Флокуляция

Контроль гранулометрического состава для уверенной разработки технологического процесса

Позвонить специалисту

В чем разница между флокуляцией и коагуляцией?

Флокуляция и коагуляция — это два процесса, которые часто используются вместе для удаления примесей и загрязняющих веществ.

Коагуляция включает в себя добавление химических веществ, известных как коагулянты, в воду, буфер или растворители, которые дестабилизируют частицы и заставляют их слипаться. Этот процесс обычно включает в себя создание частиц, называемых «хлопьями», но более точно охарактеризованных как агрегаты. Заполнители легче отделяются от растворимых компонентов (часто воды) путем осаждения или фильтрации.

Флокуляция берет эти более мелкие агрегаты, образующиеся во время коагуляции, и объединяет их в еще более крупные агрегаты, известные как «хлопья». Этот процесс обычно достигается путем добавления флокулянтов, которые представляют собой специализированные химические вещества, способствующие агломерации частиц.

По сути, коагуляция является начальным этапом агрегации частиц, в то время как флокуляция является последующим этапом, на котором создаются более крупные и легко удаляемые агломерированные хлопья. Оба процесса имеют решающее значение для удаления примесей и загрязняющих веществ из воды или других растворимых источников.

Шаг 1: Коагуляция

Коагулянт - это агент, который используется для содействия агрегации или слипанию мелких частиц, взвешенных в жидкости. Коагуляция – это химический процесс, который включает в себя добавление коагулянта для нейтрализации заряда дисперсных частиц. Маленькие, субмикронные биологические и химические молекулы часто несут отрицательные поверхностные заряды, которые препятствуют агрегации и оседанию (1a).

Химические вещества коагулянта могут адсорбироваться на частицах и нейтрализовать отрицательные заряды. Нейтрализация, а иногда и титрование до кислого рН, позволяет частицам слипаться, что приводит к образованию стабильных и хорошо взвешенных субмикронных частиц коагулянта, известных как микрохлопья (1b).

Быстрое перемешивание требуется для надлежащего диспергирования коагулянтных химических веществ, способствующих столкновениям частиц и образованию комков (1c). Соединившиеся частицы еще довольно малы и не видны невооруженным глазом.

Шаг 2: Флокуляция

Флокуляция увеличивает размер еще субмикронных комков коагулянта, облегчая их разделение. Как правило, для этого требуется бережное перемешивание и использование высокомолекулярных полимерных или других ионных флокулянтов. Флокулянт адсорбирует частицы коагулянта, изменяя свойства поверхности и заполняя зазоры, облегчая образование хлопьев (2a). При приближении частиц в непосредственной близости эффективный диапазон ван-дер-ваальсовых сил притяжения увеличивается, тем самым уменьшая энергетический барьер для флокуляции. Это позволяет образовывать слабо упакованные группы хлопьев.

Агломерация, связывание и упрочнение хлопьев продолжаются до тех пор, пока не образуются заметно взвешенные макрохлопья (2b). Седиментация будет происходить при правильном весе, размере и силе взаимодействия частиц. Крупные макрохлопья очень чувствительны к перемешиванию, и после того, как они разорваны сильным сдвигом, им трудно или невозможно реформироваться.

Флокуляция происходит естественным образом при образовании снежинок и подводных отложений, но также намеренно применяется в биотехнологии, нефтяной, целлюлозно-бумажной, сточных водах и горнодобывающей промышленности.  

Почему важна флокуляция?

Применение в промышленности

Биофармацевтика
Цельные, высокожизнеспособные клетки млекопитающих часто легко фильтруются из-за их размера и распределения. Однако микробные клетки бактериальных и дрожжевых систем имеют гораздо меньшие мономерные клеточные единицы. Нагрузка биомассой микробных клеток или клеток млекопитающих с низкой жизнеспособностью и малым средним размером частиц может создавать множество мелких клеточных фрагментов, которые засоряют фильтры и замедляют скорость фильтрации. Флокуляция используется для уменьшения общего количества частиц при одновременном увеличении гранулометрического состава, тем самым улучшая фильтрацию и обеспечивая эффективное и экономичное отделение клеточного материала от надосадочной жидкости. Флокуляция также может быть применена, если клеточная культура производит несколько продуктов и/или побочных продуктов, которые экспрессируются в различных клеточных структурах или микросредах ферментационной матрицы. В качестве примера можно привести мембранно-связанную, межмембранную или надосадочную экспрессию, а также продукты, которые адсорбируются на полимерах или даже в многофазном захвате, например, в эмульсии. 

