med hög renhet och 67,5 viktprocent avmineraliserat vatten. Vätskan används i dieselmotorers SCR-system för att minska utsläppen av kväveoxider. Den förvaras i en separat tank och ska aldrig blandas med dieselbränslet.

Vanlig AdBlue har en fryspunkt på cirka −11 °C. När vätskan fryser bildas fasta kristallina faser. Kärnbildning är en del av starten på den processen.

Fryst AdBlue behöver inte vara förstörd. BASF anger att deras AdBlue kan användas igen utan kvalitetsförlust efter varsam upptining. Följ alltid produktens och fordonstillverkarens anvisningar för hantering och upptining.

För åkerier, lantbruk och entreprenadföretag är det därför relevant att förstå både vätskans egenskaper och hur det aktuella fordonets system hanterar kyla.

Kristaller behöver inte bero på frysning

Kristallbildning kan också ske när ett lösningsmedel avdunstar. I en vattenlösning ökar då koncentrationen av det lösta ämnet. Om förhållandena blir de rätta kan ämnet börja kristallisera.

Detta hjälper till att förklara varför intorkat spill av en ureavätska kan lämna kristallrester även när omgivningen är varm.

Avlagringar inne i ett SCR-system är samtidigt en mer komplicerad fråga. Där spelar bland annat temperatur, dosering och hur vätskan fördelas i avgaserna roll. Yara beskriver exempelvis hur drift med låg avgastemperatur kan bidra till avlagringsproblem. Alla sådana avlagringar bör därför inte beskrivas som vanlig frysning eller enbart som ureakristaller.

Vad visar ett enkelt frystest?

Ett prov i en frys kan visa vad som händer med just det provet under de aktuella förhållandena. För att jämföra produkter behöver man dock kontrollera flera saker:

• Vätskans temperatur: frysens inställning visar inte automatiskt temperaturen inne i provet.
• Tid: olika prov kan behöva olika lång tid för att kylas ned.
• Provmängd och behållare: dessa påverkar nedkylningen och kan påverka kärnbildningen.
• Bedömningspunkt: de första kristallerna, en trögflytande blandning och ett genomfruset prov är olika observationer.
• Upprepning: flera försök behövs för att bedöma hur konsekvent resultatet är.

Eftersom underkylning kan fördröja kristallbildning räcker observationen ”fortfarande flytande” inte ensam för att fastställa en produkts fryspunkt.

Ett frystest visar dessutom inte hur vätskan fungerar i ett komplett fordon. Pumpning, dosering, materialkompatibilitet och avgasrening behöver bedömas separat.

Hur ska man tolka uppgifter om Defrosta och −30 °C?

För Defrosta anger tillverkaren en fryspunkt på cirka −30 °C. Temperaturuppgiften beskriver vätskans frysegenskaper och ska inte tolkas som en garanti för problemfri drift i alla SCR-system.

Defrosta är inte AdBlue och uppfyller inte ISO 22241. Produkten är därför ingen generellt godkänd ersättning för vanlig AdBlue. För vägfordon rekommenderar Kemexperten skriftlig bekräftelse på kompatibiliteten för den aktuella modellen före användning.

Läs mer om produktens egenskaper och användningsvillkor på vår sida om Defrosta.

Vanliga frågor om nukleation

Är nukleation och kristallisering samma sak?

Nukleation är kärnbildningen som inleder processen. Kristallisering omfattar även den fortsatta tillväxten av kristallerna.

Kan en vätska vara flytande under sin fryspunkt?

Ja, under vissa förhållanden kan den vara underkyld. Det innebär att kristallbildningen ännu inte har kommit igång, trots att temperaturen ligger under den normala fryspunkten.

Betyder kristaller runt ett lock att vätskan har frusit?

Nej. Kristaller kan även uppstå när spill torkar och vatten avdunstar. Utseendet behöver bedömas tillsammans med hur produkten har hanterats.

Kan nukleation förklara alla problem i ett SCR-system?

Nej. Kärnbildning är en del av förståelsen för kristallbildning. Felkoder och avlagringar kan ha flera orsaker och behöver undersökas utifrån fordonets drift och tillverkarens anvisningar.

AdBlue och SCR-vätskor hos Kemexperten

Kemexperten levererar fordonskemi till företag inom transport, entreprenad och lantbruk. Läs mer om vårt sortiment av AdBlue eller kontakta oss om förpackningsstorlekar och leveransalternativ.

Vid val av vätska till ett SCR-system ska fordonstillverkarens specifikationer alltid vara utgångspunkten.