Флокуляция и коагуляция в жидких дисперсных системах

В чем разница между коагуляцией и флокуляцией? Коагуляция – это химический процесс. Флокуляция – это физический процесс. Коагуляция включает в себя ..

Основное отличие – коагуляция против флокуляции

Коагуляция и флокуляция являются двумя процессами, обычно используемыми при обработке воды, чтобы избавиться от нежелательного взвешенного материала в воде. Тем не менее, они могут быть широко использованы для дестабилизации любой системы подвески. Коагуляция включает использование коагулянта, который потенциально способен дестабилизировать ранее стабилизированные заряженные частицы в суспензии. По сравнению, при флокуляции дестабилизация достигается физическими методами, такими как смешивание раствора, а также иногда добавлением полимеров. Это ключевое различие между коагуляцией и флокуляцией.

1. Что такое коллоидная суспензия
– определение, свойства, процесс

2. Что такое коагуляция
– определение, применение

3. Что такое флокуляция
– определение, применение

4. В чем разница между коагуляцией и флокуляцией

Коагуляция и флокуляция: общая информация 

Природные воды, как правило, содержат растворённые и взвешенные частицы в массовом количестве. Загрязнения в основном становятся результатом эрозии земель, растворения полезных ископаемых, химического распада растительных веществ. Вносят свой весомый вклад в загрязнение природной воды бытовые и промышленные отходы.

Структура природной воды может включать суспензионное, растворённое органическое/неорганическое вещество, а также частично биологические организмы:

• бактерии,
• водоросли,
• вирусы.

Всё это содержимое требует удаления, поскольку приводит к снижению качества воды. Образуется мутность, изменяется цвет жидкости, размножаются патогенные организмы, формируются токсичные соединения.

Установка промышленного назначения: 1 — пластинчатый отстойник; 2 — сквозная система; 3 — дефлекторная система; 4 — модуль удаления осадка; 5 — горизонтальный лопастной колесный флокулятор

Для отделения растворённых и взвешенных частиц от воды используются процессы коагуляции и флокуляции. Обе методики — коагуляция и флокуляция, видятся относительно простыми и экономичными способами очистки воды.

Однако эффективность достигается при условии наличия специальных химических веществ и адаптированной дозировки этих веществ к составу воды.

Независимо от природы обработанной воды и общей применяемой схемы очистки, коагуляция и флокуляция обычно включаются либо в качестве предварительной обработки, либо в качестве стадии обработки, следующей после осаждения.

Значительная доля твердых взвешенных веществ, присутствующих в структуре воды, имеют отрицательный заряд. Следовательно, эти частицы обладают свойством отталкиваться одна от другой. Эффект взаимного отталкивания предотвращает агломерацию твёрдых взвешенных частиц.

Поведение взвешенных частиц: 1 — стабильная коллоидная система; 2 — нестабильная коллоидная система; 3 — благоприятные условия формирования микрофлокул

Для коагуляции и флокуляции характерна последовательность этих процессов. Так проще преодолевать проблемы, стабилизировать взвешенные частицы, объединять и выращивать хлопья. Полученный за счёт последовательности шлам фильтруется (путем осаждения) и удаляется из воды.

Последовательность коагуляции и флокуляции следует рассматривать обычно практикуемым процессом обработки промышленных и бытовых сточных вод с целью очистки от взвешенных частиц и прочих загрязнений.

Принципы технологии коагуляции

Принципиальная основа коагуляции — дестабилизация зарядов взвешенных частиц. Традиционно используются коагулянты, заряженные противоположно зарядам, коими обладают твёрдые взвешенные частицы.

Коагулянты добавляют в воду, тем самым нейтрализуя отрицательные заряды диспергированных несбрасываемых твердых веществ, подобных глинозёму и органическим соединениям. В результате нейтрализации мелко-суспензионные частицы таких веществ объединяются друг с другом.

Процесс коагуляции, когда изменения объёмного состояния эквивалентно снижению уровня pH

Агломерации, образующиеся в результате этого процесса, называются микрофлокулы. Чтобы достичь качественных показателей коагуляции и активного образования микрофлокул, требуется высокоэнергичное быстрое смешивание.

Такой подход даёт правильное диспергирование коагулянта и содействует соударению частиц. Однако микрофлокулы всё равно остаются слишком малыми в плане их видимости невооруженным глазом.

