A koaguláció ( latin coagulatio - koaguláció, sűrítés) és flokkuláció (a latin flocculi - aprítás, pelyhek) olyan fizikai-kémiai folyamatok, amelyek során diszpergált rendszerek kis részecskéi nagyobb aggregátumokká tapadnak [1] [2] kohéziós erők hatására a képződéssel. koagulációs struktúrák [ K 1] .
A koaguláció kolloid oldatból csapadék kicsapódásához vagy gélesedéshez vezet . A koaguláció lehet spontán (öregedés) a kolloid oldat szilárd fázisra és diszpergált közegre való szétválásával és minimális energiaállapot elérésével , vagy mesterségesen előidézett speciális reagensek ( koagulánsok vagy flokkulálószerek ) segítségével.
A koaguláció az a folyamat, amelynek során az elsődleges részecskék összeragasztásával csökkentik a diszpergált rendszer diszperziós fokát és részecskéinek számát. A koaguláció következtében általában a diszpergált fázis kicsapódása ( ülepedése ) következik be, vagy legalábbis megváltozik az elsődleges diszperz rendszer tulajdonságai.
A flokkuláció a koaguláció egy fajtája, amelyben a diszpergált fázis durva részecskéi nagy laza flokkuláló aggregátumok - flokkulák [2] [4] , amelyek képesek gyorsan ülepedni vagy felúszni [5] . A szintetikus polimer anyagokat , különösen a poliakrilamidot gyakran alkalmazzák flokkulálószerként . A polimer makromolekulák egyidejűleg több diszpergált részecskéken adszorbeálódnak úgy, hogy a diszpergált fázis részecskéi között kötőhidak képződnek, mintha ezeket a részecskéket nagy aggregátumokká ragasztanák [6] [7] . A szervetlen pelyhesítő szerek közül aktív kovasavat használnak [8] . Az áthidaló mechanizmus és a keletkező aggregátumok nagyobb morzsalékonysága a flokkuláló makromolekulák méretéből adódóan megkülönbözteti a flokkulációt a hagyományos koagulációtól, amelyben a részecskék közvetlenül aggregálódnak [9] [10] . A természetes vizek tisztítása során gyakran alkalmaznak nagy molekulatömegű pelyhesítő szereket koagulánsokkal együtt: a pelyhesítő anyagok "keresztkötésű" mikropelyheket, amelyek a koagulánsok bevezetéséből származnak. Ugyanakkor a mikropelyhek nagy aggregátumokká egyesülnek, amelyek ülepedése sokkal gyorsabban megy végbe [11] .
Koagulációs struktúrák akkor jönnek létre, amikor a diszpergált rendszer elveszti aggregatív stabilitását, elegendő diszpergált fázis tartalommal a diszpergált rendszer teljes térfogatának megerősítése biztosított. A folyékony diszperziós közeg "keményítésére" képes kolloid diszpergált fázis megfelelő tartalma nagyon kicsi lehet (különösen élesen anizometriás részecskék esetén), például bentonit agyagoknál csak néhány tömegszázalék , és még mindig sok. kevésbé a fonalas részecskék esetében.
A koagulációs szerkezetek jellemző tulajdonsága a viszonylag alacsony szilárdság mellett a mechanikai hatásokkal szembeni reverzibilitásuk - a mechanikai sérülések utáni spontán helyreállás képessége (mobil diszpergált közegben); ezt a tulajdonságot tixotrópiának nevezik . A koagulációs diszperz szerkezeteket pigmentek és lakkok, festékek, polimerek töltőanyagai alkotják. A tixotróp szerkezetek tipikus példája az elektrolitok hatására agyagdiszperziókban megjelenő térhálók koagulációjuk során.
