Флокуляция
Флокуляция (в науке о полимерах) : обратимое образование агрегатов, в которых частицы не находятся в физическом контакте.
Агломерация (кроме науки о полимерах)
Коагуляция (кроме науки о полимерах)
Флокуляция (кроме науки о полимерах)
Процесс контакта и адгезии, при котором диспергированные молекулы или частицы удерживаются вместе за счет слабых физических взаимодействий, что в конечном итоге приводит к разделению фаз за счет образования осадков, размеры которых превышают коллоидные.
- В отличие от агрегации, агломерация является обратимым процессом.
- Предлагаемое здесь определение рекомендуется для отличия агломерации от агрегации. Частицы, составляющие агломераты, можно снова диспергировать.
- Эта цитата взята из «Пурпурной книги» (Сборник терминологии и номенклатуры полимеров: Рекомендации ИЮПАК, 2008 г.). [2]
В коллоидной химии флокуляция — это процесс, при котором коллоидные частицы выходят из суспензии в осадок в виде хлопьев или хлопьев либо самопроизвольно, либо за счет добавления осветляющего агента . Действие отличается от осаждения тем, что перед флокуляцией коллоиды просто суспендируются в форме стабильной дисперсии (где внутренняя фаза (твердое вещество) распределяется по внешней фазе (жидкость) посредством механического перемешивания) и не растворяются по-настоящему. в растворе .
Коагуляция и флокуляция являются важными процессами при ферментации и очистке воды, при этом коагуляция направлена на дестабилизацию и агрегирование частиц посредством химического взаимодействия между коагулянтом и коллоидами, а флокуляция - на осаждение дестабилизированных частиц, вызывая их агрегацию в хлопья. [ нужны разъяснения ]
Определение термина
[ редактировать ]Согласно определению ИЮПАК , флокуляция — это «процесс контакта и адгезии, при котором частицы дисперсии образуют кластеры большего размера». Флокуляция является синонимом агломерации и коагуляции/ коалесценции . [3] [4]
По сути, коагуляция — это процесс добавления коагулянта для дестабилизации стабилизированной заряженной частицы. Между тем, флокуляция — это метод, который способствует агломерации и способствует осаждению частиц. Наиболее распространенным коагулянтом являются квасцы Al 2 (SO 4 ) 3 ·14H 2 O.
В химической реакции участвовали:
- Al 2 (SO 4 ) 3 · 14 H 2 O → 2 Al(OH) 3 (s) + 6 H + + 3 СО 2−
4 + 8 Н 2 О
Во время флокуляции осторожное перемешивание увеличивает скорость столкновения частиц, а дестабилизированные частицы дополнительно агрегируются и переплетаются в более крупные осадки. На флокуляцию влияют несколько параметров, включая сдвиг и интенсивность смешивания, время и pH . Произведение интенсивности перемешивания и времени перемешивания используется для описания процессов флокуляции.
Тест в банке
[ редактировать ]Процесс выбора дозировки и выбора флокулянта называется баночным испытанием. Оборудование, используемое для тестирования банок, состоит из одного или нескольких стаканов, каждый из которых оснащен лопастной мешалкой. После добавления флокулянтов происходит быстрое перемешивание, за которым следует медленное перемешивание и далее процесс седиментации. Затем можно отобрать образцы водной фазы в каждом стакане. [5]
Приложения
[ редактировать ]Химия поверхности
[ редактировать ]В коллоидной химии флокуляция относится к процессу, при котором мелкие частицы слипаются в хлопья. Затем хлопья могут всплывать на поверхность жидкости (сгущаться), осесть на дно жидкости ( седиментация ) или легко отфильтровываться из жидкости. Флокуляционное поведение почвенных коллоидов тесно связано с качеством пресной воды. Высокая дисперсность почвенных коллоидов не только напрямую вызывает мутность окружающей воды, но также вызывает эвтрофикацию из-за адсорбции питательных веществ в реках, озерах и даже лодках под водой.
