Co to jest flokulacja? Wszystko o flokulacji | MT.COM

Flokulacja

Kontrola rozkładu wielkości cząstek w celu niezawodnego opracowywania procesów

Zadzwoń

Jaka jest różnica między flokulacją a koagulacją?

Flokulacja i koagulacja to dwa procesy, które często stosuje się łącznie w celu usuwania zanieczyszczeń.

Koagulacja polega na dodaniu substancji chemicznych, nazywanych koagulantami, do wody, buforu lub rozpuszczalników w celu zdestabilizowania i zbrylenia cząstek. Proces ten zazwyczaj obejmuje powstawanie cząstek nazywanych agregatami. Sedymentacja lub filtracja ułatwia oddzielanie agregatów od składników rozpuszczalnych (często wody).

Flokulacja polega na połączeniu tych mniejszych agregatów powstałych podczas koagulacji w jeszcze większe agregaty, tak zwane „kłaczki”. Proces ten polega zazwyczaj na dodawaniu flokulantów, czyli specjalnych substancji chemicznych pobudzających scalanie cząstek.

Zasadniczo koagulacja jest pierwszym etapem agregacji cząstek, natomiast flokulacja jest kolejnym etapem, w którym powstają większe i łatwiejsze do usunięcia agregaty. Oba procesy mają kluczowe znaczenie w celach usuwania zanieczyszczeń z wody lub innych rozpuszczalnych źródeł.

Etap 1: koagulacja

Koagulant to środek stosowany do pobudzania agregacji lub zbrylania drobnych cząstek zawieszonych w cieczy. Koagulacja jest procesem chemicznym polegającym na dodaniu koagulantu w celu zobojętnienia ładunku rozproszonych cząstek. Małe, submikronowe cząsteczki biologiczne i chemiczne często mają ujemne ładunki powierzchniowe, które utrudniają agregację i osadzanie się (1a).

Substancje koagulujące mogą się adsorbować do cząstek i zobojętniać ładunki ujemne. Zobojętnianie lub niekiedy miareczkowanie do kwaśnego odczynu pH umożliwia sklejanie się cząstek, co skutkuje powstawaniem stabilnych i dobrze zawieszonych submikronowych cząstek koagulantu nazywanych mikroagregatami (1b).

Aby zapewnić właściwe rozproszenie substancji koagulujących w celu pobudzenia zderzeń cząstek i tworzenia się grudek, wymagane jest szybkie mieszanie (1c). Złączone cząstki są nadal dość małe i niewidoczne gołym okiem.

Etap 2: flokulacja

Flokulacja zwiększa rozmiar nadal submikronowych grudek koagulantu, co ułatwia ich oddzielenie. Zazwyczaj wymaga to delikatnego mieszania i użycia flokulantów polimerowych o wysokiej masie cząsteczkowej lub innych flokulantów jonowych. Flokulant adsorbuje cząstki koagulantu, modyfikując właściwości powierzchni i wypełniając szczeliny, aby ułatwić tworzenie się agregatów (2a).Dzięki wzajemnemu zbliżeniu się cząstek zwiększa się efektywny zakres przyciągających sił van der Waalsa, zmniejszając w ten sposób barierę energetyczną dla flokulacji. Umożliwia to formowanie luźno upakowanych grup agregatów.

Scalanie, wiązanie i wzmacnianie agregatów zachodzi aż do powstania widocznych zawieszonych makroagregatów (2b). Przy odpowiedniej masie, wielkości i sile oddziaływania cząstek zachodzi sedymentacja. Duże makroagregaty są bardzo wrażliwe na mieszanie, stąd po rozerwaniu na skutek silnych naprężeń ścinających ich ponowne formowanie jest trudne lub niemożliwe.

Flokulacja w przyrodzie zachodzi podczas tworzenia się płatków śniegu lub osadów morskich, lecz jest także celowo stosowana w biotechnologii oraz przemyśle naftowym, celulozowo-papierniczym i górniczym.  

