Hva er flokkulering?

Flokkulering

Fordeling av kontrollpartikkelstørrelse for trygg prosessutvikling

Ring for tilbud

Hva er forskjellen mellom flokkulering og koagulasjon?

Flokkulering og koagulering er to prosesser som ofte brukes sammen for å fjerne urenheter og forurensninger.

Koagulasjon innebærer tilsetning av kjemikalier, kjent som koagulanter, til vann, buffer eller løsningsmidler som destabiliserer partiklene og får dem til å klumpe seg sammen. Denne prosessen involverer vanligvis dannelsen av partikler referert til som "flokker", men mer nøyaktig karakterisert som aggregater. Aggregater separeres lettere fra løselige komponenter (ofte vann) gjennom sedimentering eller filtrering.

Flokkulering tar disse mindre aggregatene opprettet under koagulasjon og kombinerer dem til enda større aggregater kjent som "flokker". Denne prosessen oppnås vanligvis ved tilsetning av flokkuleringsmidler, som er spesialiserte kjemikalier som fremmer agglomerering av partikler.

I hovedsak er koagulasjon det første trinnet i partikkelaggregering, mens flokkulering er et etterfølgende trinn som skaper større og lettere flyttbare agglomererte flokker. Begge prosessene er kritiske for fjerning av urenheter og forurensninger fra vann eller andre løselige kilder.

Trinn 1: Koagulasjon

En koagulant er et middel som brukes til å fremme aggregering eller klumping sammen av fine partikler suspendert i en væske. Koagulasjon er en kjemisk prosess som involverer tilsetning av en koagulant for å nøytralisere ladningen av dispergerte partikler. Små, submikron biologiske og kjemiske molekyler bærer ofte negative overflateladninger som hindrer aggregering og sedimentering (1a).

Koagulerende kjemikalier kan adsorbere til partiklene og nøytralisere de negative ladningene. Nøytralisering, eller noen ganger titrering til en sur pH, gjør det mulig for partikler å holde seg sammen, noe som resulterer i dannelsen av stabile og godt suspenderte submikronkoagulantpartikler kjent som mikroflokker (1b).

Hurtig blanding er nødvendig for riktig spredning av koagulerende kjemikalier for å fremme partikkelkollisjoner og klumpdannelse (1c). De sammenføyde partiklene er fortsatt ganske små og ikke synlige for det blotte øye.

Trinn 2: Flokkulering

Flokkulering øker størrelsen på de fortsatt submikron koagulantklumpene, noe som gjør dem lettere å separere. Dette krever vanligvis skånsom blanding og bruk av polymere eller andre ioniske flokkuleringsmidler med høy molekylvekt. Flokkuleringsmidlet adsorberer koagulantpartiklene, modifiserer overflateegenskaper og bygger bro over hull for å lette flokkdannelser (2a). Ved å bringe partikler i umiddelbar nærhet, økes det effektive området for van der Waals tiltrekningskrefter, og reduserer dermed energibarrieren for flokkulering. Dette muliggjør dannelse av løst pakkede grupper av flokker.

Agglomerering, binding og forsterkning av flokker fortsetter til synlig suspendert makroflok dannes (2b). Sedimentering vil skje gitt riktig partikkelvekt, størrelse og styrke av interaksjon. De store makroflokkene er svært følsomme for blanding, og når de først er revet fra hverandre av sterk skjær, er det vanskelig eller umulig for dem å reformere.

Flokkulering skjer naturlig under dannelsen av snøfnugg og undersjøiske sedimenter, men brukes også bevisst i bioteknologi, petroleum, papirmasse og papir, avløpsvann og gruvedrift.  

Hvorfor er flokkulering viktig?

Applikasjoner i industrien

Biofarmasøytiske midler
Hele, høyverdige pattedyrceller er ofte enkle å filtrere på grunn av deres størrelse og distribusjon. Imidlertid har mikrobielle celler fra bakterie- og gjærsystemer mye mindre monomere celleenheter. Biomassebelastningen av mikrobielle celler eller pattedyrceller med lav levedyktighet og liten median partikkelstørrelse kan skape mange små cellefragmenter, som tetter filtre og reduserer filtreringshastigheten. Flokkulering brukes til å redusere det totale antall partikler samtidig som partikkelstørrelsesfordelingen økes, og dermed forbedre filtreringen og sikre en effektiv og kostnadseffektiv separasjon av cellemateriale fra supernatanten. Flokkulering kan også brukes hvis cellekulturen produserer flere produkter og / eller biprodukter som uttrykkes i forskjellige cellulære strukturer eller mikromiljøer i gjæringsmatrisen. Eksempler inkluderer membranbundet, intermembranrom eller supernatantuttrykk, samt produkter som adsorberes til polymerer eller til og med i en flerfasefangst som en emulsjon. 