Физическая химия
[ редактировать ]Для эмульсий флокуляция означает группирование отдельных диспергированных капель вместе, при этом отдельные капли не теряют своей идентичности. [6] Таким образом, флокуляция является начальным этапом, ведущим к дальнейшему старению эмульсии (слиянию капель и окончательному разделению фаз). Флокуляцию применяют при минеральных обогащениях, [7] но может также использоваться при определении физических свойств пищевых и фармацевтических продуктов. [8]
Медицинская диагностика
[ редактировать ]В медицинской лаборатории флокуляция является основным принципом, используемым в различных диагностических тестах, например, в быстром тесте на реагин плазмы . [9]
Гражданское строительство/науки о земле
[ редактировать ]В гражданском строительстве и науках о земле флокуляция — это состояние, при котором глины , полимеры или другие мелкие заряженные частицы прикрепляются и образуют хрупкую структуру — хлопья. В дисперсных глинистых суспензиях , флокуляция происходит после прекращения механического перемешивания, и диспергированные пластинки глины самопроизвольно образуют хлопья из-за притяжения между отрицательными поверхностными и положительными краевыми зарядами.
Биология
[ редактировать ]Флокуляция используется в биотехнологиях в сочетании с микрофильтрацией для повышения эффективности биологических кормов. Добавление синтетических флокулянтов в биореактор может увеличить средний размер частиц, что делает микрофильтрацию более эффективной. Если не добавлять флокулянты, образуются и накапливаются лепешки, что приводит к снижению жизнеспособности клеток. Положительно заряженные флокулянты работают лучше, чем отрицательно заряженные, поскольку клетки обычно заряжены отрицательно. [10]
Сырная промышленность
[ редактировать ]Флокуляция широко используется для измерения процесса образования творога на начальных этапах производства сыра , чтобы определить, как долго творог должен застыть. [11] Реакция с участием сычужного фермента мицелл моделируется кинетикой Смолуховского . [11] При сычужном сычужном молоке мицеллы могут сближаться друг с другом и флокулировать — процесс, включающий гидролиз молекул и макропептидов. [12]
Флокуляция также используется при очистке сточных вод сыра . В основном используются три различных коагулянта: [13]
- FeSO 4 ( сульфат железа(II) )
- Al 2 (SO 4 ) 3 ( сульфат алюминия )
- FeCl 3 ( хлорид железа(III) )
Пивоварение
[ редактировать ]В пивоваренной промышленности флокуляция имеет другое значение. Это очень важный процесс ферментации при производстве пива, когда клетки образуют макроскопические хлопья. Эти хлопья заставляют дрожжи оседать или подниматься до вершины брожения в конце брожения. Впоследствии дрожжи можно собрать (обрезать) сверху ( брожение эля ) или снизу ( брожение лагера ) ферментера, чтобы повторно использовать для следующего брожения.
Флокуляция дрожжей частично определяется концентрацией кальция, часто в диапазоне 50-100 ppm. [14] Можно добавить соли кальция, чтобы вызвать флокуляцию, или процесс можно обратить вспять, удалив кальций путем добавления фосфата для образования нерастворимого фосфата кальция, добавления избытка сульфата для образования нерастворимого сульфата кальция или добавления ЭДТА для хелатирования ионов кальция. Хотя это похоже на седиментацию в коллоидных дисперсиях, механизмы различны. [15]
Процесс очистки воды
[ редактировать ]
Флокуляция и седиментация широко используются при очистке питьевой воды , а также при очистке сточных вод , очистке ливневых вод и очистке потоков промышленных сточных вод. Типичные процессы очистки включают решетки, коагуляцию, флокуляцию, осаждение , гранулированную фильтрацию и дезинфекцию. [16] Поскольку спрос на экологически чистые решения в процессе флокуляции продолжает расти, биополимеры становятся весьма многообещающим решением. Среди них хитозан выделяется своими исключительными свойствами, что делает его главным конкурентом в этом экологически сознательном начинании. [17] Хитозан не только биоразлагаем, но и демонстрирует уникальную способность связывать широкий спектр загрязнений, включая тяжелые металлы и органические загрязнители, эффективно удаляя их из источников воды. [18]
Дефлокуляция
[ редактировать ]Дефлокуляция является полной противоположностью флокуляции, также иногда известной как пептизация . Силикат натрия (Na 2 SiO 3 ) является типичным примером. Обычно в более высоких диапазонах pH , помимо низкой ионной силы растворов и доминирования катионов частицы одновалентных металлов , коллоидные могут диспергироваться. [19] Добавка, предотвращающая образование хлопьев коллоидами, называется дефлокулянтом. Для дефлокуляции, осуществляемой через электростатические барьеры, эффективность дефлокулянта можно оценить с помощью зета-потенциала . Согласно Энциклопедическому словарю полимеров, дефлокуляция — это « состояние или условие дисперсии твердого вещества в жидкости, в котором каждая твердая частица остается независимой и не связанной с соседними частицами (так же, как эмульгатор ). Дефлокулированная суспензия показывает нулевой или очень низкий выход. ценить". [19]
Дефлокуляция может быть проблемой на очистных сооружениях, поскольку она обычно приводит к проблемам осаждения осадка и ухудшению качества сточных вод .