Dlaczego flokulacja jest ważna?

Zastosowania w przemyśle

Biofarmaceutyki
Całe komórki ssaków o wysokiej żywotności są często łatwe do odfiltrowania ze względu na ich wielkość i rozmieszczenie.Jednak komórki drobnoustrojów w układach bakterii i drożdży mają znacznie mniejsze jednostki monometryczne. Biomasowe obciążenie komórek drobnoustrojów lub komórek ssaków o małej żywotności i małej średniej wielkości cząstek stałych może powodować powstawanie wielu małych fragmentów komórek, które zatykają filtry i zmniejszają szybkość filtracji. Flokulacja jest stosowana w celu zmniejszenia całkowitej liczby cząstek przy jednoczesnym zwiększeniu rozkładu wielkości cząstek, co pozwala usprawnić filtrację oraz zapewnić wydajne i ekonomiczne oddzielanie materiału komórkowego od supernatantu. Flokulację można również stosować, jeśli hodowla komórek wytwarza wiele produktów lub produktów ubocznych, które ulegają ekspresji w różnych strukturach komórkowych lub mikrośrodowiskach podłoża fermentacyjnego. Przykłady obejmują ekspresję związaną z błoną, przestrzenią międzybłonową lub supernatantem, a także produkty, które są adsorbowane na polimerach lub nawet w wychwytywaniu wielofazowym, takim jak emulsja. 

Uzdatnianie wody i oczyszczanie ścieków
W ściekach mogą znajdować się duże ilości zawieszonego materiału stałego, którego osiadanie często zajmuje dużo czasu. Flokulacja przyspiesza sedymentację i zapewnia skuteczną separację ciał stałych od cieczy. Pozwala to szybko uzdatniać duże ilości zużytej wody, ograniczając wpływ na środowisko dzięki skróceniu czasu i zmniejszeniu przestrzeni potrzebnej do magazynowania zużytej wody. 

Przemysł celulozowo-papierniczy
Włókna celulozowe są jednym z głównych składników masy celulozowej i papieru, ale do uzyskania wymaganych właściwości arkusza wymagane są także klej, impregnacja i wypełniacze, aby produkt papierowy był akceptowalny. Flokulacja jest często stosowana w procesie odwadniania, którego celem jest połączenie włókien, wypełniaczy i innych dodatków w sposób zapewniający szybkie oddzielenie się materiału stałego i umożliwiający produkowanie go w dużych ilościach. 

Górnictwo metali szlachetnych
Strumienie produktów często zawierają bogatą gamę różnych metali, które należy oddzielić w celu uzyskania czystego produktu. Selektywnemu wytrącaniu poszczególnych metali zazwyczaj towarzyszą flokulacja i sedymentacja, aby zapewnić szybkie oddzielenie od pozostałej cieczy.

Optymalizacja procesów z użyciem analizy rozmiaru cząstek

Kluczowe zagadnienia dotyczące skutecznych procesów flokulacji

Parametry procesu i wydajność jego dalszych etapów

Flokulacja to ważna operacja jednostkowa, której wydajny przebieg wymaga opracowania i optymalizacji. Kluczowe czynniki i parametry procesu:

  1. Typ i stężenie flokulantu lub koagulantu
  2. Intensywność mieszania, naprężenie ścinające i czas mieszania
  3. Szybkość dozowania, lokalizacja i temperatura
  4. Stężenie ciał stałych
  5. Wielkość i liczebność cząstek
  6. Analiza wydajności na dalszych etapach procesu:
    • Kompletność flokulacji (kinetyka)
    • Czas przetwarzania i nakład pracy związany z usuwaniem ciał stałych
    • Czystość fazy ciekłej (w tym pomiar pozostałości flokulantu)
    • Wydajność i efektywność filtracji
    • Przebicie membrany filtra przez zanieczyszczenia lub produkty uboczne

