Floculación

Definición de la IUPAC ^{[ 1 ]}

Floculación (en ciencia de polímeros) : Formación reversible de agregados en los que las partículas no están en contacto físico.
Aglomeración (excepto en ciencia de polímeros) Coagulación (excepto en ciencia de polímeros) Floculación (excepto en ciencia de polímeros) Proceso de contacto y adhesión mediante el cual las moléculas o partículas dispersas se mantienen unidas por interacciones físicas débiles que finalmente conducen a la separación de fases por la formación de precipitados de tamaño mayor que el coloidal.
A diferencia de la agregación, la aglomeración es un proceso reversible.
La definición aquí propuesta se recomienda para distinguir entre aglomeración y agregación. Las partículas que componen los aglomerados pueden dispersarse nuevamente.
Esta cita proviene del Libro Púrpura (Compendio de Terminología y Nomenclatura de Polímeros: Recomendaciones de la IUPAC, 2008). ^{[ 2 ]}

Vídeo a velocidad 4x de la sedimentación de los flóculos tras la adición de polímeros floculantes durante una prueba en frasco .

En química coloidal , la floculación es un proceso por el cual las partículas coloidales salen de la suspensión y sedimentan en forma de flóculos o escamas, ya sea de forma espontánea o debido a la adición de un agente clarificante . Esta acción difiere de la precipitación en que, antes de la floculación, los coloides simplemente están suspendidos, en forma de una dispersión estable (donde la fase interna (sólida) se dispersa en toda la fase externa (fluida) mediante agitación mecánica) y no están realmente disueltos en la solución .

La coagulación y la floculación son procesos importantes en la fermentación y el tratamiento del agua. La coagulación tiene como objetivo desestabilizar y agregar partículas mediante interacciones químicas entre el coagulante y los coloides, mientras que la floculación sedimenta las partículas desestabilizadas provocando su agregación en flóculos.

Definición del término

Según la definición de la IUPAC , la floculación es "un proceso de contacto y adhesión mediante el cual las partículas de una dispersión forman cúmulos de mayor tamaño". La floculación es sinónimo de aglomeración y coagulación/ coalescencia . ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Básicamente, la coagulación es un proceso de adición de coagulante para desestabilizar una partícula cargada estabilizada. Por otro lado, la floculación es una técnica que promueve la aglomeración y facilita la sedimentación de las partículas. El coagulante más utilizado es el alumbre , Al₂ ₍ SO₄ ₎ ₃ _· 14H₂O _.

La reacción química involucrada:

Al ₂ (SO ₄ ) ₃ · 14 H ₂ O → 2 Al(OH) ₃(s) + 6 H ⁺ + 3 SO^2-4+ 8 H ₂ O

Durante la floculación, la mezcla suave acelera la velocidad de colisión de las partículas, y las partículas desestabilizadas se agregan y se incorporan a precipitados más grandes. La floculación se ve afectada por varios parámetros, como la intensidad y la fuerza de cizallamiento de la mezcla, el tiempo y el pH . El producto de la intensidad y el tiempo de mezcla se utiliza para describir los procesos de floculación.

Prueba del frasco

El proceso mediante el cual se selecciona la dosis y el floculante se denomina prueba de jarras. El equipo utilizado para esta prueba consiste en uno o más vasos de precipitados, cada uno equipado con un mezclador de paletas. Tras la adición de los floculantes, se produce una mezcla rápida, seguida de una mezcla lenta y, posteriormente, del proceso de sedimentación. A continuación, se pueden tomar muestras de la fase acuosa de cada vaso de precipitados. ^{[ 5 ]}

Mecanismos

Un mecanismo de floculación es la coacervación .

Aplicaciones

Química de superficies

En química coloidal , la floculación se refiere al proceso por el cual las partículas finas se agrupan formando un flóculo. Este flóculo puede flotar en la superficie del líquido (cremado), depositarse en el fondo ( sedimentación ) o filtrarse fácilmente . El comportamiento de floculación de los coloides del suelo está estrechamente relacionado con la calidad del agua dulce. La alta dispersibilidad de los coloides del suelo no solo provoca directamente la turbidez del agua circundante, sino que también induce la eutrofización debido a la adsorción de nutrientes en ríos, lagos e incluso embarcaciones en el mar.

Química física

En el caso de las emulsiones , la floculación describe la agrupación de gotas individuales dispersas, sin que estas pierdan su identidad. ^{[ 6 ]} La floculación es, por lo tanto, el paso inicial que conduce al envejecimiento posterior de la emulsión (coalescencia de las gotas y separación final de las fases). La floculación se utiliza en el tratamiento de minerales, ^{[ 7 ]} pero también puede emplearse en el diseño de propiedades físicas de productos alimenticios y farmacéuticos. ^{[ 8 ]}

diagnósticos médicos

En un laboratorio médico , la floculación es el principio fundamental utilizado en varias pruebas de diagnóstico, por ejemplo, la prueba rápida de reagina plasmática . ^{[ 9 ]}

Ingeniería civil/ciencias de la tierra

En ingeniería civil y en ciencias de la tierra , la floculación es un proceso en el que arcillas , polímeros u otras partículas pequeñas cargadas se adhieren y forman una estructura frágil , un flóculo. En las suspensiones de arcilla dispersa , la floculación ocurre después de que cesa la agitación mecánica y las plaquetas de arcilla dispersas forman flóculos espontáneamente debido a las atracciones entre las cargas negativas de la superficie y las cargas positivas de los bordes.

