stringtranslate.com

Флокуляция

Определение ИЮПАК [1]

Флокуляция (в полимерной науке) : обратимое образование агрегатов, в которых частицы не находятся в физическом контакте.

Агломерация (кроме полимерной науки)
Коагуляция (кроме полимерной науки)
Флокуляция (кроме полимерной науки)
Процесс контакта и адгезии, при котором диспергированные молекулы или частицы удерживаются вместе слабыми физическими взаимодействиями, что в конечном итоге приводит к разделению фаз путем образования осадков большего размера, чем коллоидные.

  • В отличие от агрегации, агломерация является обратимым процессом.
  • Предложенное здесь определение рекомендуется для различения агломерации и агрегации. Частицы, составляющие агломераты, могут быть снова диспергированы.
  • Эта цитата взята из Purple Book (Compendium of Polymer Terminology and Nomenclature: IUPAC Recommendations, 2008). [2]
Видеоролик с 4-кратной скоростью, демонстрирующий осаждение хлопьев после добавления полимерных флокулянтов во время испытания в сосуде .

В коллоидной химии флокуляция — это процесс, при котором коллоидные частицы выходят из суспензии в осадок в виде хлопьев или хлопьев, либо спонтанно, либо из-за добавления осветляющего агента . Действие отличается от осаждения тем, что до флокуляции коллоиды просто суспендируются в форме устойчивой дисперсии (где внутренняя фаза (твердое вещество) диспергируется во внешней фазе (жидкости) посредством механического перемешивания) и не растворяются в растворе по-настоящему .

Коагуляция и флокуляция являются важными процессами в процессах ферментации и очистки воды, при этом коагуляция направлена ​​на дестабилизацию и агрегацию частиц посредством химического взаимодействия между коагулянтом и коллоидами, а флокуляция — на осаждение дестабилизированных частиц путем их агрегации в хлопья. [ необходимо разъяснение ]

Определение термина

Согласно определению ИЮПАК , флокуляция — это «процесс контакта и адгезии, при котором частицы дисперсии образуют кластеры большего размера». Флокуляция является синонимом агломерации и коагуляции/ слияния . [3] [4]

В принципе, коагуляция — это процесс добавления коагулянта для дестабилизации стабилизированной заряженной частицы. Между тем, флокуляция — это метод, который способствует агломерации и помогает осаждению частиц. Наиболее часто используемым коагулянтом являются квасцы , Al 2 (SO 4 ) 3 ·14H 2 O.

Химическая реакция включала:

Al 2 (SO 4 ) 3 · 14 H 2 O → 2 Al(OH) 3 (s) + 6 H + + 3 SO2−
4+ 8 Н2О

Во время флокуляции, мягкое перемешивание ускоряет скорость столкновения частиц, а дестабилизированные частицы далее агрегируются и спутываются в более крупные осадки. Флокуляция зависит от нескольких параметров, включая сдвиг и интенсивность смешивания, время и pH . Произведение интенсивности смешивания и времени смешивания используется для описания процессов флокуляции.

Тест в банке

Процесс, посредством которого выбирается дозировка и выбор флокулянта, называется испытанием в банке. Оборудование, используемое для испытания в банке, состоит из одного или нескольких стаканов, каждый из которых оснащен лопастной мешалкой. После добавления флокулянтов происходит быстрое перемешивание, за которым следует медленное перемешивание и затем процесс осаждения. Затем можно взять образцы из водной фазы в каждом стакане. [5]

Приложения

Поверхностная химия

В коллоидной химии флокуляция относится к процессу, посредством которого мелкие частицы собираются в хлопья. Затем хлопья могут всплывать на поверхность жидкости (образование сливок), осаждаться 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 и вызывает эвтрофикацию из-за адсорбции питательных веществ в реках и озерах и даже лодках под морем.

Физическая химия

Для эмульсий флокуляция описывает кластеризацию отдельных диспергированных капель вместе, при этом отдельные капли не теряют своей идентичности. [6] Таким образом, флокуляция является начальным шагом, ведущим к дальнейшему старению эмульсии (коалесценция капель и окончательное разделение фаз). Флокуляция используется в обогащении минералов, [7] но может также использоваться при проектировании физических свойств пищевых и фармацевтических продуктов. [8]

Медицинская диагностика

В медицинской лаборатории флокуляция является основным принципом, используемым в различных диагностических тестах, например, в быстром тесте на реагины плазмы . [9]

Гражданское строительство/Науки о Земле

В гражданском строительстве и в науках о Земле флокуляция — это состояние, при котором глины , полимеры или другие мелкие заряженные частицы связываются и образуют хрупкую структуру — хлопья. В дисперсных глинистых пульпах флокуляция происходит после того, как механическое перемешивание прекращается, и диспергированные глинистые пластинки спонтанно образуют хлопья из-за притяжения между отрицательными лицевыми зарядами и положительными краевыми зарядами.