Vann- og avløpsrensing
Avløpsvann kan inneholde betydelige mengder suspendert svevestøv, som ofte tar lang tid å sette seg. Flokkuleringsvannbehandling fremskynder sedimentering og sikrer effektiv faststoff-/væskeseparasjon. Store mengder brukt vann kan behandles raskt, noe som minimerer miljøpåvirkningen ved å redusere mengden tid og plass som trengs for brukt vannlagring. 

Cellulose og papir
Cellulosefiber er en av hovedingrediensene i papirmasse og papir, men det krever også lim, impregnering og fyllstoffer for å oppnå de nødvendige arkegenskapene for et akseptabelt papirprodukt. Flokkulering brukes ofte under avvanningsprosessen for å kombinere fibre, fyllstoffer og andre tilsetningsstoffer på en måte som sikrer at det faste materialet separeres raskt og kan produseres i store mengder. 

Gruvedrift av edelt metall
Produktstrømmer inneholder ofte et bredt spekter av forskjellige metaller som må skilles for å oppnå et rent produkt. Selektiv utfelling av individuelle metaller er vanligvis ledsaget av flokkulering og sedimentering for å sikre rask separasjon fra gjenværende væske.

Partikkelstørrelsesanalyse for prosessoptimalisering

Viktige hensyn for effektive flokkuleringsprosesser

Prosessparametere og nedstrømsytelse

Flokkulering er en viktig enhetsoperasjon som krever utvikling og optimalisering for å kjøre effektivt. Viktige hensyn og prosessparametere inkluderer: 

  1. Flocculant eller koagulant type og konsentrasjon
  2. Blandingsintensitet, skjærspenning og blandetid
  3. Doseringshastighet, plassering og temperatur 
  4. Konsentrasjon av faste stoffer
  5. Partikkelstørrelse og antall
  6. Nedstrøms ytelsesanalyse:
    • Fullstendighet av flokkulering (kinetikk)
    • Behandlingstid og innsats for solid fjerning
    • Væskefaserenhet (inkludert måling av restflokkuleringsmiddel)
    • Filtreringskapasitet og effektivitet
    • Filtermembrangjennombrudd av rusk eller biprodukter

Væsker i flokkulering

Flokkkulanter, buffere og overflateaktive stoffer

Flokkulerende tilsetning
Flokkulering drives primært av type og dosering av kjemiske midler tilsatt for å initiere koagulasjon og partikkelflokkulering. Sekundære drivere inkluderer mer tradisjonelle fysiske parametere (f.eks. blanding, temperatur osv.). Karakterisering av flytende flokkuleringsmiddelstabilitet, blandingskinetikk, homogenitet og den endelige konsentrasjonen er like viktig under prosesskarakterisering som det er under mer åpenbare partikkeltekniske mål (f.eks. partikkelstørrelsesfordeling og tellinger). Tilsatte flokkuleringsmidler eller hjelpestoffer bør også karakteriseres for deres innvirkning på flokkuleringsutfallet, samt prosesskinetikk og regulatoriske implikasjoner. 

In-situ ATR-FTIR og Raman-spektroskopi er kraftige multiattributtmetoder som samtidig kan spore og kvantifisere flere flokkulanter eller hjelpestoffer i sanntid. Å kombinere disse spektroskopiske dataene med informasjon om partikkelfordeling og kinetikk kan bidra til å bestemme den ideelle, og ofte minimale, mengden flokkuleringsmiddel som trengs, og minimere belastningen på fjerning nedstrøms. Buffere og surfaktanter kan også karakteriseres og kontrolleres nøyaktig i sanntid.

Fjerning av flokkulerende middel
Beslutningen om å inkludere flokkulering i en prosess kommer med den betydelige avveiningen av et nedstrømskrav om å fjerne tilsatt flokkuleringsmiddel, overflateaktivt middel eller prosessmellomprodukter fullstendig. Dette kravet resulterer ofte i ekstra prosesstid og ytterligere analysemetoder som trengs for å kvantifisere eller verifisere fraværet av tilsatte behandlingshjelpestoffer. Som sådan er det fordelaktig å minimere mengden flokkuleringsmiddel, koagulant, overflateaktivt middel eller andre komponenter som tilsettes.

Når inline-metoder som ATR-FTIR-spektroskopi  eller Raman-spektroskopi integreres før og etter kromatografi, kan kvantitative masseoverføringsmålinger av produktet, flokkuleringsmiddel og hjelpestoffer også bestemmes. Dette kan tjene som et potensielt supplement til offline analysemetoder.