Перемешивание не оказывает существенного влияния на коагуляцию, но недостаточное перемешивание снижает качество коагуляции. Оптимальное время контакта в камере быстрого перемешивания обычно составляет от 1 до 3 минут.

Принципы технологии флокуляции

После коагуляции выполняется флокуляция — мягкая стадия смешивания. Флокуляцией преследуется цель увеличения объёма взвешенных частиц от размера субмикроскопического микрофлокула до размера его видимых образований.

Микрофлокулы контактируют один с другим в процессе флокуляции с медленным перемешиванием. Столкновения частиц микрофлокул образуют связь, которая приводит, в свою очередь, к формированию объёмных видимых хлопьев.

Процесс флокуляции отличается тем, что здесь осуществляется добавление флокуляционного полимера

Размер флокул увеличивается с каждым новым столкновением, взаимодействием с неорганическими полимерами, образованными коагулянтом или добавленными органическими полимерами.

Так формируются макроблоки. На этой стадии флокуляции могут быть добавлены высокомолекулярные полимеры, называемые коагулянтами-средствами. Эти средства помогают соединять, связывать и укреплять флокулы, наращивать вес и увеличивать скорость осаждения.

Последовательность процесса очистки: 1 — коагулянт; 2 — вода с примесями; 3 — действие осаждающих примесей; 4 — получение осадка на дне

Как только флокулы достигают оптимальных размеров и прочности, вода готова к процессу разделения (седиментации, флотации или фильтрации). Время контакта флокуляции может занимать 15-60 минут и более.

Сепарация флокуляцией и коагуляцией

Очистка воды практически всегда предполагает выполнение коагуляции и флокуляции перед физическим разделением.

Схема технологической установки: А — вентилятор быстрого смешивания; В — вентиляторы ступенчатого смешения; 1 — вход воды; 2 — высокая скорость; 3 — средняя скорость; 4 — низкая скорость; 5 — вывод в седиментационную камеру

Процесс коагуляции-флокуляции выстраивается следующими этапами:

1. Использование химических реагентов для дестабилизации и увеличения размера взвешенных частиц, перемешивания, увеличения размера флокул.
2. Физическое разделение твердых тел и жидкой фазы. Такое разделение обычно достигается путем седиментации (декантации), флотации или фильтрации.

Традиционно реагентами коагулянтами процесса флокуляции выступают:

• минеральные и/или органические коагулянты (железо, алюминиевая соль, органические полимеры);
• флокуляционные добавки (активированный диоксид кремния, тальк, активированный уголь);
• анионные или катионные флокулянты и реагенты для контроля pH (кислоты или химические основания). Некоторые тяжёлые металлы-комплексообразователи также могут добавляться на стадии коагуляции.

Метод исследований мерным цилиндром

Тест мерного цилиндра используется для определения наиболее подходящей смеси химических соединений и концентраций под коагуляционные и флокуляционные процедуры.

Аппараты тестирования воды с целью подбора оптимального соотношения коагулянтов применительно к конкретной установке очистки

Этот вид исследований основан на параметрах проб, взятых из нескольких мерных цилиндров, содержащих тот же объем и концентрацию сбора, заряженного одновременно шестью различными дозами потенциально эффективного коагулянта.

Шестёрку (четвёрку) цилиндров загружают на плато лабораторной установки и одновременно перемешивают на определённых скоростях. Обрабатываемые образцы сбора смешивают на высокой и низкой скорости поочерёдно. Затем дают время на получение осадка.

Эти три этапа являются своего рода идентичностью реальной последовательности очистки, организуемой на крупномасштабных установках быстрого смешивания с применением коагуляции и флокуляции, а также осадочными бассейнами.

После осаждения образцы теста отбирают из цилиндров, измеряют степень мутности супернатантной (находящейся над осадком) жидкости. Составленный график мутности, в зависимости от дозы коагулянта, помогает определить оптимальную дозировку.

Критерием, полученным в результате теста шести цилиндров, является качество результирующего флокула и степень чистоты жидкости в супернатанте после осаждения. Затем начинается разработка полномасштабного технологического процесса на основе выборочного отбора химических веществ и концентраций.

Результаты исследований воды после прохождения теста могут быть примерно такими. Конкретный результат зависит от концентрации реагентов и других составляющих процесса

Часто результаты теста недостаточны для получения точной картины очистки, несмотря на широкое применение отменного способа тестирования.