См. также
[ редактировать ]- Альгакультура - аквакультура, связанная с выращиванием водорослей.
- Взаимодействие глины и воды . Различные прогрессивные взаимодействия между глинистыми минералами и водой.
- Отложение (геология) - геологический процесс, при котором отложения, почва и камни добавляются к форме рельефа или массиву суши.
- Сила истощения - эффективная сила в молекулярных и коллоидных системах.
- Теория ДЛВО - Теоретическая модель агрегации и стабильности водных дисперсий (стабильность коллоидов)
- Буровой раствор , также известный как буровой раствор – средство для бурения скважин в землю.
- Изоэлектрическая точка - концепция молекулярной биологии.
- Пластинчатый осветлитель - тип отстойника, предназначенный для удаления твердых частиц из жидкостей.
- Агрегация частиц - Слипание частиц в суспензии.
- Созревание Оствальда - процесс, при котором мелкие кристаллы растворяются в растворе в пользу более крупных кристаллов.
- Морская вода – вода из моря или океана.
- Уравнение коагуляции Смолуховского - Уравнение баланса населения в статистической физике
- Структура почвы - Расположение частиц почвы и порового пространства.
- Синерезис (химия) – извлечение или вытеснение жидкости из геля.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сломковский, Станислав; Алеман, Хосе В.; Гилберт, Роберт Г.; Хесс, Майкл; Хорие, Казуюки; Джонс, Ричард Г.; Кубиса, Пшемыслав; Мейзель, Ингрид; Морманн, Вернер; Пенчек, Станислав; Степто, Роберт FT (2011). «Терминология полимеров и процессов полимеризации в дисперсных системах (Рекомендации ИЮПАК 2011 г.)» (PDF) . Чистая и прикладная химия . 83 (12): 2229–2259. doi : 10.1351/PAC-REC-10-06-03 . S2CID 96812603 . Архивировано из оригинала (PDF) 20 октября 2013 г. Проверено 27 июля 2013 г.
- ^ Ричард Дж. Джонс; Эдвард С. Уилкс; В. Вал Метаномски; Ярослав Каховец; Майкл Хесс; Роберт Степто; Тацуки Китаяма, ред. (2009). Сборник терминологии и номенклатуры полимеров (Рекомендации ИЮПАК, 2008 г.) «Пурпурная книга» (2-е изд.). Издательство РСК. ISBN 978-0-85404-491-7 .
- ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) « Флоккуляция ». дои : 10.1351/goldbook.F02429
- ^ Хаббард, Артур Т. (2004). Энциклопедия поверхностных и коллоидных наук . ЦРК Пресс. п. 4230. ИСБН 978-0-8247-0759-0 . Проверено 13 ноября 2007 г.
- ^ Оперативный контроль процессов коагуляции и фильтрации (М37): Практическое руководство AWWA . Американская ассоциация водопроводных предприятий. 01.06.2011. ISBN 978-1583218013 .
- ^ Адамсон А.В. и Гаст А.П. (1997) «Физическая химия поверхностей», Джон Уайли и сыновья.
- ^ Исследование закономерностей селективной флокуляции углей синтетическими латексами / П. В. Сергеев, В. С. Билецкий // ICCS'97. 7–12 сентября 1997 г., Эссен, Германия. Т. 1. С. 503–506.
- ^ Фурманн, Филипп Л.; Сала, Гвидо; Штигер, Маркус; Шолтен, Эльке (01 августа 2019 г.). «Кластеризация капель масла в эмульсиях масло/вода: контроль размера кластеров и силы взаимодействия» . Международное исследование пищевых продуктов . 122 : 537–547. doi : 10.1016/j.foodres.2019.04.027 . ISSN 0963-9969 . ПМИД 31229109 .
