Flockung
Als Flockung werden Prozesse bezeichnet, bei denen sehr fein verteilte oder kolloidale Feststoffpartikel in einer Flüssigkeit zu größeren, lockeren Verbänden („Flocken“) zusammengefasst werden. Das Ziel besteht darin, die Partikel so zu aggregieren, dass sie sich durch Sedimentation, Filtration oder Flotation leichter aus der Flüssigkeit abtrennen lassen.
Typische Einsatzfelder der Flockung sind die Wasser- und Abwasseraufbereitung, die Trinkwasseraufbereitung, die Prozesswasserreinigung sowie verschiedene chemische und galvanotechnische Prozesse. Dazu werden Flockungsmittel (z. B. Aluminium- oder Eisen(III)-Salze) und Flockungshilfsmittel (Polymere) eingesetzt. Diese destabilisieren die kolloidalen Partikel, neutralisieren ihre Oberflächenladungen und bilden Brücken zwischen den Partikeln. Die entstehenden Flocken besitzen ein größeres Volumen und höhere Sinkgeschwindigkeiten, was ihre Abscheidung erleichtert.
Smoluchowski-Koagulationskinetik (perikinetische Koagulation)
Bei der perikinetischen Koagulation, die durch Brownsche Bewegung verursacht wird, nimmt die Anzahlkonzentration der Partikel durch Zusammenstöße und Aggregation mit der Zeit ab. Betrachtet man eine verdünnte Suspension, in der immer zwei Partikel zu einem Aggregat verschmelzen,
Die zeitliche Änderung der Partikelanzahlkonzentration n wird dann mit einer einfachen Differentialgleichung zweiter Ordnung beschrieben:
dn/dt = - k · n²
- n: Partikelanzahlkonzentration [1/m³]
- k: Koagulationsgeschwindigkeitskonstante [m³/s]
- t: Zeit [s]
Die rechte Seite ist proportional zu n², weil bei jedem Koagulationsakt zwei Partikel „verschwinden” und die Kollisionshäufigkeit mit dem Produkt aus den Konzentrationen der kollidierenden Partikel verknüpft ist.
n(t) = n₀ / (1 + k · n₀ · t)
- n₀: Anfangskonzentration der Partikel [1/m³]
- für t = 0 ist n(0) = n₀.
- Mit zunehmender Zeit t nimmt n(t) hyperbolisch ab.
Je größer k oder n₀, desto schneller sinkt n(t).
Perikinetische Koagulationskonstante (Brownsche Bewegung).
Für kugelförmige Partikel in einer newtonschen Flüssigkeit lässt sich die Koagulationskonstante der perikinetischen Koagulation aus der Brownschen Bewegung und dem Stokes-Einstein-Ansatz herleiten. Das Ergebnis ist eine Proportionalität zur Temperatur und eine inverse Abhängigkeit von der Viskosität.
k = (8 * k_B * T) / (3 * μ)
- k: Koagulationsgeschwindigkeitskonstante [m³/s]
- k_B: Boltzmann-Konstatecx
- T: absolute Temperatur [K]
- μ: dynamische Viskosität der Flüssigkeit [Pa·s]
Eine höhere Temperatur T führt zu einer stärkeren Brownschen Bewegung, einer größeren Kollisionsrate und einem größeren Wert von k. Eine höhere Viskosität μ führt zu einer stärker gedämpften Bewegung der Partikel und somit zu einer kleineren Kollisionsrate und einem kleineren Wert von k.
Mechanistisch lässt sich die Flockung in zwei Schritte gliedern: Zunächst erfolgt die Koagulation (Destabilisierung und erste Agglomeration sehr kleiner Partikel) und anschließend die Flockung im engeren Sinne (Wachstum der Partikelverbände durch langsames Rühren und Polymerzugabe). Die Effizienz hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter pH-Wert, Temperatur, Salinität, Art und Konzentration der Kolloide sowie Dosierung und Art der Flockungsmittel.