Koagulaatio ( latinasta coagulatio - koagulaatio, paksuuntuminen) ja flokkulaatio ( latinasta flocculi - silput, hiutaleet) ovat fysikaalis-kemiallisia prosesseja, joissa hajautettujen järjestelmien pienet hiukkaset tarttuvat suuremmiksi aggregaatteiksi [1] [2] muodostuvien koheesiovoimien vaikutuksesta. koagulaatiorakenteiden [K 1 ] .
Koagulaatio johtaa sakan saostumiseen kolloidisesta liuoksesta tai geeliytymiseen . Koagulaatio voi olla joko spontaania (vanhenemista), jolloin kolloidinen liuos erotetaan kiinteään faasiin ja dispergoituneeseen väliaineeseen ja saavuttaa minimienergiatilan , tai keinotekoisesti indusoitua erityisten reagenssien ( koagulantit tai flokkulantit ) avulla.
Koagulaatio on prosessi, jolla vähennetään dispergoituneen järjestelmän dispersioastetta ja hiukkasten määrää liimaamalla yhteen primääripartikkeleita. Koagulaation seurauksena tapahtuu yleensä dispergoituneen faasin saostumista ( sedimentaatiota ) tai ainakin muutosta primaarisen dispersion järjestelmän ominaisuuksissa.
Flokkulaatio on eräänlainen koagulaatio, jossa dispergoidun faasin karkeat hiukkaset ovat suuria irtonaisia höytälöityjä aggregaatteja - hiutaleita [2] [4] , jotka pystyvät laskeutumaan tai kellumaan ylös [5] . Flokkulanteina käytetään usein synteettisiä polymeerimateriaaleja , erityisesti polyakryyliamidia . Polymeerimakromolekyylit adsorboituvat samanaikaisesti useisiin dispergoituneisiin hiukkasiin muodostaen sitovia siltoja dispergoituneen faasin hiukkasten välille, ikään kuin liimaamalla nämä hiukkaset suuriksi aggregaatteiksi [6] [7] . Epäorgaanisista flokkulointiaineista käytetään aktiivista piihappoa [8] . Silloitusmekanismi ja tuloksena olevien aggregaattien suurempi murenevuus flokkulointimakromolekyylien koosta johtuen erottavat flokkuloinnin tavanomaisesta koagulaatiosta, jossa hiukkaset aggregoituvat suoraan [9] [10] . Luonnonvesiä puhdistettaessa käytetään usein suurimolekyylisiä flokkulantteja yhdessä koagulanttien kanssa: flokkulantit " ristittävät " mikrohiutaleita, jotka johtuvat koagulanttien lisäämisestä. Samalla mikrohiutaleet yhdistetään suuriksi aggregaatteiksi, joiden sedimentaatio etenee paljon nopeammin [11] .
Koagulaatiorakenteet muodostuvat, kun dispergoitu järjestelmä menettää aggregatiivisen stabiiliutensa; riittävällä dispergoituneen faasin pitoisuudella saadaan aikaan vahvistusta dispergoituneen järjestelmän koko tilavuuteen. Vastaava kolloidisen dispergoituneen faasin pitoisuus, joka kykenee "kovettumaan" nestemäisen dispersioväliaineen , voi olla hyvin pieni (etenkin terävien anisometristen hiukkasten tapauksessa), esimerkiksi bentoniittisaveille vain muutama painoprosentti , ja silti paljon vähemmän filamenttihiukkasten osalta.
Koagulaatiorakenteiden tyypillinen ominaisuus suhteellisen alhaisen lujuuden ohella on niiden palautuvuus mekaanisten vaikutusten suhteen - kyky toipua spontaanisti mekaanisten vaurioiden jälkeen (liikkuvassa dispergoidussa väliaineessa); tätä ominaisuutta kutsutaan tiksotropiaksi . Koagulaatiodispersiorakenteet muodostuvat lakkojen, maalien, polymeerien pigmenteistä ja täyteaineista. Tyypillinen esimerkki tiksotrooppisista rakenteista on avaruudelliset verkostot, jotka ilmestyvät savidispersioihin koaguloituessaan elektrolyyttien vaikutuksesta.