Ciecze we flokulacji

Flokulanty, bufory i środki powierzchniowo czynne

Dodawanie flokulantu
Flokulacja zależy głównie od rodzaju i dawki środków chemicznych dodawanych w celu zainicjowania koagulacji i flokulacji cząstek. Inne czynniki wpływające obejmują bardziej tradycyjne parametry fizyczne (np. mieszanie, temperaturę itp.). Charakteryzowanie stabilności ciekłego flokulantu, kinetyki mieszania, homogeniczności i stężenia końcowego jest tak samo ważne podczas charakteryzowania procesu, jak i podczas określania bardziej jednoznacznych celów inżynierii cząstek (np. rozkład wielkości cząstek i ich liczebność). Dodane flokulanty lub substancje pomocnicze należy również charakteryzować pod kątem ich wpływu na wynik flokulacji oraz kinetykę procesu oraz pod kątem konsekwencji regulacyjnych. 

Spektroskopia ATR-FTIRspektroskopia ramanowska in situ to zaawansowane metody wieloatrybutowe, które umożliwiają jednoczesne śledzenie i ocenę ilościową wielu flokulantów lub substancji pomocniczych w czasie rzeczywistym. Połączenie tych danych spektroskopowych z informacjami o rozkładzie cząstek i kinetyce może pomóc w ustaleniu idealnej i często minimalnej ilości potrzebnego flokulantu, minimalizując nakłady związane z usuwaniem na dalszych etapach. Można również dokładnie charakteryzować i kontrolować w czasie rzeczywistym bufory i środki powierzchniowo czynne.

Usuwanie flokulantu
Decyzja o włączeniu flokulacji do procesu wiąże się z koniecznością całkowitego usunięcia dodanego flokulantu, środka powierzchniowo czynnego lub produktów pośrednich na dalszych etapach procesu. Wymaganie to często skutkuje wydłużeniem czasu procesu i koniecznością zastosowania dodatkowych metod analitycznych do ilościowego określenia lub weryfikacji braku jakichkolwiek dodanych substancji pomocniczych. W związku z tym korzystne jest zminimalizowanie ilości dodawanego flokulantu, koagulantu, środka powierzchniowo czynnego i innych składników.

Gdy metody procesowe, takie jak spektroskopia ATR-FTIR lub spektroskopia ramanowska, są zintegrowane przed etapem chromatografii i po nim, można również wykonywać ilościowe pomiary przenoszenia masy w odniesieniu do produktu, flokulantu i substancji pomocniczych. Może to stanowić potencjalne uzupełnienie laboratoryjnych metod analitycznych.

Kinetyka rozpadu agregatów
Analizator wielkości cząstek in situ pokazuje w pełni rozwinięte agregaty oraz ich rozpad, który staje się procesem dominującym
Jak wybrać najlepszy flokulant
wsparcie w zakresie zastosowań flokulacji
instrumenty laboratoryjne do flokulacji

narzędzie do pomiaru wielkości cząstek podczas flokulacji

Analizatory wielkości cząstek — PVM®

EasyViewer™

Pozyskiwanie obrazów cząstek stałych in situ w wysokiej rozdzielczości w celu dogłębnego zrozumienia skomplikowanych systemów chemicznych. Więcej

analizator wielkości cząstek FBRM podczas flokulacji

Analizatory wielkości cząstek — FBRM®

ParticleTrack™

Urządzenie jest wyposażone w sondę wkładaną bezpośrednio do reaktorów laboratoryjnych w celu śledzenia zmian wielkości i liczebności cząstek stałych w czasie rzeczywistym przy pełnym stężeniu procesowym. Więcej

reaktor laboratoryjny do flokulacji

Reaktory do syntezy chemicznej

EasyMax™

Zwiększ produktywność w swoim laboratorium dzięki reaktorom do syntezy chemicznej z wbudowanymi narzędziami do automatyzacji. Więcej

oprogramowanie do modelowania i symulacji procesu flokulacji

Modelowanie reakcji chemicznych

Scale-Up Suite™

Szacowanie parametrów kinetycznych i modelowanie in silico w celu opracowania optymalnych warunków reakcji. Więcej

oprogramowanie do flokulacji

Sterowanie reaktorami i narzędziami do analizy procesów (PAT)

iC Suite™

Ujednolicone podejście ułatwia zastosowanie spektroskopii, charakteryzacji układów cząstek, precyzyjnej kontroli reaktora i kalorymetrii w laboratoriach wykonujących badania dla zakładów. Więcej