A koaguláció elmélete ( M. Smoluchowski ) a következő fogalmak alapján alakult ki: a diszpergált fázis részecskéi egymástól függetlenül Brown-mozgást hajtanak végre mindaddig, amíg két részecske közeledik egymáshoz, középpontjaik távolsága egyenlővé nem válik a úgynevezett befolyási sugár d. Ez az érték megközelítőleg megegyezik a részecskék sugarainak összegével, amely megfelel közvetlen érintkezésüknek. Ennél a távolságnál (azonnal, hirtelen) kölcsönhatási erők jelennek meg a részecskék között, aminek következtében aggregációjuk lehetősége megteremtődik. A koaguláció eredményeként csak két részecske lép kölcsönhatásba, mivel a nagyobb számú részecske ütközésének valószínűsége nagyon kicsi. Így az egyes részecskék ütköznek, kettős, egy kettős, kettős egymással, hármas egyes részecskék stb. A koagulációs folyamat ilyen ábrázolása lehetővé teszi, hogy formálisan a bimolekuláris kémiai reakciók elméletére redukáljuk.
A vízkezelésben kémiai reagensekkel történő koagulációt alkalmaznak .
Az öregedési sebesség függ a határfelületi feszültségtől, a részecskesugártól, a diffúziós együtthatótól , a hőmérséklettől és a makrofázis oldhatóságától. A monodiszperz rendszerek rendkívül lassan öregszenek. A folyadékcseppek vagy gázbuborékok összeolvadását koaleszcenciának nevezzük . Összeolvadáskor a szilárd részecskék megtartják eredeti formájukat.
A diszpergálószerben lévő elektrolitok felgyorsítják az öregedést ( elektrokoaguláció ).
A részecskék Brown-mozgása miatti ütközései nem mindig vezetnek egyesülésükhöz. A szétszórt részecskéket körülvevő kettős elektromos réteg taszítja őket egymástól. Az elektrolitok elpusztítják és deformálják ezt a réteget, felgyorsítva az összeolvadást. A folyamat hatékonysága az elektrolit típusától ( liotróp ionsor ) és vegyértékétől függ .
A hidrofób szolok hajlamát arra , hogy kis mennyiségű elektrolit hozzáadása hatására lebomlanak, már régen megfigyelték, és számos kísérleti és elméleti vizsgálat tárgyát képezte.
Az elektrolitoknak a hidrofób szolok stabilitására gyakorolt hatásáról számos tanulmány megállapította, hogy az elektrolit koaguláló hatása az ionok töltésétől függ. A koaguláció csak akkor megy végbe észrevehető sebességgel, ha az elektrolit koncentrációja meghalad egy bizonyos kritikus értéket, amelyet koagulációs küszöbnek nevezünk, sk. E koncentráció felett (a lassú koaguláció tartományában) a koagulációs sebesség a koncentráció növekedésével növekszik, amíg el nem ér egy bizonyos határt, majd (a gyors koaguláció tartományában) megszűnik az elektrolitkoncentrációtól való függés. Nyilvánvaló, hogy a gyors koaguláció tartománya megfelel a diszpergált fázis részecskéinek teljes destabilizációjának. Az elektrolitok koaguláló hatásának és az elektrokinetikai tulajdonságokra gyakorolt hatásának összehasonlítása azt mutatta, hogy a koagulációs küszöb az elektrokinetikai potenciál körülbelül 30 mV-ra való csökkenésének felel meg, míg a gyors koaguláció tartományához közeledve a z-potenciál csökkenéséhez vezet. nagyon kis értékek. Már ebből a tényből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy az ilyen hidroszolok stabilitásáért a kolloid részecskék elektrosztatikus taszítása a felelős. A Schulze-Hardy empirikus szabály szerint a koagulációs küszöböt elsősorban az ellenionok vegyértéke határozza meg: az egy-, két- és három vegyértékű ellenionok alvadási küszöbének aránya hozzávetőleg 1:0,016:0,0013 (illetve az arány). reciprok - koagulációs képesség 1:60:700).
Ugyanakkor a véralvadási küszöb általános csökkenésével és az ellenionok vegyértékének növekedésével az azonos vegyértékű ionok koagulációs képességében gyengébb különbségek figyelhetők meg - az ún. polarizálhatóságuk és hidratáltságuk különbsége.