Koagulaatioteoria ( M. Smoluchowski ) on kehitetty seuraavien käsitteiden pohjalta: hajaantuneen faasin hiukkaset suorittavat toisistaan riippumatonta Brownin liikettä , kunnes kahden hiukkasen lähestyessä toisiaan niiden keskusten välinen etäisyys tulee yhtä suureksi kuin ns. vaikutusalueen säde d. Tämä arvo on suunnilleen yhtä suuri kuin hiukkasten säteiden summa, joka vastaa niiden suoraa kosketusta. Tällä etäisyydellä hiukkasten välisiä vuorovaikutusvoimia ilmaantuu (välittömästi, äkillisesti), minkä seurauksena syntyy mahdollisuus niiden aggregoitumiseen. Koagulaation seurauksena vain kaksi hiukkasta ovat vuorovaikutuksessa, koska suuremman hiukkasmäärän törmäyksen todennäköisyys on hyvin pieni. Siten yksittäiset hiukkaset törmäävät muodostaen kaksois-, yksi- ja kaksinkertaiset, kaksinkertaiset keskenään, kolminkertaiset yksittäisten kanssa jne. Tällainen koagulaatioprosessin esitys antaa meille mahdollisuuden pelkistää se muodollisesti bimolekulaaristen kemiallisten reaktioiden teoriaksi.
Vedenkäsittelyssä käytetään koagulointia kemiallisten reagenssien avulla .
Vanhenemisnopeus riippuu rajapinnan jännityksestä, hiukkasten säteestä, diffuusiokertoimesta , lämpötilasta ja makrofaasin liukoisuudesta. Monodispersiset järjestelmät vanhenevat erittäin hitaasti. Nestepisaroiden tai kaasukuplien yhteensulautumista kutsutaan sulautumiseksi . Yhdistettynä kiinteät hiukkaset säilyttävät alkuperäisen muotonsa.
Dispergointiaineen elektrolyytit nopeuttavat ikääntymistä ( sähkökoagulaatiota ).
Brownin liikkeestä johtuvat hiukkasten törmäykset eivät aina johda niiden yhteensulautumiseen. Dispergoituja hiukkasia ympäröivä kaksinkertainen sähkökerros hylkii ne toisistaan. Elektrolyytit tuhoavat ja muuttavat tämän kerroksen, mikä nopeuttaa yhteensulautumista. Prosessin tehokkuus riippuu elektrolyytin tyypistä ( lyotrooppinen ionisarja ) ja sen valenssista .
Hydrofobisten soolien taipumus hajota pienten elektrolyyttilisäysten vaikutuksesta havaittiin kauan sitten, ja siitä on tehty lukuisia kokeellisia ja teoreettisia tutkimuksia.
Lukuisat tutkimukset elektrolyyttien vaikutuksesta hydrofobisten soolien stabiilisuuteen ovat osoittaneet, että elektrolyytin koaguloiva vaikutus riippuu ionien varauksesta. Koagulaatio etenee huomattavalla nopeudella vain, kun elektrolyyttipitoisuus ylittää tietyn kriittisen arvon, jota kutsutaan koagulaatiokynnykseksi sk. Tämän pitoisuuden yläpuolella (hitaan koagulaation alueella) koagulaationopeus kasvaa pitoisuuden kasvaessa, kunnes se saavuttaa tietyn rajan, minkä jälkeen (nopean koagulaation alueella) se lakkaa olemasta riippuvainen elektrolyyttipitoisuudesta. Ilmeisesti nopean koagulaation alue vastaa dispergoituneen faasin hiukkasten täydellistä destabiloitumista. Elektrolyyttien koaguloivan vaikutuksen vertailu niiden vaikutukseen elektrokineettisiin ominaisuuksiin osoitti, että koagulaatiokynnys vastaa elektrokineettisen potentiaalin laskua noin 30 mV:iin, kun taas nopean koagulaation alueen lähestyminen johtaa z-potentiaalin laskuun. hyvin pieniä arvoja. Jo tästä tosiasiasta voimme päätellä, että kolloidisten hiukkasten sähköstaattinen hylkiminen on vastuussa tällaisten hydrosolien stabiilisuudesta. Schulze-Hardyn empiirisen säännön mukaan hyytymiskynnys määräytyy pääasiassa vastaionien valenssin perusteella: yksi-, kaksi- ja kolmiarvoisten vastaionien koagulaatiokynnysten suhde on noin 1:0,016:0,0013 (vastaavasti suhde). käänteisarvoista - hyytymiskyky on 1:60:700).
Samaan aikaan yleisen hyytymiskynnyksen alenemisen ja vastaionien valenssin lisääntymisen ohella havaitaan heikompia eroja saman valenssin ionien hyytymiskyvyssä - ns. lyotrooppinen ionisarja - liittyen ero niiden polarisoituvuudessa ja hydrataatiossa.