Floc brudd kinetikk
In-situ partikkelstørrelsesanalysator viser at flokker er fullt utviklet og at flokkbrudd blir dominerende prosess
Hvordan velge den beste flokkulanten
Flokkuleringsapplikasjonsstøtte
Flokkuleringslaboratorieinstrumenter

Flokkuleringsverktøy for måling av partikkelstørrelse

Partikkelstørrelsesanalysatorer - PVM®

EasyViewer™

Ta høyoppløselige bilder av partikler in situ for å få dyp prosessforståelse for komplekse systemer. Les mer

flokkulering av FBRM-partikkelstørrelsesanalysator

Partikkelstørrelsesanalysatorer - FBRM®

ParticleTrack™

Settes direkte inn i laboratoriereaktorer for å spore endring av partikkelstørrelse og telle i sanntid ved fulle prosesskonsentrasjoner. Les mer

Labskala reaktor for flokkulering

Kjemiske syntesereaktorer

EasyMax™

Øk produktiviteten i laboratoriet ditt med kjemiske syntesereaktorer med innebygde automatiseringsverktøy. Les mer

Modellerings- og simuleringsprogramvare for flokkulering

Kjemisk reaksjonsmodellering

Skaler opp suite™

Estimere kinetiske parametere og silico modellering for å utvikle optimale reaksjonsbetingelser. Les mer

Flokkulering programvare

Reaktor og PAT-kontroll

iC-suite™

En enhetlig tilnærming støtter laboratorie-til-plante-applikasjoner for spektroskopi, partikkelsystemkarakterisering, presis reaktorkontroll og kalorimetri. Les mer

Sitater og referanser

Vanlige spørsmål

Ofte stilte spørsmål om flokkulering

Hva er definisjonen av flokkulering?

Flokkulering er en prosess der små partikler i en væske kommer sammen for å danne større, klumpede masser kalt flokker. Dette kan skje naturlig eller gjennom tilsetning av visse kjemikalier som kalles flokkuleringsmidler. Ved naturlig flokkulering kan små partikler i en væske komme sammen på grunn av en rekke faktorer som tyngdekraften, brownsk bevegelse eller elektrostatiske krefter. Når disse partiklene kolliderer og holder seg sammen, begynner de å danne større masser som til slutt kan slå seg ut av væsken.

Flokkulering kan også induseres ved tilsetning av flokkuleringsmidler, som er stoffer som fremmer dannelsen av flokker. Disse kjemikaliene virker ved å nøytralisere de elektriske ladningene på overflaten av partiklene, noe som får dem til å tiltrekke seg hverandre og danne større klumper. Flokkkulanter brukes ofte i avløpsvannbehandling, gruvedrift og andre næringer der separasjon av faste stoffer fra væsker er nødvendig. Når flokkene har dannet seg, kan de separeres fra væsken gjennom en rekke metoder, for eksempel sedimentering, filtrering eller sentrifugering. Den resulterende væsken er ofte mye klarere og lettere å håndtere enn før flokkulering.

Hva er flokkulering i vannbehandling?

Koagulasjons-flokkuleringsprosessen brukes ofte i avløpsvannbehandling for å fjerne turbiditet og bakterier. Flokkulering oppfordrer suspenderte partikler til å binde seg sammen og danne store agglomeratpartikler kjent som "flokker". Disse flokkene flyter lett til overflaten eller sedimentet i bunnen, noe som gir et effektivt og kostnadseffektivt middel til å påskynde separasjonen.

Hva er forskjellen mellom koagulasjon og flokkulering?

Koagulasjon og flokkulering er to forskjellige prosesser som brukes etter hverandre for å overvinne kreftene som holder de suspenderte partiklene stabile. Partiklenes ladninger nøytraliseres ved koagulasjon, men de kan binde seg sammen og vokse ved flokkulering, noe som gjør det lettere å fjerne dem fra væsken. Les mer om flokkulering vs koagulasjon.

Hva er en flokkulert suspensjon?

En flokkulert suspensjon refererer til en blanding eller dispersjon av faste partikler i en væske hvor partiklene har kommet sammen og dannet større klynger eller aggregater kalt flokker. Disse flokkene holdes sammen av svake fysiske krefter, for eksempel van der Waals-krefter eller bro mellom partikler, i stedet for å være jevnt fordelt gjennom væsken. Dannelsen av flokker i en suspensjon fører til sedimentering eller separasjon av de faste partiklene, noe som gjør dem lettere å fjerne eller filtrere fra væskefasen. Flokkulering brukes ofte i ulike bransjer, inkludert avløpsvannbehandling, gruvedrift og kjemisk behandling, for å lette separasjon og klargjøring av suspenderte faste stoffer fra væsker.