Koagulering (av latin coagulatio - koagulering, förtjockning) och flockning (av latin flockuli - strimlor, flingor) är fysikalisk-kemiska processer för vidhäftning av små partiklar av dispergerade system till större aggregat [1] [2] under inverkan av kohesiva krafter med formationen av koagulationsstrukturer [K 1] .
Koagulering leder till utfällning av en fällning från en kolloidal lösning eller till gelning . Koagulering kan vara antingen spontan (åldrande) med separation av den kolloidala lösningen i en fast fas och ett dispergerat medium och nå ett tillstånd av minimal energi , eller artificiellt inducerad med hjälp av speciella reagens ( koagulanter eller flockningsmedel ).
Koagulering är processen att reducera graden av dispersion och antalet partiklar i ett dispergerat system genom att klistra ihop primära partiklar. Som ett resultat av koagulering sker vanligtvis utfällning ( sedimentering ) av den dispergerade fasen , eller åtminstone en förändring av egenskaperna hos det primära dispersionssystemet.
Flockning är en typ av koagulering där grova partiklar av den dispergerade fasen är stora lösa flockiga aggregat - flockar [2] [4] som snabbt kan sedimentera eller flyta upp [5] . Syntetiska polymera material , särskilt polyakrylamid , används ofta som flockningsmedel . Polymermakromolekyler adsorberas samtidigt på flera dispergerade partiklar med bildandet av bindningsbryggor mellan partiklarna i den dispergerade fasen, som om man limmar dessa partiklar till stora aggregat [6] [7] . Av de oorganiska flockningsmedlen används aktiv kiselsyra [8] . Överbryggningsmekanismen och den större sprödheten hos de resulterande aggregaten på grund av storleken på flockningsmakromolekyler skiljer flockning från konventionell koagulering, där partiklar direkt aggregerar [9] [10] . Vid rening av naturliga vatten används ofta högmolekylära flockningsmedel tillsammans med koaguleringsmedel: flockningsmedel "tvärbinder" mikroflingor till följd av införandet av koaguleringsmedel. Samtidigt kombineras mikroflingor till stora aggregat, vars sedimentering går mycket snabbare [11] .
Koaguleringsstrukturer bildas när det dispergerade systemet förlorar sin aggregativa stabilitet, med ett tillräckligt innehåll av den dispergerade fasen tillhandahålls förstärkning av hela volymen av det dispergerade systemet. Motsvarande innehåll av den kolloidala dispergerade fasen, som kan "härda" det flytande dispersionsmediet , kan vara mycket liten (särskilt i fallet med skarpt anisometriska partiklar), till exempel bara några få viktprocent för bentonitleror , och fortfarande mycket mindre för filamentösa partiklar.
En karakteristisk egenskap hos koaguleringsstrukturer, tillsammans med relativt låg hållfasthet, är deras reversibilitet med avseende på mekanisk påverkan - förmågan att spontant återhämta sig efter mekanisk skada (i ett mobilt dispergerat medium); denna egenskap kallas tixotropi . Koagulationsdispergerade strukturer bildas av pigment och fyllmedel av lacker, färger, polymerer. Ett typiskt exempel på tixotropa strukturer är de rumsliga nätverk som uppträder i lerdispersioner under deras koagulering under inverkan av elektrolyter.
Koagulationsteorin ( M. Smoluchowski ) är utvecklad utifrån följande koncept: partiklarna i den dispergerade fasen utför Brownska rörelser oberoende av varandra tills, när två partiklar närmar sig varandra, avståndet mellan deras centra blir lika med så kallad radie av inflytandesfären d. Detta värde är ungefär lika med summan av partikelradier, vilket motsvarar deras direkta kontakt. På detta avstånd uppträder interaktionskrafter mellan partiklar (omedelbart, plötsligt), vilket resulterar i att möjligheten för deras aggregering skapas. Som ett resultat av koagulering interagerar endast två partiklar, eftersom sannolikheten för en kollision av ett större antal partiklar är mycket liten. Således kolliderar enkla partiklar och bildar dubbel, enkel med dubbel, dubbel med varandra, trippel med singel, etc. En sådan representation av koaguleringsprocessen tillåter oss att formellt reducera den till teorin om bimolekylära kemiska reaktioner.
Koagulering med användning av kemiska reagenser används vid vattenbehandling .
Åldringshastigheten beror på spänningen vid gränsytan, partikelradien, diffusionskoefficient , temperatur och makrofaslöslighet. Monodispersa system åldras extremt långsamt. Koalescensen av vätskedroppar eller gasbubblor kallas koalescens . När de slås samman behåller fasta partiklar sin ursprungliga form.
Elektrolyterna i dispergeringsmedlet påskyndar åldrandet ( elektrokoagulering ).
Kollisioner av partiklar, som uppstår på grund av Brownsk rörelse , leder inte alltid till att de smälter samman. Det dubbla elektriska lagret som omger de dispergerade partiklarna stöter bort dem från varandra. Elektrolyter förstör och deformerar detta lager, vilket påskyndar koalescensen. Processens effektivitet beror på typen av elektrolyt ( lyotropa serier av joner ) och dess valens .
Hydrofoba solers tendens att brytas ned under verkan av små tillsatser av elektrolyter noterades för länge sedan och har varit föremål för ett stort antal experimentella och teoretiska studier.
Flera studier av effekten av elektrolyter på stabiliteten hos hydrofoba soler har fastställt att koaguleringseffekten av en elektrolyt beror på jonernas laddning. Koagulationen fortskrider med en märkbar hastighet endast när elektrolytkoncentrationen överstiger ett visst kritiskt värde, kallat koagulationströskeln sk. Över denna koncentration (i området för långsam koagulering) ökar koagulationshastigheten med ökande koncentration tills den når en viss gräns, varefter den (i området för snabb koagulation) upphör att bero på elektrolytkoncentrationen. Uppenbarligen motsvarar området för snabb koagulering den fullständiga destabiliseringen av partiklarna i den dispergerade fasen. En jämförelse av elektrolyternas koagulerande effekt med deras effekt på de elektrokinetiska egenskaperna visade att koagulationströskeln motsvarar en minskning av den elektrokinetiska potentialen till cirka 30 mV, medan närmande av området för snabb koagulation leder till en minskning av z-potentialen till mycket små värden. Redan från detta faktum kan vi dra slutsatsen att det är den elektrostatiska avstötningen av kolloidala partiklar som är ansvarig för stabiliteten hos sådana hydrosoler. Enligt Schulze-Hardys empiriska regel bestäms koagulationströskeln huvudsakligen av motjonernas valens: förhållandet mellan koagulationströskelvärdena för en-, två- och trevalenta motjoner är ungefär 1:0,016:0,0013 (respektive förhållandet av reciproka - koaguleringsförmågan är 1:60:700).
Samtidigt, tillsammans med en allmän minskning av koagulationströskeln med en ökning av valensen av motjoner, observeras svagare skillnader i koaguleringsförmågan hos joner med samma valens - den så kallade lyotropiska serien av joner - förknippade med skillnad i deras polariserbarhet och hydrering.