- ^ Арора, Сатьям; Дода, Вина; Рани, Сунита; Котвал, Урверши (2015). «Быстрый тест на реагин плазмы: высокая ложноположительность или важный маркер поведения высокого риска» . Азиатский журнал трансфузиологии . 9 (1): 109. дои : 10.4103/0973-6247.150979 . ISSN 0973-6247 . ПМЦ 4339923 . ПМИД 25722593 .
- ^ Хан, Биньбин; Акепратумчай, С.; Викрамасингхе, СР; Цянь, X. (1 июля 2003 г.). «Флокуляция биологических клеток: эксперимент против теории». Журнал Айше . 49 (7): 1687–1701. Бибкод : 2003AIChE..49.1687H . дои : 10.1002/aic.690490709 . ISSN 1547-5905 .
- ^ Перейти обратно: а б Фокс, Патрик Ф. (1999). Сыр, том 1: химия, физика и микробиология (2-е изд.). Гейтерсбург, Мэриленд : Aspen Publishers. стр. 144–150. ISBN 978-0-8342-1378-4 .
- ^ Фокс, Патрик Ф. (2004). Сыр - химия, физика и микробиология (3-е изд.). Эльзевир. п. 72. ИСБН 978-0-12-263653-0 .
- ^ Ривас, Хавьер; ПРАЗЕРЕС, Ана Р.; КАРВАЛЬЮ, Фатима; Бельтран, Фернандо (14 июля 2010 г.). «Очистка сточных вод сырной сыворотки: комбинированная коагуляция-флокуляция и аэробная биодеградация». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 58 (13): 7871–7877. дои : 10.1021/jf100602j . hdl : 20.500.12207/540 . ISSN 0021-8561 . ПМИД 20557068 .
- ^ Брунгард, Мартин (20 февраля 2018 г.). «Знание воды» . Брюн Уотер .
- ^ Джин, ЮЛ; Спирс, Р.А. (1999). «Флокуляция в Saccharomyces cerevisiae». Пищевая рез. Межд . 31 (6–7): 421–440. дои : 10.1016/S0963-9969(99)00021-6 .
- ^ Беверли, Ричард П. (17 апреля 2014 г.). «Мониторинг и оценка процесса водоподготовки» . Кновел . Американская ассоциация водопроводных предприятий (AWWA) . Проверено 14 октября 2015 г.
- ^ Ламанна, Леонардо; Джакойя, Габриэле; Фриули, Марко; Леоне, Габриэлла; Карлуччи, Никола; Руссо, Фабрицио; Саннино, Алессандро; Демитри, Кристиан (13 июня 2023 г.). «Флокуляция масляно-водной эмульсии посредством десолюбилизации хитозана, вызванной изменением pH» . АСУ Омега . 8 (23): 20708–20713. дои : 10.1021/acsomega.3c01257 . ISSN 2470-1343 . ПМЦ 10268613 . ПМИД 37332801 .
- ^ Пал, Прити; Пал, Анджали; Накашима, Кадзунори; Ядав, Бриджеш Кумар (01 марта 2021 г.). «Применение хитозана в восстановлении окружающей среды: обзор» . Хемосфера . 266 : 128934. Бибкод : 2021Chmsp.26628934P . doi : 10.1016/j.chemSphere.2020.128934 . ISSN 0045-6535 . ПМИД 33246700 .
- ^ Перейти обратно: а б Гуч, Ян В., изд. (01.01.2007). «Дефлокуляция». Энциклопедический словарь полимеров . Спрингер Нью-Йорк. п. 265. дои : 10.1007/978-0-387-30160-0_3313 . ISBN 978-0-387-31021-3 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Джон Грегори (2006), Частицы в воде: свойства и процессы , Тейлор и Фрэнсис, ISBN 1-58716-085-4
- Джон К. Криттенден, Р. Роудс Трасселл, Дэвид В. Хэнд, Керри Дж. Хоу, Джордж Чобаноглус (2012), Водоочистка MWH: принципы и конструкция, третье издание , John Wiley & Sons, ISBN 978-0-470-40539-0
