Coagularea (din latină coagulatio - coagulare, îngroșare) și flocularea (din latină flocculi - fulgi, fulgi) sunt procese fizico-chimice de aderență a particulelor mici ale sistemelor dispersate în agregate mai mari [1] [2] sub influența forțelor de coeziune odată cu formarea. a structurilor de coagulare [K 1] .
Coagularea duce la precipitarea unui precipitat dintr-o soluție coloidală sau la gelificare . Coagularea poate fi fie spontană (îmbătrânire) cu separarea soluției coloidale într-o fază solidă și un mediu dispersat și atingând o stare de energie minimă , fie indusă artificial cu ajutorul unor reactivi speciali ( coagulanți sau floculanti ).
Coagularea este procesul de reducere a gradului de dispersie și a numărului de particule dintr-un sistem dispersat prin lipirea particulelor primare. Ca urmare a coagulării, are loc de obicei precipitarea ( sedimentarea ) fazei dispersate sau cel puțin o schimbare a proprietăților sistemului primar de dispersie.
Flocularea este un tip de coagulare în care particulele grosiere ale fazei dispersate sunt agregate mari floculante libere - flocule [2] [4] capabile să se depună rapid sau să plutească în sus [5] . Materialele polimerice sintetice , în special poliacrilamida , sunt adesea folosite ca floculanti . Macromoleculele polimerice sunt adsorbite simultan pe mai multe particule dispersate cu formarea de punți de legare între particulele fazei dispersate, ca și cum ar lipi aceste particule în agregate mari [6] [7] . Dintre floculantii anorganici se foloseste acid silicic activ [8] . Mecanismul de legătură și friabilitatea mai mare a agregatelor rezultate datorită dimensiunii macromoleculelor floculante disting flocularea de coagularea convențională, în care particulele se agregează direct [9] [10] . La purificarea apelor naturale, floculantii cu molecul mare sunt adesea folositi in combinatie cu coagulanti: floculantii "reticula" microfulgi rezultati din introducerea coagulantilor. În același timp, microfulgii sunt combinați în agregate mari, a căror sedimentare se desfășoară mult mai rapid [11] .
Structurile de coagulare se formează atunci când sistemul dispers își pierde stabilitatea agregativă; cu un conținut suficient de faza dispersată se asigură întărirea întregului volum al sistemului dispersat. Conținutul corespunzător al fazei dispersate coloidale, capabilă să „întărească” mediul de dispersie lichid , poate fi foarte mic (mai ales în cazul particulelor puternic anizometrice ), de exemplu, doar câteva procente în greutate pentru argile bentonite și încă mult mai puțin pentru particulele filamentoase.
O proprietate caracteristică a structurilor de coagulare, împreună cu rezistența relativ scăzută, este reversibilitatea lor în raport cu influențele mecanice - capacitatea de a se recupera spontan după deteriorarea mecanică (într-un mediu dispersat mobil); această proprietate se numește tixotropie . Structurile dispersate de coagulare sunt formate din pigmenți și materiale de umplutură de lacuri, vopsele, polimeri. Un exemplu tipic de structuri tixotrope sunt rețelele spațiale care apar în dispersii de argilă în timpul coagulării lor sub acțiunea electroliților.
Teoria coagulării ( M. Smoluchowski ) este dezvoltată pe baza următoarelor concepte: particulele fazei dispersate realizează mișcare browniană independent una de alta până când, când două particule se apropie una de cealaltă, distanța dintre centrele lor devine egală cu așa-numita rază a sferei de influență d. Această valoare este aproximativ egală cu suma razelor particulelor, care corespunde contactului lor direct. La această distanță apar (imediat, brusc) forțe de interacțiune între particule, în urma cărora se creează posibilitatea de agregare a acestora. Ca rezultat al coagulării, doar două particule interacționează, deoarece probabilitatea unei coliziuni a unui număr mai mare de particule este foarte mică. Astfel, particulele simple se ciocnesc, formând dublu, simplu cu dublu, dublu unul cu celălalt, triplu cu simplu etc. O astfel de reprezentare a procesului de coagulare ne permite să-l reducem formal la teoria reacțiilor chimice bimoleculare.
Coagularea cu utilizarea de reactivi chimici este utilizată în tratarea apei .
Rata de îmbătrânire depinde de stresul la interfață, raza particulei, coeficientul de difuzie , temperatură și solubilitatea macrofazelor. Sistemele monodisperse îmbătrânesc extrem de lent. Coalescența picăturilor de lichid sau a bulelor de gaz se numește coalescență . Atunci când sunt îmbinate, particulele solide își păstrează forma inițială.
Electroliții din dispersant accelerează îmbătrânirea ( electrocoagularea ).
Ciocnirile de particule, care au loc din cauza mișcării browniene , nu duc întotdeauna la fuziunea lor. Stratul electric dublu care înconjoară particulele dispersate le respinge unele de altele. Electroliții distrug și deformează acest strat, accelerând coalescența. Eficienţa procesului depinde de tipul de electrolit ( seria liotropică de ioni ) şi de valenţa acestuia .
Tendința solurilor hidrofobe de a se descompune sub acțiunea unor mici adaosuri de electroliți a fost remarcată cu mult timp în urmă și a făcut obiectul unui număr mare de studii experimentale și teoretice.
Numeroase studii privind efectul electroliților asupra stabilității solurilor hidrofobe au stabilit că efectul de coagulare al unui electrolit depinde de sarcina ionilor. Coagularea se desfășoară într-un ritm vizibil numai atunci când concentrația de electrolit depășește o anumită valoare critică, numită pragul de coagulare sk. Peste această concentrație (în regiunea coagulării lente), viteza de coagulare crește odată cu creșterea concentrației până când atinge o anumită limită, după care (în regiunea coagulării rapide) încetează să mai depindă de concentrația electrolitului. Evident, regiunea de coagulare rapidă corespunde destabilizarii complete a particulelor fazei dispersate. O comparație a efectului de coagulare al electroliților cu efectul lor asupra proprietăților electrocinetice a arătat că pragul de coagulare corespunde unei scăderi a potențialului electrocinetic la aproximativ 30 mV, în timp ce apropierea regiunii de coagulare rapidă duce la o scădere a potențialului z la valori foarte mici. Deja din acest fapt, putem concluziona că respingerea electrostatică a particulelor coloidale este cea care este responsabilă pentru stabilitatea unor astfel de hidrosoli. Conform regulii empirice Schulze-Hardy, pragul de coagulare este determinat în principal de valența contraionilor: raportul dintre pragurile de coagulare a contraionilor cu unu, doi și trei valenți este de aproximativ 1:0,016:0,0013 (respectiv, raportul a reciprocelor - abilitati de coagulare este 1:60:700).
În același timp, împreună cu o scădere generală a pragului de coagulare cu o creștere a valenței contraionilor, se observă diferențe mai slabe în abilitățile de coagulare ale ionilor de aceeași valență - așa-numita serie liotropă de ioni - asociată cu diferență în polarizabilitatea și hidratarea lor.