la floculation
La floculation désigne les processus au cours desquels des particules solides très finement réparties ou colloïdales dans un liquide sont regroupées en agrégats plus gros et plus lâches (« flocons »). L'objectif est d'agréger les particules de manière à ce qu'elles puissent être plus facilement séparées du liquide par sédimentation, filtration ou flottation.
Les domaines d'application typiques de la floculation sont le traitement de l'eau et des eaux usées, le traitement de l'eau potable, la purification des eaux de process ainsi que divers processus chimiques et galvanotechniques. Pour ce faire, on utilise des floculants (par exemple des sels d'aluminium ou de fer (III)) et des adjuvants de floculation (polymères). Ceux-ci déstabilisent les particules colloïdales, neutralisent leurs charges superficielles et forment des ponts entre les particules. Les flocs ainsi formés ont un volume plus important et une vitesse de sédimentation plus élevée, ce qui facilite leur séparation.
Cinétique de coagulation de Smoluchowski (coagulation péricinétique)
Dans le cas de la coagulation péricinétique, causée par le mouvement brownien, la concentration en nombre de particules diminue avec le temps en raison des collisions et de l'agrégation. Si l'on considère une suspension diluée dans laquelle deux particules fusionnent toujours pour former un agrégat,
La variation dans le temps de la concentration en nombre de particules n est alors décrite par une équation différentielle simple du second ordre :
dn/dt = - k · n²
- n : concentration en nombre de particules [1/m³]
- k : constante de vitesse de coagulation [m³/s]
- t : temps [s]
Le côté droit est proportionnel à n², car lors de chaque coagulation, deux particules « disparaissent » et la fréquence des collisions est liée au produit des concentrations des particules en collision.
n(t) = n₀ / (1 + k · n₀ · t)
- n₀ : concentration initiale des particules [1/m³]
- pour t = 0, n(0) = n₀.
- Avec l'augmentation du temps t, n(t) diminue de manière hyperbolique.
Plus k ou n₀ sont grands, plus n(t) diminue rapidement.
Constante de coagulation périkinétique (mouvement brownien).
Pour les particules sphériques dans un fluide newtonien, la constante de coagulation de la coagulation péricinétique peut être dérivée du mouvement brownien et de l'approche de Stokes-Einstein. Il en résulte une proportionnalité à la température et une dépendance inverse à la viscosité.
k = (8 * k_B * T) / (3 * μ)
- k : constante de vitesse de coagulation [m³/s]
- k_B : constante de Boltzmann
- T : température absolue [K]
- μ : viscosité dynamique du liquide [Pa·s]
Une température T plus élevée entraîne un mouvement brownien plus intense, un taux de collision plus élevé et une valeur k plus importante. Une viscosité μ plus élevée entraîne un mouvement plus amorti des particules et donc un taux de collision plus faible et une valeur k plus petite.
D'un point de vue mécanique, la floculation peut être divisée en deux étapes : tout d'abord, la coagulation (déstabilisation et première agglomération de très petites particules), puis la floculation au sens strict (croissance des agrégats de particules par agitation lente et ajout de polymères). L'efficacité dépend de différents facteurs, notamment le pH, la température, la salinité, le type et la concentration des colloïdes, ainsi que le dosage et le type de floculants.