Flokulacja i koagulacja – czym są i na czym polegają te procesy?

Flokulacja i koagulacja są zjawiskami, które wykorzystuje się m.in. w procesach oczyszczania wody. Umożliwiają one łączenie cząsteczek zawieszonych w wodzie w większe agregaty, dzięki czemu możliwe jest ich wytrącanie i odfiltrowywanie. Dowiedz się, jak przebiegają te procesy, czym się różnią i jakie związki chemiczne są wykorzystywane jako koagulanty i flokulanty.

Czym jest koagulacja i flokulacja wody?

Procesy koagulacji i flokulacji stosuje się w zawiesinach i koloidach, czyli układach, w których jedna substancja jest rozproszona w drugiej. Koagulacja umożliwia wytrącanie się jednego z tych związków w postaci agregatów tworzących fazę ciągłą. Mogą to być osady, żel czy pasta. Flokulacja natomiast umożliwia łączenie się tych agregatów, czyli zlepionych cząstek stałych, w jeszcze większe struktury, które mogą być w łatwy sposób usunięte z roztworu. Oba procesy wykorzystywane są w procesie oczyszczania ścieków. Ścieki poddawane są im po wstępnym oczyszczeniu mechanicznym. Koagulacja i następująca po niej flokulacja stanowią chemiczne metody oczyszczania wody, które umożliwiają pozbycie się większych cząsteczek zanieczyszczeń przez filtrację lub sedymentację.

Jaki jest mechanizm koagulacji i flokulacji?

Zjawisko koagulacji może być wymuszone poprzez dodatek pewnych związków chemicznych, takich jak elektrolity czy wypełniacze, a także pod wpływem temperatury i innych czynników zewnętrznych, np. pH, które przyspieszają ruch cząsteczek i ułatwiają ich zderzanie się. Proces koagulacji wspomagają więc procesy mieszania, wirowania oraz działania na mieszaninę ultradźwiękami.

W przebiegu koagulacji dochodzi do zdestabilizowania cząstek zanieczyszczeń i łączenia się ich w tzw. mikroagregaty. Koagulanty, czyli substancje pobudzające proces agregacji drobnych cząsteczek, najczęściej mają na celu adsorpcję do ich powierzchni i zobojętnienie ich ujemnego ładunku powierzchniowego, który utrudnia łączenie się cząsteczek i tworzenie osadu. Powstające mikroagregaty wciąż są niezbyt dobrze widoczne gołym okiem, a powstały osad jest rozproszony.

By ułatwić wytrącanie się i sedymentację osadu lub stworzenie większych agregatów w celu ich wyłapania i skutecznego odfiltrowania, stosuje się kolejno proces flokulacji. Flokulanty, które ułatwiają zachodzenie tego zjawiska, wspomagają scalanie się mikroagregatów w większe struktury. Nazywane one są często „kłaczkami” (ang. floc), są widoczne gołym okiem i łatwiej wytrącają się w postaci osadu, przez co mogą być wychwytywane przez filtry. Flokulanty to często substancje polimerowe, które adsorbują cząstki koagulantu, modyfikują właściwości jego powierzchni, stymulują zbliżanie się do siebie cząsteczek, wypełniają szczeliny między nimi i poprzez wiązania chemiczne, najczęściej wiązania wodorowe, formują makroagregaty. Struktury te są zazwyczaj widoczne gołym okiem i luźno upakowane, łatwo rozrywające się pod wpływem silnego mieszania. Przykładem naturalnej flokulacji jest łączenie się płatków śniegu w większe formy.

Jakie związki wykorzystuje się jako flokulanty i koagulanty?

Jako koagulanty nieorganiczne najczęściej stosowane są kationy trójwartościowe, takie jak związki żelaza czy glinu. Są one znacznie skuteczniejsze w pobudzaniu koagulacji niż jony dwuwartościowe. Przy ich stosowaniu ważne jest zapewnienie odpowiedniego pH roztworu poprzez dodatek kwasu lub zasady. Dla jonów żelaza optymalne jest pH powyżej 5, a dla jonów glinu – między 6 a 7,4. Czasami stosuje się także koagulanty organiczne – kationowe polielektrolity, których zaletą jest zdecydowanie mniejsza ilość powstającego osadu.

Jako flokulantów używa się związków polimerowych. Mogą to być związki organiczne (np. żelatyna lub skrobia), nieorganiczne (np. krzemionka aktywowana), a także syntetyczne, jak poliakrylamidy, tlenek polietylenu czy alkohol poliwinylowy. Dobór odpowiedniego flokulantu zależy od tego, jaki efekt chcemy uzyskać. Flokulanty anionowe stosuje się do zawiesin, które posiadają odczyn zasadowy lub obojętny, natomiast kationowe – do tych z odczynem kwaśnym. Zastosowanie flokulantów syntetycznych umożliwia obniżenie ilości osadu i jego zagęszczenie.