Fragmenty publikacji i literatura

Często zadawane pytania

Często zadawane pytania dotyczące flokulacji

Jaka jest definicja flokulacji?

Flokulacja to proces, w którym małe cząstki w cieczy łączą się, tworząc większe, zbrylone masy nazywane agregatami. Może to następować naturalnie lub po dodaniu pewnych substancji chemicznych, tak zwanych flokulantów. W procesie naturalnej flokulacji małe cząstki w cieczy mogą się łączyć w wyniku działania różnych czynników, takich jak grawitacja, ruchy Browna lub siły elektrostatyczne. Gdy cząstki te zderzają się i sklejają ze sobą, zaczynają tworzyć większe masy, które ostatecznie mogą osadzać się z cieczy.

Flokulację można również wywołać przez dodanie flokulantów, które są substancjami pobudzającymi tworzenie się agregatów. Substancje te neutralizują ładunki elektryczne na powierzchni cząstek, powodując ich wzajemne przyciąganie i tworzenie większych skupisk. Flokulanty są powszechnie stosowane w oczyszczaniu ścieków, górnictwie i innych gałęziach przemysłu, w których konieczne jest oddzielenie ciał stałych od cieczy. Po utworzeniu agregatów można je oddzielić od cieczy za pomocą różnych metod, takich jak sedymentacja, filtracja lub wirowanie. Uzyskana w ten sposób ciecz jest często znacznie czystsza i łatwiejsza w obróbce niż przed flokulacją.

Co to jest flokulacja w uzdatnianiu wody?

Proces koagulacji-flokulacji jest powszechnie stosowany w oczyszczaniu ścieków w celu usuwania zmętnienia i bakterii. Flokulacja pobudza zawieszone cząstki do wiązania się i tworzenia dużych, zbrylonych cząstek, nazywanych agregatami. Te agregaty łatwo unoszą się ku powierzchni lub osiadają na dnie, zapewniając skuteczny i ekonomiczny sposób przyspieszenia ich separacji.

Jaka jest różnica między koagulacją a flokulacją?

Koagulacja i flokulacja to dwa odrębne procesy, które stosuje się jeden po drugim w celu pokonania sił, które utrzymują stabilność zawieszonych cząstek. Ładunki cząstek są neutralizowane przez koagulację, ale cząstki mogą się wiązać i rosnąć w wyniku flokulacji, co ułatwia ich usunięcie z cieczy. Przeczytaj więcej o flokulacji i koagulacji.

Co to jest flokulowana zawiesina?

Flokulowana zawiesina to mieszanina lub dyspersja cząstek stałych w cieczy, w której cząstki te zbliżają się do siebie i tworzą większe skupiska lub agregaty nazywane kłaczkami. Te agregaty są utrzymywane razem przez słabe siły fizyczne, takie jak siły van der Waalsa lub mostki między cząstkami, zamiast być równomiernie rozproszone w cieczy. Tworzenie się agregatów w zawiesinie prowadzi do osiadania lub separacji cząstek stałych, co ułatwia ich usunięcie lub odfiltrowanie z fazy ciekłej. Flokulacja jest powszechnie stosowana w różnych branżach, w tym w oczyszczaniu ścieków, górnictwie i przetwórstwie chemicznym, aby ułatwić oddzielanie zawieszonych ciał stałych i klarowanie cieczy.