La coagulación (del latín coagulatio - coagulación, espesamiento) y la floculación (del latín flocculi - fragmentos, escamas) son procesos fisicoquímicos de adhesión de pequeñas partículas de sistemas dispersos en agregados más grandes [1] [2] bajo la influencia de fuerzas cohesivas con la formación de estructuras de coagulación [K 1] .
La coagulación conduce a la precipitación de un precipitado de una solución coloidal oa la gelificación . La coagulación puede ser espontánea (envejecimiento) con separación de la solución coloidal en una fase sólida y un medio disperso y alcanzando un estado de energía mínima , o inducida artificialmente con la ayuda de reactivos especiales ( coagulantes o floculantes ).
La coagulación es el proceso de reducir el grado de dispersión y el número de partículas de un sistema disperso al unir partículas primarias. Como resultado de la coagulación, normalmente se produce la precipitación ( sedimentación ) de la fase dispersa , o al menos un cambio en las propiedades del sistema disperso primario.
La floculación es un tipo de coagulación en la que las partículas gruesas de la fase dispersa son grandes agregados floculantes sueltos: flóculos [2] [4] capaces de sedimentarse o flotar rápidamente [5] . Los materiales poliméricos sintéticos , en particular la poliacrilamida , se utilizan a menudo como floculantes . Las macromoléculas poliméricas se adsorben simultáneamente en varias partículas dispersas con la formación de puentes de unión entre las partículas de la fase dispersa, como si pegaran estas partículas en grandes agregados [6] [7] . De los floculantes inorgánicos, se utiliza ácido silícico activo [8] . El mecanismo de puenteo y la mayor friabilidad de los agregados resultantes debido al tamaño de las macromoléculas floculantes distinguen la floculación de la coagulación convencional, en la que las partículas se agregan directamente [9] [10] . Al purificar aguas naturales, los floculantes de alto peso molecular se utilizan a menudo junto con los coagulantes: los floculantes "reticulan" los microescamas resultantes de la introducción de los coagulantes. Al mismo tiempo, los microescamas se combinan en grandes agregados, cuya sedimentación es mucho más rápida [11] .
Las estructuras de coagulación se forman cuando el sistema disperso pierde su estabilidad agregada, con un contenido suficiente de la fase dispersa, se proporciona un refuerzo de todo el volumen del sistema disperso. El contenido correspondiente de la fase coloidal dispersa, capaz de "endurecer" el medio de dispersión líquido , puede ser muy pequeño (especialmente en el caso de partículas fuertemente anisométricas ), por ejemplo, solo un pequeño porcentaje en peso para las arcillas de bentonita , y aún mucho menos para las partículas filamentosas.
Una propiedad característica de las estructuras de coagulación, junto con una resistencia relativamente baja, es su reversibilidad con respecto a las influencias mecánicas: la capacidad de recuperarse espontáneamente después del daño mecánico (en un medio disperso móvil); esta propiedad se llama tixotropía . Las estructuras dispersas de coagulación están formadas por pigmentos y cargas de barnices, pinturas, polímeros. Un ejemplo típico de estructuras tixotrópicas son las redes espaciales que aparecen en las dispersiones de arcilla durante su coagulación bajo la acción de electrolitos.
La teoría de la coagulación ( M. Smoluchowski ) se desarrolla sobre la base de los siguientes conceptos: las partículas de la fase dispersa realizan un movimiento browniano independientes entre sí hasta que, cuando dos partículas se acercan, la distancia entre sus centros se vuelve igual a la llamado radio de la esfera de influencia d. Este valor es aproximadamente igual a la suma de los radios de las partículas, que corresponde a su contacto directo. A esta distancia, aparecen fuerzas de interacción entre partículas (inmediatamente, abruptamente), como resultado de lo cual se crea la posibilidad de su agregación. Como resultado de la coagulación, solo interactúan dos partículas, ya que la probabilidad de colisión de un mayor número de partículas es muy pequeña. Por lo tanto, las partículas individuales chocan, formando dobles, simples con dobles, dobles entre sí, triples con simples, etc. Tal representación del proceso de coagulación nos permite reducirlo formalmente a la teoría de las reacciones químicas bimoleculares.
La coagulación con el uso de reactivos químicos se utiliza en el tratamiento del agua .
La tasa de envejecimiento depende de la tensión en la interfaz, el radio de la partícula, el coeficiente de difusión , la temperatura y la solubilidad de la macrofase. Los sistemas monodispersos envejecen muy lentamente. La coalescencia de gotas de líquido o burbujas de gas se llama coalescencia . Cuando se fusionan, las partículas sólidas conservan su forma original.
Los electrolitos del dispersante aceleran el envejecimiento ( electrocoagulación ).
Las colisiones de partículas, que ocurren debido al movimiento browniano , no siempre conducen a su fusión. La doble capa eléctrica que rodea a las partículas dispersas las repele unas de otras. Los electrolitos destruyen y deforman esta capa, acelerando la coalescencia. La eficiencia del proceso depende del tipo de electrolito ( serie liotrópica de iones ) y su valencia .
La tendencia de los soles hidrofóbicos a descomponerse bajo la acción de pequeñas adiciones de electrolitos se observó hace mucho tiempo y ha sido objeto de un gran número de estudios experimentales y teóricos.
Numerosos estudios del efecto de los electrolitos sobre la estabilidad de los soles hidrofóbicos han establecido que el efecto coagulante de un electrolito depende de la carga de los iones. La coagulación avanza a un ritmo perceptible solo cuando la concentración de electrolitos excede un cierto valor crítico, llamado umbral de coagulación sk. Por encima de esta concentración (en la región de coagulación lenta), la tasa de coagulación aumenta al aumentar la concentración hasta que alcanza un cierto límite, después del cual (en la región de coagulación rápida) deja de depender de la concentración de electrolitos. Obviamente, la región de coagulación rápida corresponde a la completa desestabilización de las partículas de la fase dispersa. Una comparación del efecto coagulante de los electrolitos con su efecto sobre las propiedades electrocinéticas mostró que el umbral de coagulación corresponde a una disminución en el potencial electrocinético a aproximadamente 30 mV, mientras que acercarse a la región de coagulación rápida conduce a una caída en el potencial z a aproximadamente 30 mV. valores muy pequeños. Ya a partir de este hecho, podemos concluir que es la repulsión electrostática de las partículas coloidales la responsable de la estabilidad de tales hidrosoles. De acuerdo con la regla empírica de Schulze-Hardy, el umbral de coagulación está determinado principalmente por la valencia de los contraiones: la relación de los umbrales de coagulación de los contraiones monovalentes, bivalentes y trivalentes es de aproximadamente 1:0,016:0,0013 (respectivamente, la relación de recíprocos - capacidades de coagulación es 1:60:700).
Al mismo tiempo, junto con una disminución general en el umbral de coagulación con un aumento en la valencia de los contraiones, se observan diferencias más débiles en las capacidades de coagulación de los iones de la misma valencia, la llamada serie liotrópica de iones, asociada con el diferencia en su polarizabilidad e hidratación.