Флокуляция
Флокуляцией называют процессы, при которых очень мелкодисперсные или коллоидные твердые частицы в жидкости объединяются в более крупные, рыхлые скопления («флокулы»). Цель состоит в том, чтобы агрегировать частицы таким образом, чтобы их было легче отделить от жидкости путем осаждения, фильтрации или флотации.
Типичные области применения флокуляции – это водоподготовка и очистка сточных вод, подготовка питьевой воды, очистка технологической воды, а также различные химические и гальванотехнические процессы. Для этого используются флокулянты (например, соли алюминия или железа (III)) и флокуляционные добавки (полимеры). Они дестабилизируют коллоидные частицы, нейтрализуют их поверхностные заряды и образуют мостики между частицами. Образующиеся хлопья имеют больший объем и более высокую скорость осаждения, что облегчает их отделение.
Кинетика коагуляции Смолуховского (перикинетическая коагуляция)
При перикинетической коагуляции, вызванной броуновским движением, концентрация частиц со временем уменьшается в результате столкновений и агрегации. Если рассматривать разбавленную суспензию, в которой две частицы всегда сливаются в один агрегат,
Изменение концентрации частиц n во времени описывается простым дифференциальным уравнением второго порядка:
dn/dt = - k · n²
- n: концентрация частиц [1/м³]
- k: константа скорости коагуляции [м³/с]
- t: время [с]
Правая сторона пропорциональна n², поскольку при каждом акте коагуляции «исчезают» две частицы, а частота столкновений связана с произведением концентраций сталкивающихся частиц.
n(t) = n₀ / (1 + k · n₀ · t)
- n₀: начальная концентрация частиц [1/м³]
- для t = 0 n(0) = n₀.
- С увеличением времени t n(t) гиперболически уменьшается.
Чем больше k или n₀, тем быстрее снижается n(t).
Перикинетическая константа коагуляции (движение Брауна).
Для шарообразных частиц в ньютоновской жидкости константа коагуляции перикинетической коагуляции может быть выведена из броуновского движения и подхода Стокса-Эйнштейна. Результатом является пропорциональность температуре и обратная зависимость от вязкости.
k = (8 * k_B * T) / (3 * μ)
- k: константа скорости коагуляции [м³/с]
- k_B: постоянная Больцмана
- T: абсолютная температура [K]
- μ: динамическая вязкость жидкости [Па·с]
Более высокая температура T приводит к более интенсивному броуновскому движению, более высокой частоте столкновений и большему значению k. Более высокая вязкость μ приводит к более сильному затуханию движения частиц и, следовательно, к меньшей частоте столкновений и меньшему значению k.
С механической точки зрения флокуляция может быть разделена на два этапа: сначала происходит коагуляция (дестабилизация и первая агломерация очень мелких частиц), а затем флокуляция в узком смысле (рост агрегатов частиц путем медленного перемешивания и добавления полимера). Эффективность зависит от различных факторов, в том числе от значения pH, температуры, солености, типа и концентрации коллоидов, а также от дозировки и типа флокулянтов.