thumb|Video i firedobbelt hastighed af floc der bundfælder sig ved at tilføje flokkulant-polymerer under en jar-test.
I kolloidkemi er flokkulering en proces, hvor kolloidale partikler forlader en suspension og bundfældes i form af fast stof (kaldet floc), enten spontant eller som følge af tilsætning af et klaringsmiddel. Processen adskiller sig fra udfældning ved, at kolloider før flokkulering blot er suspenderede i form af en stabil dispersion, nogle gange kaldet opslemning, hvor den indre fase (fast stof) er dispergeret i den ydre fase (væske) ved mekanisk omrøring, og ikke reelt er opløst i en opløsning.
Koagulation og flokkulering er vigtige processer inden for fermentering og spildevandsbehandling, hvor koagulation har til formål at destabilisere og aggregere partikler gennem kemiske interaktioner mellem koagulanten og kolloiderne, og flokkulering har til formål at bundfælde de destabiliserede partikler ved at få dem til at aggregere til flocs.
Definition Ifølge IUPAC's definition er flokkulering "en proces af kontakt og vedhæftning, hvorved partiklerne i en dispersion danner større klynger". Flokkulering er synonymt med agglomerering og koagulation/koalescens.
Grundlæggende er koagulation en proces, hvor der tilsættes en koagulant for at destabilisere en stabiliseret, ladet partikel. Flokkulering er derimod en teknik, der fremmer agglomerering og hjælper med bundfældning af partikler. Den mest almindeligt anvendte koagulant er alun, Al2(SO4)3·14H2O.
Den involverede kemiske reaktion er:
Al2(SO4)3 · 14 H2O → 2 Al(OH)3 + 6 H+ + 3 + 8 H2O
Under flokkulering accelererer blid omrøring hastigheden af partikelkollisioner, og de destabiliserede partikler aggregeres yderligere og indfanges i større udfældninger. Flokkulering påvirkes af flere parametre, herunder omrøringsskær og -intensitet, tid og pH. Produktet af omrøringsintensitet og omrøringstid anvendes til at beskrive flokkuleringens forløb.
Jar-test Den proces, hvormed dosering og valg af flokkulant fastlægges, kaldes en jar-test. Udstyret til jar-test består af én eller flere bægre, hver forsynet med en omrører. Efter tilsætning af flokkulant foretages hurtig omrøring, efterfulgt af langsom omrøring og derefter sedimentering. Prøver kan herefter udtages fra den vandige fase i hvert bæger.
Anvendelser Overfladekemi I kolloidkemi refererer flokkulering til den proces, hvor fine partikler får lov til at klumpe sig sammen til en floc. Floc’en kan derefter flyde til overfladen af væsken (på engelsk kaldet creaming), synke til bunden (sedimentering) eller nemt filtreres fra væsken. Flokkuleringsegenskaberne for jordkolloider er tæt forbundet med ferskvandskvalitet. Høj dispergerbarhed af jordkolloider forårsager ikke blot uklarhed i det omgivende vand, men kan også inducere eutrofiering på grund af adsorption af næringsstoffer i floder og søer og endda på havbunden.
Fysisk kemi For emulsioner beskriver flokkulering samlingen af individuelle dispergerede dråber, hvor de enkelte dråber ikke mister deres identitet. Flokkulering er således det første trin, der fører til yderligere aldring af emulsionen (dråbesammenflydning og den endelige faseadskillelse). Flokkulering anvendes i mineralforarbejdning, men kan også anvendes ved design af de fysiske egenskaber i fødevarer og farmaceutiske produkter.
Medicinsk diagnostik I et medicinsk laboratorium er flokkulering det grundlæggende princip i flere diagnostiske tests, for eksempel rapid plasma reagin-testen. Et andet eksempel er Porges-Meier reaktion, der blev brugt til at diagnosticere syfilis.
Byggeri/jordvidenskab I byggeteknik og geovidenskab er flokkulering en tilstand, hvor ler, polymerer eller andre små ladede partikler hæfter sig til hinanden og danner en skrøbelig struktur, en floc. I dispergerede ler-slam forekommer flokkulering, når mekanisk omrøring ophører, og de dispergerede lerplader spontant danner flocs på grund af tiltrækning mellem negative fladeladninger og positive kantladninger.
Biologi
Flokkulering anvendes i bioteknologiske anvendelser sammen med mikrofiltrering for at forbedre effektiviteten af biologiske strømme. Tilsætning af syntetiske flokkulenter til bioreaktorer kan øge den gennemsnitlige partikelstørrelse og dermed gøre mikrofiltrering mere effektiv. Når flokkulenter ikke tilsættes, dannes filterkager, som akkumuleres og forårsager lav cellelevedygtighed. Positivt ladede flokkulenter virker bedre end negativt ladede, da celler generelt er negativt ladede.