Параметры серии тестовых испытаний не гарантируют соответствия результатам, полученным практическим путём на реальной промышленной установке.

Коагулянты в водоочистке

Коагулянты – это, по сути, неорганические соли, которые при введении в воду образуют частички с зарядом, противоположным поверхности загрязнений. Далее происходит притягивание этих частичек к поверхности загрязнений и формирование конгломератов, то есть хлопьев.

Стоить отметить, что коагулянты – это соли слабых оснований, которые при внесении в воду способны гидролизовать, то есть переходить в нерастворимое состояние. Преимущественно используются реагенты на базе двух катионов:

• алюминия (сульфат, гидроксохлорид, гидроксосульфат);
• железа (сульфат и хлорид).

Причиной применения именно этих двух реагентов является их высокая эффективность, но при этом невысокая стоимость. Помимо грязевых частиц, такие коагулянты частично закрепляют на поверхности ионы жесткости, тяжелых металлов, железа, органических загрязнений, благодаря чему способны снижать не только мутность, но и содержание других примесей.

В связи с тем, что гидроксохлорид алюминия – это коагулянт для питьевой воды на водоканалах, иногда наблюдается превышение его ПДК в пробах питьевой воды.

Стоит отметить также, что лучший коагулянт для бассейна на сегодня также является смесью органических и неорганических солей алюминия.

Принцип действия коагулянтов

1. При добавлении в воду соли железа или алюминия происходит диссоциация или растворение соли в воде.

Al2(SO4)3 → 2Al3+ + 3SO42-

FeSO4 → Fe3+ + SO42-.

2. Потом катионы алюминия или железа поддаются гидролизу, проще говоря, вступают в реакцию с водой и образуют нерастворимые частицы.

Al3+ + 3H2O → Al(OH)3 + 3H+,

Fe2+ + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H+.

3. Параллельно ионы водорода в природных водах связываются свободной углекислотой.

H+ + HCO3- → H2CO3 → CO2 + H2O.

4. Гидроксид двухвалентного железа в щелочной среде (>9), создаваемой известкованием, способен окисляться до менее растворимого и более устойчивого Fe(OH)3.

4Fe(OH)2 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3.

Процесс коагуляции занимает 4-5 минут. Сначала происходит резкое замутнение жидкости, так как начинают выделяться частицы гидролизованных оснований, потом они постепенно “склеиваются” с грязью, укрупняются в крупные большие хлопья, которые под силой собственного веса опускаются на дно емкости.

Параметрами влияющими на процесс коагуляции являются:

• Температура – при 30-40 оС коагуляция будет эффективнее;
• Концентрация реагента – определяется практически для каждой воды и может колебаться в зависимости от периодов года.
• pH среды – при коагуляции сернокислым алюминием оптимальны слабокислый и нейтральный pH (5,5 – 7), при использовании сульфата железа рекомендован нейтральный и щелочной уровень pH.

Как делают сыр

Сортов сыра много, но все они делаются по одной схеме:

1. Пастеризовать молоко
2. Добавить свертывающий фермент
3. Нарезать загустевшую массу
4. Прессовать. Солить. Выдерживать.

В основе сыроделия лежит способность сыра сворачиваться. Все остальное — это маневрирование между добавками, температурами и способом прессования и выдержки.

Коагуляция и флокуляция

ФЛОКУЛЯЦИЯ (от лат. flocculi — клочья, хлопья * а. flocculation; н. Flockung, Flocken; ф. floculation, соagulation; и. floculacion) — образование рыхлых хлопьевидных агрегатов (флокул) из мелких частиц дисперсной фазы, находящихся во взвешенном состоянии в жидкой или газовой среде. Флокуляция — разновидность коагуляции. В жидких дисперсных системах (золях, суспензиях, эмульсиях, латексах) флокуляция вызывается специальными добавками — флокулянтами и реагентами, лиофобизирующими поверхность частиц, а также тепловыми, механическими и прочими внешними воздействиями. В присутствии флокулянтов и лиофобизирующих реагентов происходит сцепление частиц дисперсной фазы и возникновение пространственных дисперсных структур.

Флокулянты для воды

Процесс флокуляции часто называют также коагуляцией, по сути, он является вспомогательным.

Флокулянт – это органическое полимерное высокомолекулярное вещество, имеющее длинные цепочки. Заряды флокулянта и коагулянта обычно противоположны, соответственно, с поверхностью частички аналогичны.

