flokulacja
Flokulacja to proces, w którym bardzo drobno rozproszone lub koloidalne cząstki stałe w cieczy są łączone w większe, luźne skupiska („płatki”). Celem jest agregacja cząstek w taki sposób, aby można je było łatwiej oddzielić od cieczy poprzez sedymentację, filtrację lub flotację.
Typowe obszary zastosowania flokulacji to uzdatnianie wody i ścieków, uzdatnianie wody pitnej, oczyszczanie wody procesowej oraz różne procesy chemiczne i galwanotechniczne. W tym celu stosuje się środki flokulujące (np. sole glinu lub żelaza(III)) oraz środki wspomagające flokulację (polimery). Destabilizują one cząsteczki koloidalne, neutralizują ich ładunki powierzchniowe i tworzą mostki między cząsteczkami. Powstałe płaty mają większą objętość i większą prędkość opadania, co ułatwia ich oddzielanie.
Kinetyka koagulacji Smoluchowskiego (koagulacja perikinetyczna)
W przypadku koagulacji perykinetycznej, spowodowanej ruchem Browna, stężenie cząstek zmniejsza się z upływem czasu w wyniku zderzeń i agregacji. Rozważając rozcieńczoną zawiesinę, w której zawsze dwie cząstki łączą się w agregat,
Zmiana w czasie stężenia cząstek n jest następnie opisana prostym równaniem różniczkowym drugiego rzędu:
dn/dt = - k · n²
- n: stężenie liczby cząstek [1/m³]
- k: stała szybkości koagulacji [m³/s]
- t: czas [s]
Prawa strona jest proporcjonalna do n², ponieważ podczas każdego aktu koagulacji „znikają” dwie cząstki, a częstotliwość zderzeń jest powiązana z iloczynem stężeń zderzających się cząstek.
n(t) = n₀ / (1 + k · n₀ · t)
- n₀: początkowe stężenie cząstek [1/m³]
- dla t = 0 jest n(0) = n₀.
- Wraz z upływem czasu n(t) maleje hiperbolicznie.
Im większa wartość k lub n₀, tym szybciej spada n(t).
Stała koagulacji perikinetycznej (ruch Browna).
W przypadku cząstek kulistych w cieczy newtonowskiej stałą koagulacji koagulacji perikinetycznej można wyprowadzić z ruchu Browna i podejścia Stokesa-Einsteina. Wynikiem jest proporcjonalność do temperatury i odwrotna zależność od lepkości.
k = (8 * k_B * T) / (3 * μ)
- k: stała szybkości koagulacji [m³/s]
- k_B: stała Boltzmanna
- T: temperatura bezwzględna [K]
- μ: lepkość dynamiczna cieczy [Pa·s]
Wyższa temperatura T powoduje silniejszy ruch Browna, większą częstotliwość zderzeń i większą wartość k. Wyższa lepkość μ powoduje silniejsze tłumienie ruchu cząstek, a tym samym mniejszą częstotliwość zderzeń i mniejszą wartość k.
Z mechanicznego punktu widzenia flokulację można podzielić na dwa etapy: najpierw następuje koagulacja (destabilizacja i pierwsza aglomeracja bardzo małych cząstek), a następnie flokulacja w ścisłym tego słowa znaczeniu (wzrost skupisk cząstek poprzez powolne mieszanie i dodanie polimeru). Skuteczność zależy od różnych czynników, w tym od wartości pH, temperatury, zasolenia, rodzaju i stężenia koloidów, a także od dawki i rodzaju środków flokulujących.