Биология

Флокуляция используется в биотехнологических приложениях в сочетании с микрофильтрацией для повышения эффективности биологических кормов. Добавление синтетических флокулянтов в биореактор может увеличить средний размер частиц, делая микрофильтрацию более эффективной. Если флокулянты не добавляются, образуются и накапливаются лепешки, что приводит к низкой жизнеспособности клеток. Положительно заряженные флокулянты работают лучше, чем отрицательно заряженные, поскольку клетки, как правило, заряжены отрицательно. [10]

Сыроваренная промышленность

Флокуляция широко применяется для измерения прогресса образования сгустка на начальных этапах производства сыра , чтобы определить, как долго сгусток должен застывать. [11] Реакция с участием мицелл сычужного фермента моделируется кинетикой Смолуховского . [11] Во время сычужного ферментирования молока мицеллы могут приближаться друг к другу и флоккулировать, процесс, который включает гидролиз молекул и макропептидов. [12]

Флокуляция также используется при очистке сточных вод от сыра . В основном используются три различных коагулянта: [13]

Пивоварение

В пивоваренной промышленности флокуляция имеет другое значение. Это очень важный процесс в ферментации во время производства пива, где клетки образуют макроскопические хлопья. Эти хлопья заставляют дрожжи осаждаться или подниматься наверх ферментации в конце ферментации. Впоследствии дрожжи можно собрать (обрезать) сверху ( брожение эля ) или снизу ( брожение лагера ) ферментера, чтобы повторно использовать их для следующей ферментации.

Флокуляция дрожжей частично определяется концентрацией кальция, часто в диапазоне 50-100 ppm. [14] Для флокуляции можно добавлять соли кальция, 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

Процесс коагуляции-флокуляции в системе очистки воды

Флокуляция и седиментация широко используются при очистке питьевой воды , а также при очистке сточных вод , ливневых вод и промышленных сточных вод. Типичные процессы очистки включают решетки, коагуляцию, флокуляцию, седиментацию, гранулярную фильтрацию и дезинфекцию. [16] Поскольку спрос на экологически чистые решения в процессе флокуляции продолжает расти, биополимеры становятся перспективным решением. Среди них хитозан выделяется своими исключительными свойствами, что делает его главным претендентом в этом экологически сознательном начинании. [17] Хитозан не только биоразлагаем, но и проявляет уникальную способность связываться с широким спектром загрязняющих веществ, включая тяжелые металлы и органические загрязнители, эффективно удаляя их из источников воды. [18] Флокуляция дает многообещающие результаты для удаления мелких частиц и очистки ливневых стоков от транспортных строительных проектов, но не используется большинством государственных департаментов транспорта в США. Это может быть связано с нормативными ограничениями или недостаточным руководством по требованиям к отбору проб почвы в свете изменения характеристик почвы. Штаты, которые должны достичь числового предела мутности, более склонны использовать флокулянты для обеспечения надлежащего уровня очистки. [19]

Дефлокуляция

Дефлокуляция является противоположностью флокуляции, иногда известной как пептизация. Силикат натрия (Na2SiO3 ) является типичным примером . Обычно, в более высоких диапазонах pH , в дополнение к низкой ионной силе растворов и доминированию катионов одновалентных металлов , коллоидные частицы могут быть диспергированы. [20] Добавка, которая предотвращает образование хлопьев коллоидами, называется дефлокулянтом. Для дефлокуляции, передаваемой через электростатические барьеры, эффективность дефлокулянта может быть измерена с точки зрения дзета-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 (во многом как эмульгатор ). Дефлокулированная суспензия показывает нулевое или очень низкое значение текучести". [20]