Флокуляция нацелена на то, чтобы укрепить хлопья и обеспечить их устойчивость, усилив действие коагулянта. Принцип действия флокулянтов основан на образовании молекулярных сцепок между хлопьями, то есть флокулянты – это те самые органические коагулянты.

В промышленной водоподготовке используются преимущественно полиакриламид и его модификации, так как он имеет высокую эффективность при достаточно невысокой стоимости.

Самыми простыми органическими флокулянтами являются природные вещества — крахмал, дрожжи, альгинаты. Пожалуй, единственным применяемым неорганическим флокулянтом является силикат натрия (активированная кремниевая кислота).

Флокулянты в целом можно разделить на четыре типа:

• Анионные — диссоциируют с образованием аниона, к ним, собственно, и относится полиакриламид и большинство его производных.
• Катионные — при диссоциации в воде образуют положительно заряженный комплекс. В последнее время катионные реагенты обретают большое распространение, так как способны к эффективному действию даже без предварительной обработки воды коагулянтом.
• Неионные — не диссоциируют, к ним относится большинство природных флокулянтов (крахмал, декстрин), распространенным искусственным флокулянтом является полиэтиленоксид.
• Амфотерные — диссоциируют с одновременным выделением катионных и анионных групп.

На украинских водоканалах вместе с коагулянтом гидрохлоридом алюминия используются флокулянты силикат натрия и полиакриламид.

Мы попытались кратко рассказать про коагулянты, флокулянты и их принцип действия, если у вас есть дополнительные вопросы, пишите в комментариях.

Какие бывают коагулянты

Часто коагулянт называют сычужным ферментом, но это неправильно. Сычужный фермент — лишь один их видов коагулянтов. Всего из четыре:

• Химозин — сычужный фермент животного происхождения из желудков телят.
• Пепсин — еще один сычужный фермент из желудков коров.
• Вегетарианский химозин (искусственно выращенный).
• Микробиальный реннин (пепсин) из водорослей и грибов.

Выбирать коагулянт не надо, он обязательно указан в рецепте.

Флокуляция

Активная кремнекислота представляет собой раствор поли-кремневой кислоты (H2Si03)4, получаемый полимеризацией кремневой кислоты в контролируемых условиях. Раствор нестабилен и готовится непосредственно перед использованием. Несмотря на этот недостаток и даже на развитие химии полиэлектролитов, активная кремнекислота длительное время была лучшим флокулянтом, способным связывать соли алюминия. Она до сих пор еще широко применяется в процессах обработки питьевой воды.

Органические полимеры — это длинноцепочные макромолекулы, либо встречающиеся в природе, либо полученные путем соединения синтетических мономеров; некоторые из них несут электрический заряд или имеют группы, способные к ионизации. Природные полимеры чаще неэффективны, а использование синтетических полимеров обычно приводит к высшей степени эффективному результату. Каждая страна создает свои собственные санитарные правила, определяющие использование полимеров для обработки воды.

В соответствии с ионным характером активных групп синтетические полимеры, общеизвестные как полиэлектролиты, распределяются на:

• неионогенные полимеры, представленные почти исключительно полиакриламидами с молярной массой от 1 до 30 млн.;
• анионные полиэлектролиты с молярной массой в несколько миллионов, содержащие как группы, обусловливающие адсорбцию, так и отрицательно заряженные ионные группы (карбоксильные или сульфогруппы), которые удлиняют полимер. Наиболее известны полиакриламиды, частично гидролизованные содой;
• катионные полиэлектролиты, имеющие в своих цепях положительный электрический заряд благодаря наличию аминной, иминной или аммониевой группы.

В связи с относительно несложным процессом получения многозарядных катионных макромолекул, область их практического применения расширилась; в некоторых случаях их используют для процессов коагуляции.

Положительные заряды полиэлектролита нейтрализуют отрицательные заряды коллоидов и снижают Z-потенциал. Снижение Z-потенциала с помощью полиэлектролитов происходит быстрее, поскольку при большем числе макромолекул вероятность столкновения с коллоидными частицами возрастает. Кривые С1 и С2, приведенные ниже, описывают эти два типа действия.

С другой стороны, анионные и неионогенные полиэлектролиты не снимают Z-потенциала. Кривые, полученные с этими полиэлектролитами, имеют сходство с изотермами адсорбции: активные радикалы цепи полимера адсорбируются на частицах, вызывая изменение состояния поверхности частицы и вследствие этого их Z-потенциала, что приводит затем к агломерации частиц в хлопок посредством поперечно-связующего механизма.