Na co zwrócić uwagę przy przeprowadzaniu koagulacji i flokulacji?

Stosując w procesach technologicznych koagulację i flokulację, należy zwrócić uwagę nie tylko na dobór odpowiedniego do danego procesu związku chemicznego, ale również na szereg innych ważnych czynników. Kluczowa jest wydajność i skuteczność procesu, który wymaga odpowiedniej optymalizacji. Należy dobrać nie tylko właściwy typ koagulantu lub flokulantu, ale także jego stężenie. Ważne jest to, jaki rodzaj cząsteczek stałych występuje w roztworze, jaka jest ich wielkość, liczebność i stężenie. W przebiegu procesu koagulacji i flokulacji ważna jest też szybkość dozowania koagulantów i flokulantów, temperatura i intensywność mieszania. Powolne mieszanie wspomaga te procesy, natomiast zbyt intensywne – może prowadzić do rozpadu agregatów powstałych na skutek flokulacji. Należy również zaplanować proces usunięcia koagulantu czy flokulantu z finalnego produktu. Różnego rodzaju koagulanty i flokulanty znajdziesz w na stronie Foodcom S.A. wraz z innymi dodatkami stosowanymi w procesach technologicznych. Dzięki temu dobierzesz odpowiednie związki do interesującego Cię zastosowania.

Zastosowanie flokulantów i koagulantów

Koagulacja i flokulacja ma zastosowanie w wielu procesach technologicznych, w których konieczne jest oczyszczanie czy klarowanie roztworu, a także uzyskanie określonej mieszaniny koloidalnej. Głównym zastosowaniem tych procesów jest oczyszczanie ścieków poprzez wytrącanie osadów.

Oczyszczanie ścieków i uzdatnianie wody

W procesie oczyszczania ścieków koagulacja i flokulacja odgrywają istotną rolę w wytrącaniu i odfiltrowywaniu cząsteczek zanieczyszczeń zawieszonych w mieszaninie. Stosowane są także do oczyszczania wody basenowej i do jej klarowania, często wraz z podchlorynem sodu używanym w celu dezynfekcji wody. Koagulanty i flokulanty mogą mieć również zastosowanie w oczyszczaniu wody np. z resztek farby czy lakierów, które ulegają wytrąceniu na powierzchni wody, co umożliwia ich łatwe odfiltrowanie.

Polecany artykuł do czytania: Metody uzdatniania wody w przemyśle – na czym polegają?

Biotechnologia i farmakologia

Procesy koagulacji i flokulacji są szeroko stosowane w procesach biotechnologicznych, np. w produkcji biofarmaceutyków. Używa się ich m.in. w celu oddzielenia masy komórkowej mikroorganizmów produkujących substancje czynne od produktów ich metabolizmu oraz powstających zanieczyszczeń. W przypadku wielu produktów flokulacja umożliwia także oddzielenie od siebie poszczególnych związków. Flokulacja jest stosowana także w diagnozie laboratoryjnej, szczególnie przy przeprowadzaniu badań osocza krwi.

Inne procesy technologiczne

Flokulację stosuje się szeroko w biotechnologii, przemyśle celulozowo-papierniczym, spożywczym, a także górniczym, metalurgicznym i naftowym. Proces ten używany jest także w innych procesach technologicznych, w których konieczne jest wyodrębnienie cząstek występujących w postaci koloidalnej, takich jak usuwanie emulsji, zawiesin czy metali. W metalurgii procesy koagulacji i flokulacji umożliwiają selektywne wytrącanie się poszczególnych metali, ułatwiając ich pozyskiwanie. Zjawisko koagulacji jest ponadto stosowane w procesach produkcji polimerów, tworzyw sztucznych czy farb. Koagulacja może również prowadzić do powstawania różnego rodzaj past i żelów, a także materiałów stałych, co ma zastosowanie np. w budownictwie (produkcja betonu czy cementu) oraz produkcji ceramiki. Koagulacja białek natomiast jest używana w przemyśle mleczarskim do produkcji jogurtów, a także w produkcji serów czy w piwowarstwie. W papiernictwie flokulacja umożliwia odwadnianie produktu i łączenie się włókien celulozowych z dodatkami, dzięki czemu powstaje papier.

Jak widzimy, procesy koagulacji i flokulacji wykorzystywane są powszechnie w wielu różnych obszarach – zarówno do oczyszczania mieszanin, produktów, ścieków i wody, jak i do produkcji w przemyśle spożywczym, biotechnologicznym, metalurgicznym, papierniczym oraz w medycynie. W każdym przypadku ważna jest dobra znajomość mieszaniny, którą chcemy poddać procesowi koagulacji lub flokulacji, oraz odpowiednie dobranie używanego związku oraz warunków procesu.