Очистка воды и сточных вод
Сточные воды могут содержать значительное количество взвешенных твердых частиц, для оседания которых часто требуется много времени. Очистка воды флокуляцией ускоряет осаждение и обеспечивает эффективное разделение твердой и жидкой фаз. Большие объемы использованной воды могут быть быстро обработаны, что сводит к минимуму воздействие на окружающую среду за счет сокращения времени и пространства, необходимых для хранения использованной воды. 

Целлюлозно-бумажная промышленность
Целлюлозное волокно является одним из основных ингредиентов целлюлозы и бумаги, но оно также требует клея, пропитки и наполнителей для достижения требуемых свойств листа для приемлемого бумажного продукта. Флокуляция часто применяется в процессе обезвоживания для соединения волокон, наполнителей и других добавок таким образом, чтобы твердый материал быстро отделялся и мог быть произведен в больших количествах. 

Добыча драгоценных металлов
Потоки продуктов часто содержат широкий спектр различных металлов, которые необходимо разделить для получения чистого продукта. Селективное осаждение отдельных металлов обычно сопровождается флокуляцией и седиментацией для обеспечения быстрого отделения от оставшейся жидкости.

Гранулометрический анализ для оптимизации технологического процесса

Основные соображения по эффективному процессу флокуляции

Параметры процесса и производительность на последующих этапах

Флокуляция является важной операцией установки, которая требует разработки и оптимизации для эффективной работы. Основные соображения и параметры процесса включают: 

  1. Тип и концентрация флокулянта или коагулянта
  2. Интенсивность смешивания, напряжение сдвига и время смешивания
  3. Скорость дозирования, расположение и температура 
  4. Концентрация твердых частиц
  5. Размер и количество частиц
  6. Анализ производительности на последующих этапах:
    • Полнота флокуляции (кинетика)
    • Время обработки и усилия по удалению твердых частиц
    • Чистота жидкой фазы (включая измерение остаточного флокулянта)
    • Фильтрационная способность и эффективность
    • Пробивание фильтрующей мембраны от мусора или побочных продуктов

Жидкости во флокуляции

Флокулянты, буферы и поверхностно-активные вещества

Добавление флокулянта
Флокуляция в первую очередь обусловлена типом и дозировкой химических агентов, добавляемых для инициации коагуляции и флокуляции частиц. Вторичные драйверы включают в себя более традиционные физические параметры (например, смешивание, температура и т. д.). Определение стабильности жидкого флокулянта, кинетики смешивания, однородности и конечной концентрации так же важно при определении характеристик процесса, как и при более очевидных задачах инженерии частиц (например, распределение частиц по размерам и количество). Добавленные флокулянты или вспомогательные вещества также должны быть охарактеризованы с точки зрения их влияния на результат флокуляции, а также кинетики процесса и нормативных последствий. 

НПВ-ИК-Фурье спектроскопия in situ и рамановская спектроскопия являются мощными многоатрибутными методами, которые позволяют одновременно отслеживать и количественно определять несколько флокулянтов или вспомогательных веществ в режиме реального времени. Сочетание этих спектроскопических данных с информацией о распределении частиц и кинетике может помочь определить идеальное и часто минимальное количество необходимого флокулянта, сводя к минимуму нагрузку на последующее удаление. Буферы и поверхностно-активные вещества также могут быть точно охарактеризованы и контролироваться в режиме реального времени.

Удаление флокулянта
Решение о включении флокуляции в технологический процесс связано со значительным компромиссом, связанным с последующим требованием полного удаления добавленного флокулянта, поверхностно-активного вещества или промежуточных продуктов процесса. Это требование часто приводит к дополнительному времени процесса и дополнительным аналитическим методам, необходимым для количественной оценки или проверки отсутствия каких-либо дополнительных вспомогательных веществ для обработки. Таким образом, выгодно свести к минимуму количество добавляемого флокулянта, коагулянта, поверхностно-активного вещества или других компонентов.

При интеграции поточных методов, таких как АТР-ИК-Фурье спектроскопия или рамановская спектроскопия , до и после хроматографии можно также проводить количественные измерения массопереноса продукта, флокулянта и вспомогательных веществ. Это может служить потенциальным дополнением к автономным аналитическим методам.

