3. Теоретические основы флокуляции

Флокуляцией называют образование агрегатов из нескольких частиц, разделенных прослойками среды. В результате образуются или флокулы, или коагуляционные структуры, отличающиеся подвижностью частиц относительно друг друга под действием сравнительно небольших сил (нагрузок). Обратный процесс образования устойчивых свободнодисперсных систем из осадков или гелей (структурированных дисперсных систем) называется пептизацией.

Рис. 2.5. Зависимость дозы коагулянта от мутности воды.

Процесс флокуляции аналогичен процессу гетерокоагуляции, заключающемуся в образовании рыхлых агрегатов (хлопьев) из частиц (не имеющих непосредственного контакта между собой) в результате собирающего действия высокомолекулярных веществ (ВМС). Последние называют флокулянтами. Более глубокий процесс коагуляции приводит к разрушению прослоек среды и непосредственному контакту частиц. В итоге образуются жесткие агрегаты из твердых частиц.

Известно, что коллоидные растворы при добавлении к ним небольших количеств электролитов могут коагулировать. Растворы же ВМС (белков, полисахаридов, пектиновых веществ и др.) более устойчивы к действию электролитов. Для их разрушения необходима высокая концентрация электролитов. Если же прибавить раствор ВМС к коллоидному раствору, то последний может приобрести устойчивость к действию электролитов. Это явление получило название коллоидной защиты.

Механизм защитного действия сводится к адсорбции ВМС на поверхности частиц золей. Адсорбируясь на частицах гидрозолей, макромолекулы растворимых в воде полимеров располагаются на поверхности твердой фазы так, что их полярная группа обращена к воде. Из-за этого усиливается гидратация частиц. Если в состав полимера входят ионогенные группы, способные к диссоциации, то защитный слой сообщает частице достаточно высокий электрокинетический потенциал. Гидратная оболочка и высокий дзета-потенциал придают золю необычную для него агрегативную устойчивость. Для разрушения такого золя требуется добавление большого количества электролита.

В некоторых случаях добавление к золю ВМС в количествах, недостаточных для коллоидной защиты, снижает устойчивость золя. Это явление обычно вызывают полиэлектролиты с линейными макромолекулами. Макромолекулы адсорбируются своими концами на разных коллоидных или иных частицах и связывают их в один крупный агрегат - образуются флокулы, хлопья, комплексы. В последнем случае флокуляция рассматривается как образование хлопьев при взаимодействии двух разнородных систем: молекул растворимых полимеров - термодинамически обратимых молекулярно-гомогенных систем и частиц коллоидных растворов и суспензий - агрегативно неустойчивых микрогетерогенных и гетерогенных систем. Флокуляция, как правило, – процесс необратимый. Невозможно путем уменьшения содержания в системе реагента осуществить пептизацию (редиспергирование) осадка.

Высокомолекулярные флокулянты подразделяют на три группы: неорганические вещества; вещества природного происхождения и синтетические органические полимеры. Молекулярная масса флокулянтов находится в пределах от десятков тысяч до нескольких миллионов.

Макромолекулы флокулянтов могут находиться в неионизированном состоянии (неионные флокулянты) или диссоциировать на ионы (флокулянты - полиэлектролиты). В полиэлектролитах макромолекулы содержат группы, обладающие кислотными или основными свойствами: и др. В соответствии с этим различают анионные и катионные, с отрицательно и положительно заряженными макроионами флокулянты. Существуют полимеры, содержащие одновременно кислотные и основные группы (амфотерные флокулянты); знак заряда макроиона зависит от среды.