Flocculazione
Il termine flocculazione indica quei processi in cui particelle solide colloidali o finemente distribuite in un liquido vengono aggregate in gruppi più grandi e sciolti ("fiocchi"). L'obiettivo è quello di aggregare le particelle in modo tale da poterle separare più facilmente dal liquido tramite sedimentazione, filtrazione o flottazione.
I campi di applicazione tipici della flocculazione sono il trattamento delle acque e delle acque reflue, il trattamento dell'acqua potabile, la depurazione delle acque di processo e vari processi chimici e galvanotecnici. A tal fine vengono utilizzati flocculanti (ad es. sali di alluminio o ferro (III)) e coadiuvanti di flocculazione (polimeri). Questi destabilizzano le particelle colloidali, neutralizzano le loro cariche superficiali e formano ponti tra le particelle. I fiocchi che ne risultano hanno un volume maggiore e una velocità di sedimentazione più elevata, il che ne facilita la separazione.
Cinetica di coagulazione di Smoluchowski (coagulazione pericinetica)
Nella coagulazione perikinetica, causata dal moto browniano, la concentrazione numerica delle particelle diminuisce nel tempo a causa delle collisioni e dell'aggregazione. Se si considera una sospensione diluita in cui due particelle si fondono sempre in un aggregato,
La variazione temporale della concentrazione del numero di particelle n viene quindi descritta con una semplice equazione differenziale di secondo ordine:
dn/dt = - k · n²
- n: concentrazione del numero di particelle [1/m³]
- k: costante di velocità di coagulazione [m³/s]
- t: tempo [s]
Il lato destro è proporzionale a n², perché ad ogni atto di coagulazione "scompaiono" due particelle e la frequenza delle collisioni è legata al prodotto delle concentrazioni delle particelle che entrano in collisione.
n(t) = n₀ / (1 + k · n₀ · t)
- n₀: concentrazione iniziale delle particelle [1/m³]
- per t = 0, n(0) = n₀.
- Con l'aumentare del tempo t, n(t) diminuisce in modo iperbolico.
Più grande è k o n₀, più velocemente diminuisce n(t).
Costante di coagulazione perikinetica (movimento browniano).
Per le particelle sferiche in un fluido newtoniano, la costante di coagulazione della coagulazione pericinetica può essere ricavata dal moto browniano e dall'approccio di Stokes-Einstein. Il risultato è una proporzionalità alla temperatura e una dipendenza inversa dalla viscosità.
k = (8 * k_B * T) / (3 * μ)
- k: costante di velocità di coagulazione [m³/s]
- k_B: costante di Boltzmann
- T: temperatura assoluta [K]
- μ: viscosità dinamica del liquido [Pa·s]
Una temperatura T più elevata comporta un movimento browniano più intenso, una maggiore frequenza di collisione e un valore di k più elevato. Una viscosità μ più elevata comporta un movimento delle particelle più smorzato e quindi una minore frequenza di collisione e un valore di k più basso.
Dal punto di vista meccanico, la flocculazione può essere suddivisa in due fasi: prima avviene la coagulazione (destabilizzazione e prima agglomerazione di particelle molto piccole) e poi la flocculazione in senso stretto (crescita dei gruppi di particelle mediante lenta agitazione e aggiunta di polimeri). L'efficienza dipende da diversi fattori, tra cui il valore del pH, la temperatura, la salinità, il tipo e la concentrazione dei colloidi, nonché il dosaggio e il tipo di flocculanti.