Дефлокуляция может стать проблемой на очистных сооружениях сточных вод, поскольку она обычно приводит к проблемам с осаждением ила и ухудшению качества сточных вод .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Slomkowski, Stanislaw; Alemán, José V.; Gilbert, Robert G.; Hess, Michael; Horie, Kazuyuki; Jones, Richard G.; Kubisa, Przemyslaw; Meisel, Ingrid; Mormann, Werner; Penczek, Stanisław; Stepto, Robert FT (2011). "Terminology of polymers and polymerization processes in dispersed systems (IUPAC Recommendations 2011)" (PDF) . Pure and Applied Chemistry . 83 (12): 2229–2259. doi :10.1351/PAC-REC-10-06-03. S2CID  96812603. Архивировано из оригинала (PDF) 2013-10-20 . Получено 27 июля 2013 г.
  2. ^ Ричард Г. Джонс; Эдвард С. Уилкс; В. Вал Метаномски; Ярослав Каховец; Майкл Хесс; Роберт Степто; Тацуки Китаяма, ред. (2009). Компендиум терминологии и номенклатуры полимеров (рекомендации ИЮПАК 2008 г.) «Пурпурная книга» (2-е изд.). Издательство RSC. ISBN 978-0-85404-491-7.
  3. ^ IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «флокуляция». doi :10.1351/goldbook.F02429
  4. ^ Хаббард, Артур Т. (2004). Энциклопедия поверхностных и коллоидных наук. CRC Press. стр. 4230. ISBN 978-0-8247-0759-0. Получено 13 ноября 2007 г.
  5. ^ Операционный контроль процессов коагуляции и фильтрации (M37): Руководство по практике AWWA. Американская ассоциация водопроводных сооружений. 2011-06-01. ISBN 978-1583218013.
  6. ^ Адамсон AW и Гаст AP (1997) «Физическая химия поверхностей», John Wiley and Sons.
  7. ^ 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.
  8. ^ Фурманн, Филипп Л.; Сала, Гвидо; Штигер, Маркус; Шольтен, Элке (2019-08-01). «Кластеризация капель масла в эмульсиях типа «масло в воде»: контроль размера кластера и силы взаимодействия». Food Research International . 122 : 537–547. doi : 10.1016/j.foodres.2019.04.027 . ISSN  0963-9969. PMID  31229109.
  9. ^ Арора, Сатьям; Дода, Вина; Рани, Сунита; Котвал, Урверши (2015). «Быстрый тест на реагин плазмы: высокая ложная положительность или важный маркер поведения с высоким риском». Азиатский журнал по трансфузионной науке . 9 (1): 109. doi : 10.4103/0973-6247.150979 . ISSN  0973-6247. PMC 4339923. PMID  25722593 . 
  10. ^ Хан, Бинбинг; Акепрэтумчай, С.; Викрамасингхе, С.Р.; Цянь, С. (2003-07-01). «Флокуляция биологических клеток: эксперимент против теории». Журнал AIChE . 49 (7): 1687–1701. Bibcode : 2003AIChE..49.1687H. doi : 10.1002/aic.690490709. ISSN  1547-5905.
  11. ^ ab Fox, Patrick F. (1999). Сыр, том 1: химия, физика и микробиология (2-е изд.). Гейтерсберг, Мэриленд : Aspen Publishers. стр. 144–150. ISBN 978-0-8342-1378-4.
  12. ^ Фокс, Патрик Ф. (2004). Сыр - химия, физика и микробиология (3-е изд.). Elsevier. стр. 72. ISBN 978-0-12-263653-0.
  13. ^ Ривас, Хавьер; Празерес, Ана Р.; Карвальо, Фатима; Бельтран, Фернандо (2010-07-14). «Очистка сточных вод от сырной сыворотки: комбинированная коагуляция-флокуляция и аэробная биодеградация». Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии . 58 (13): 7871–7877. doi :10.1021/jf100602j. hdl : 20.500.12207/540 . ISSN  0021-8561. PMID  20557068.
  14. ^ Брунгард, Мартин (20 февраля 2018 г.). «Water Knowledge». Bru'n Water .
  15. ^ Джин, ЮЛ; Спирс, Р.А. (1999). «Флоккуляция в Saccharomyces cerevisiae». Пищевая рез. Межд . 31 (6–7): 421–440. дои : 10.1016/S0963-9969(99)00021-6.
  16. ^ Беверли, Ричард П. (2014-04-17). "Мониторинг и оценка процесса очистки воды". Knovel . Американская ассоциация водопроводных сооружений (AWWA) . Получено 2015-10-14 .
  17. ^ 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 дерастворимости хитозана, вызванной изменением pH». АСУ Омега . 8 (23): 20708–20713. doi : 10.1021/acsomega.3c01257. ISSN  2470-1343. ПМЦ 10268613 . ПМИД  37332801. 
  18. ^ Пал, Прити; Пал, Анджали; Накашима, Казунори; Ядав, Бриджеш Кумар (2021-03-01). «Применение хитозана в восстановлении окружающей среды: обзор». Chemosphere . 266 : 128934. Bibcode :2021Chmsp.26628934P. doi :10.1016/j.chemosphere.2020.128934. ISSN  0045-6535. PMID  33246700.
  19. ^ Казаз, Биллур (июль 2021 г.). «Обзор практики использования флокулянтов для управления ливневыми водами в строительстве в Соединенных Штатах». Отчет о транспортных исследованиях . 2675 (7) – через Sage.
  20. ^ ab Gooch, Jan W., ред. (2007-01-01). "Дефлокуляция". Энциклопедический словарь полимеров . Springer New York. стр. 265. doi :10.1007/978-0-387-30160-0_3313. ISBN 978-0-387-31021-3.

Дальнейшее чтение