Floculación
La floculación es el proceso por el cual partículas sólidas muy finas o coloidales distribuidas en un líquido se agrupan en conjuntos más grandes y sueltos («flóculos»). El objetivo es agrupar las partículas de tal manera que puedan separarse más fácilmente del líquido mediante sedimentación, filtración o flotación.
Los campos de aplicación típicos de la floculación son el tratamiento de agua y aguas residuales, el tratamiento de agua potable, la purificación de agua de proceso y diversos procesos químicos y galvanotécnicos. Para ello se utilizan floculantes (por ejemplo, sales de aluminio o hierro (III)) y coadyuvantes de floculación (polímeros). Estos desestabilizan las partículas coloidales, neutralizan sus cargas superficiales y forman puentes entre las partículas. Los flóculos resultantes tienen un mayor volumen y una mayor velocidad de sedimentación, lo que facilita su separación.
Cinética de coagulación de Smoluchowski (coagulación pericínica)
En la coagulación pericinética, causada por el movimiento browniano, la concentración numérica de las partículas disminuye con el tiempo debido a las colisiones y la agregación. Si se observa una suspensión diluida en la que siempre se fusionan dos partículas para formar un agregado,
El cambio temporal en la concentración numérica de partículas n se describe entonces con una ecuación diferencial simple de segundo orden:
dn/dt = - k · n²
- n: concentración de partículas [1/m³]
- k: constante de velocidad de coagulación [m³/s]
- t: tiempo [s]
El lado derecho es proporcional a n², porque en cada acto de coagulación «desaparecen» dos partículas y la frecuencia de colisión está relacionada con el producto de las concentraciones de las partículas que colisionan.
n(t) = n₀ / (1 + k · n₀ · t)
- n₀: concentración inicial de partículas [1/m³]
- para t = 0, n(0) = n₀.
- Con el aumento del tiempo t, n(t) disminuye hiperbólicamente.
Cuanto mayor sea k o n₀, más rápido disminuirá n(t).
Constante de coagulación perikinética (movimiento browniano).
Para partículas esféricas en un fluido newtoniano, la constante de coagulación de la coagulación pericínica se puede derivar del movimiento browniano y del enfoque de Stokes-Einstein. El resultado es una proporcionalidad con la temperatura y una dependencia inversa con la viscosidad.
k = (8 * k_B * T) / (3 * μ)
- k: constante de velocidad de coagulación [m³/s]
- k_B: constante de Boltzmann
- T: temperatura absoluta [K]
- μ: viscosidad dinámica del líquido [Pa·s]
Una temperatura T más alta provoca un movimiento browniano más intenso, una mayor tasa de colisión y un valor mayor de k. Una viscosidad μ más alta provoca un movimiento más amortiguado de las partículas y, por lo tanto, una menor tasa de colisión y un valor menor de k.
Desde el punto de vista mecánico, la floculación se puede dividir en dos pasos: primero se produce la coagulación (desestabilización y primera aglomeración de partículas muy pequeñas) y, a continuación, la floculación en sentido estricto (crecimiento de los aglomerados de partículas mediante agitación lenta y adición de polímeros). La eficacia depende de diversos factores, entre ellos el valor del pH, la temperatura, la salinidad, el tipo y la concentración de los coloides, así como la dosificación y el tipo de floculantes.