Osteindustrien Flokkulering anvendes i vid udstrækning til at måle udviklingen i ostekoageldannelse i de indledende stadier af ostefremstilling for at bestemme, hvor længe ostekornene skal sætte sig. Reaktionerne, der involverer osteløbe-miceller, modelleres ved hjælp af Smoluchowski-kinetik. Under løbning af mælk kan miceller nærme sig hinanden og flokkulere, en proces der involverer hydrolyse af molekyler og makropeptider.
Flokkulering anvendes også under spildevandsbehandling i osteindustrien. Tre forskellige koagulanter anvendes primært:
FeSO4 (jern(II)sulfat) Al2(SO4)3 (aluminiumsulfat) FeCl3 (jern(III)klorid)
Brygning
I bryggeriindustrien har flokkulering en lidt anderledes betydning. Det er en meget vigtig proces under gæring i ølproduktion, hvor celler danner makroskopiske flocs. Disse flocs får gæren til enten at bundfælde sig eller flyde til overfladen ved afslutningen af gæringen. Herefter kan gæren opsamles fra toppen (ale-gæring) eller bunden (lager-gæring) af gærtanken og genbruges til næste gæring.
Gærflokkulering bestemmes delvist af calciumkoncentrationen, ofte i intervallet 50–100 ppm. Calciumsalte kan tilsættes for at fremkalde flokkulering, eller processen kan vendes ved at fjerne calcium ved tilsætning af fosfat (for at danne uopløseligt calciumfosfat), tilsætning af overskydende sulfat (for at danne calciumsulfat), eller tilsætning af EDTA for at få calciumionerne til at danne chelatkomplekser. Selvom processen ligner sedimentation i kolloidale dispersioner, er mekanismerne forskellige.
Vandbehandlingsproces thumb|Koagulations-flokkulering i et spildevandsbehandlingsanlæg.
Flokkulering og sedimentering anvendes bredt i rensning af drikkevand samt i spildevandsrensning, regnvandsbehandling og behandling af industrielle spildevandsstrømme. Typiske drikkevandsprocesser omfatter riste, koagulation, flokkulering, sedimentering, granulær filtrering og desinfektion. Koagulations- og flokkuleringstrinene er ens ved at få partikler til at aggregere og udfælde, men kan anvende forskellige kemikalier eller fysisk bevægelse af vandet. En række salte kan tilsættes for at justere pH og fungere som klaringsmidler afhængigt af vandets kemi, herunder natriumhydroxid, calciumhydroxid, aluminumsulfat, aluminumoxid, sulfat, jern(III)klorid og natriumaluminat, samt flokkulenthjælpemidler som polyaluminumklorid og jern(III)klorid. Der anvendes også kationiske, anioniske og ikke-ioniske polymerer, typisk med en molekylvægt under 500.000. Polydiallyldimethyl ammoniumklorid (polyDADMAC) og epiDMA (en copolymer af epichlorohydrin og dimethylamin) er almindelige valg, men kan danne kræftfremkaldende nitrosaminer. Sand, pulveriseret aktivt kul og ler kan også anvendes som kimdannere; i visse tilfælde genbruges disse efter ekstraktion.
Biopolymerer, især chitosan, bliver i stigende grad anvendt som miljøvenlige flokkulenter. Chitosan er ikke blot biologisk nedbrydeligt, men udviser også en unik evne til at binde en bred vifte af forurenende stoffer, herunder tungmetaller og organiske forureninger, og fjerner dem effektivt fra vandkilder.
Flokkulering viser lovende resultater ved fjernelse af fine partikler og behandling af regnvandsafstrømning fra anlægsprojekter, men anvendes ikke af de fleste statslige transportmyndigheder i USA. Dette kan skyldes regulatoriske begrænsninger eller manglende vejledning i jordprøvetagning i lyset af ændrede jordegenskaber. Stater, der skal overholde numeriske grænser for turbiditet, er mere tilbøjelige til at anvende flokkulenter for at sikre det nødvendige behandlingsniveau.
Deflokkulering
Deflokkulering er det modsatte af flokkulering og kaldes også peptisering. Natriumsilikat (Na2SiO3) er et typisk eksempel. Ved højere pH-niveauer, kombineret med lav ionstyrke og dominans af monovalente metal-kationer, kan kolloidale partikler dispergeres. Det tilsætningsstof, der forhindrer kolloider i at danne flocs, kaldes en deflokkulant. Ved deflokkulering via elektrostatiske barrierer kan effektiviteten af en deflokkulant vurderes ud fra zetapotentialet. Ifølge Encyclopedic Dictionary of Polymers er deflokkulering "en tilstand eller betingelse for en dispersion af et fast stof i en væske, hvor hver fast partikel forbliver uafhængig og ikke associeret med tilstødende partikler (ligesom en emulgator). En deflokkulert suspension udviser nul eller meget lav flydespænding".
Deflokkulering kan være et problem i spildevandsrensningsanlæg, da det ofte forårsager problemer med slambundfældning og forringelse af udløbsvandets kvalitet.
Referencer
Kategori:Metallurgi Kategori:Kemiske processer Kategori:Separationsprocesser