Если Ваш участок располагается в Воскресенском районе Московской области и Вам на нем требуется удалить опасные или не нужные деревья, то вам сможет помочь профессиональный арборист. Заказать удаление деревьев в Воскресенске можно перейдя по ссылке.

Применение флокулянтов

Полимерные соединения используются для физико-химической очистки промышленных, коммунальных стоков (обезвоживания осадка, водоочистки, водоподготовки), в химической отрасли при производстве магния, фосфорной кислоты, двуокиси титана, гидрофосфата кальция, при электролизе солей и пр.

Также продукция нашла применение в следующих сферах:

• горно-обогатительной индустрии (при обработке хвостов флотации, сгущении концентратов: меди, железа, цинка, алюминия, золота, урана, бокситов, очищении стоков для предотвращения загрязнения окружающей среды, обеспечения замкнутого цикла водооборота);
• целлюлозно-бумажной промышленности (для улучшения проклейки, дренажа, удержания наполнителей, волокон в бумажной массе, обеспечения замкнутого цикла воды);
• нефтедобыче (при увеличении нефтеотдачи полимерными гелями, редкосшитыми полимерными системами, снижении гидравлических сопротивлений в трубопроводах, регулировании стабильности, реологических свойств, водоотдачи буровых растворов на водной основе, укреплении стенок скважин, полимерном заводнении);
• сельском хозяйстве (в системах для гидропоники, для удержания влаги в почве, образования корки на поверхности грунта, улучшения его структуры, снижения формирования тумана при искусственном орошении).

Продукция может использоваться и в других отраслях промышленности, в зависимости от выбранного производителя.

Характеристики флокулянтов

Характеристики флокулянтов

Флокулянт	Тип флокулянта	Товарный вид	[η], дл/г в 10 % NaCl	-6	Содержание ионогенных групп, %	Обменная емкость, мг-экв/г	Заряд, мв
Полимеры акриламида серии АК 636:
К 1020	Слабокатионный	Порошок	8	–	18 – 22	1,44	+79
К 555	Сильнокатионный	Порошок	5	–	50 – 55	3,4
К 580	Сильнокатионный	Порошок	5	–	75 – 80	4,0	+46
Полимеры акриламида серии АК 631:
А 930	Среднеанионный	Порошок	7		20 – 30		-59
А 1510	Слабоанионный	Порошок	10		5 – 10		-32
Н 150	Неионный	Порошок	10		3		-25
Флокатон 100	Сильнокатионный	Гель 50 %	4		100		+79
Флокатон 200	Сильнокатионный	Гель 50 %	1	2,0	100	4,1	+59
Флокатон 109	Сильнокатионный	Гель 50 %	1,1				+118
ВПК 101	Сильнокатионный	Жидкость 25 %	0,3		100	4,5	+37
ВПК 402	Сильнокатионный	Жидкость 25 %	0,7	0,5	100	–	+50
Полиакриламид	Слабоанионный	Гель 8 %	–	5,0	6 – 8

В неоднородных по состаисперсной фазы системах различают:

• общую (неизбирательную);
• селективную (избирательную) флокуляцию.

В первом случае флокулы образуются совокупностью частиц разной природы, во втором – преимущественно частицами одного из компонентов дисперсной фазы. Селективность флокуляции объясняется специфичностью взаимодействия флокулянта с частицами определенного типа. Усилить различие в свойствах поверхности частиц разного рода и тем самым увеличить селективность действия флокулянтов можно путём введения в систему низкомолекулярных электролитов или ПАВ (реагентов-модификаторов).

Статьи по теме

Разница между коагуляцией и флокуляцией

Тип процесса

Коагуляция: Коагуляция – это химический процесс.

флокуляции:Флокуляция – это физический процесс.

Коагуляция против флокулянта

Коагуляция:Коагулянт часто является солью и расщепляется, чтобы высвободить заряд.

флокуляции: Флокулянт часто представляет собой полимер, который вызывает оседание частиц и в конечном итоге превращается в крупную чешуйку

методы

Коагуляция: Коагуляция – это чисто химическая реакция.

флокуляции:Физические процессы, такие как смешивание, используются в качестве метода во флокуляции.

Изображение предоставлено:

«Alum Whilte» от Miansari66 – собственная работа (Public Domain) через