Кинетика разрушения хлопьев
Анализатор размера частиц in-situ показывает, что хлопья полностью сформированы, и их разрушение становится преобладающим процессом
Как выбрать лучший флокулянт
Поддержка применения флокуляции
Лабораторные приборы для флокуляции

Инструмент для флокуляции для измерения размера частиц

Анализаторы размера частиц - PVM®

Программа EasyViewer™

Получение изображений частиц с высоким разрешением на месте для получения глубокого понимания процессов в сложных системах. Читать

анализатор размера частиц FBRM для флокуляции

Анализаторы размера частиц - FBRM®

ParticleTrack (Трек частиц)™

Встраивается непосредственно в лабораторные реакторы для отслеживания изменения размера частиц и их подсчета в режиме реального времени при полной технологической концентрации. Читать

лабораторный реактор для флокуляции

Реакторы химического синтеза

ИзиМакс™

Повысьте производительность в своей лаборатории с помощью реакторов химического синтеза со встроенными инструментами автоматизации. Читать

Программное обеспечение для моделирования и симуляции флокуляции

Моделирование химических реакций

Масштабируемый пакет™

Оценка кинетических параметров и моделирование in silico для разработки оптимальных условий реакции. Читать

Программное обеспечение для флокуляции

Управление реактором и ПАТ

Пакет™ iC

Унифицированный подход позволяет использовать спектроскопию, определение характеристик систем частиц, точное управление реактором и калориметрию. Читать

Цитаты и ссылки

Часто задаваемые вопросы

Часто задаваемые вопросы о флокуляции

Что такое флокуляция?

Флокуляция — это процесс, при котором мелкие частицы в жидкости собираются вместе, образуя более крупные, слипшиеся массы, называемые хлопьями. Это может произойти естественным путем или путем добавления определенных химических веществ, называемых флокулянтами. При естественной флокуляции мелкие частицы в жидкости могут собираться вместе из-за различных факторов, таких как гравитация, броуновское движение или электростатические силы. По мере того, как эти частицы сталкиваются и слипаются, они начинают образовывать большие массы, которые в конечном итоге могут осесть из жидкости.

Флокуляцию также можно вызвать путем добавления флокулянтов, которые представляют собой вещества, способствующие образованию хлопьев. Эти химические вещества работают, нейтрализуя электрические заряды на поверхности частиц, заставляя их притягиваться друг к другу и образовывать более крупные сгустки. Флокулянты обычно используются в очистке сточных вод, горнодобывающей промышленности и других отраслях промышленности, где необходимо отделение твердых частиц от жидкостей. После того, как хлопья сформировались, их можно отделить от жидкости с помощью различных методов, таких как осаждение, фильтрация или центрифугирование. Полученная жидкость часто намного прозрачнее и проще в обращении, чем до флокуляции.

Что такое флокуляция в водоподготовке?

Процесс коагуляции-флокуляции обычно используется при очистке сточных вод для удаления мутности и бактерий. Флокуляция способствует связыванию взвешенных частиц друг с другом и образованию крупных агломератных частиц, известных как «хлопья». Эти хлопья легко всплывают на поверхность или осаждаются на дне, обеспечивая эффективное и экономичное средство ускорения их разделения.

В чем разница между коагуляцией и флокуляцией?

Коагуляция и флокуляция — это два различных процесса, которые используются один за другим для преодоления сил, поддерживающих стабильность взвешенных частиц. Заряды частиц нейтрализуются коагуляцией, но они могут связываться и расти путем флокуляции, что облегчает их удаление из жидкости. Узнайте больше о флокуляции и коагуляции.

Что такое флокулированная суспензия?

Флокулированная суспензия относится к смеси или дисперсии твердых частиц в жидкости, где частицы собрались вместе и образовали более крупные кластеры или агрегаты, называемые хлопьями. Эти хлопья удерживаются вместе слабыми физическими силами, такими как силы Ван-дер-Ваальса или мостики между частицами, а не равномерно распределены по всей жидкости. Образование хлопьев в суспензии приводит к оседанию или отделению твердых частиц, что облегчает их удаление или фильтрацию из жидкой фазы. Флокуляция обычно используется в различных отраслях промышленности, включая очистку сточных вод, добычу полезных ископаемых и химическую обработку, для облегчения отделения и осветления взвешенных твердых частиц от жидкостей.