Biología

La floculación se utiliza en aplicaciones biotecnológicas junto con la microfiltración para mejorar la eficiencia de los sustratos biológicos. La adición de floculantes sintéticos al biorreactor puede aumentar el tamaño promedio de las partículas, lo que hace que la microfiltración sea más eficiente. Cuando no se añaden floculantes, se forman y acumulan tortas, lo que reduce la viabilidad celular. Los floculantes con carga positiva funcionan mejor que los de carga negativa, ya que las células generalmente tienen carga negativa. ^{[ 10 ]}

Industria del queso

La floculación se emplea ampliamente para medir el progreso de la formación de la cuajada en las etapas iniciales de la elaboración del queso y determinar cuánto tiempo debe reposar la cuajada. ^{[ 11 ]} La reacción que involucra las micelas de cuajo se modela mediante la cinética de Smoluchowski . ^[¹¹^] Durante la coagulación de la leche con cuajo, las micelas pueden acercarse entre sí y flocular, un proceso que implica la hidrólisis de moléculas y macropéptidos. ^[¹²^]

La floculación también se utiliza durante el tratamiento de aguas residuales de la industria quesera . Se utilizan principalmente tres coagulantes diferentes: ^{[ 13 ]}

FeSO₄ ( sulfato _dehierro(II) )
Al ₂ (SO ₄ ) ₃ ( sulfato de aluminio )
FeCl ₃ ( cloruro de hierro(III) )

Fabricación de cerveza

En la industria cervecera, la floculación tiene un significado diferente. Es un proceso crucial en la fermentación de la cerveza, donde las células forman flóculos macroscópicos. Estos flóculos provocan que la levadura sedimente o ascienda a la superficie al finalizar la fermentación. Posteriormente, la levadura se puede recolectar (recolectar) de la parte superior ( fermentación de cerveza ale ) o inferior ( fermentación de cerveza lager ) del fermentador para reutilizarla en la siguiente fermentación.

La floculación de la levadura está parcialmente determinada por la concentración de calcio, que suele estar entre 50 y 100 ppm. ^{[ 14 ]} Se pueden añadir sales de calcio para provocar la floculación, o bien se puede revertir el proceso eliminando el calcio mediante la adición de fosfato para formar fosfato de calcio insoluble, la adición de sulfato en exceso para formar sulfato de calcio insoluble o la adición de EDTA para quelar los iones de calcio. Si bien parece similar a la sedimentación en dispersiones coloidales, los mecanismos son diferentes. ^{[ 15 ]}

proceso de tratamiento de agua

La floculación y la sedimentación se emplean ampliamente en la purificación del agua potable , así como en el tratamiento de aguas residuales , aguas pluviales y aguas residuales industriales. Para el agua potable, los procesos de tratamiento típicos consisten en rejillas, coagulación, floculación, sedimentación, filtración granular y desinfección. ^{[ 16 ]} Los pasos de coagulación y floculación son similares, ya que provocan que las partículas se agreguen y se depositen fuera de la solución, pero pueden utilizar diferentes productos químicos o movimiento físico del agua. ^{[ 17 ]} Se pueden agregar diversas sales para ajustar el pH y actuar como agentes clarificantes , según la química del agua. Estas incluyen hidróxido de sodio , hidróxido de calcio , sulfato de aluminio , óxido de aluminio , sulfato férrico , cloruro férrico , aluminato de sodio , con coadyuvantes floculantes como cloruro de polialuminio y cloruro poliférrico . ^{[ 17 ]} También se utilizan diversos polímeros catiónicos , aniónicos y no iónicos , generalmente con un peso molecular inferior a 500 000. ^[¹⁷^] El cloruro de polidialildimetilamonio (poliDADMAC) y el epiDMA (un copolímero de epiclorhidrina y dimetilamina ) son opciones comunes, aunque pueden producir nitrosaminas cancerígenas . ^[¹⁷^] La arena, el carbón activado en polvo y la arcilla también pueden usarse como agentes nucleantes ; en algunos casos, se reutilizan después de la extracción. ^[¹⁷^]

Los biopolímeros, especialmente el quitosano , son cada vez más populares como floculantes ecológicos. ^{[ 18 ]} El quitosano no solo es biodegradable, sino que también presenta una capacidad única para unirse a una amplia gama de contaminantes, incluidos metales pesados y contaminantes orgánicos, eliminándolos eficazmente de las fuentes de agua. ^{[ 19 ]}

La floculación ofrece resultados prometedores para la eliminación de partículas finas y el tratamiento de las aguas pluviales procedentes de proyectos de construcción de infraestructuras de transporte, pero no es utilizada por la mayoría de los departamentos de transporte estatales de EE. UU. Esto puede deberse a restricciones normativas o a una guía insuficiente sobre los requisitos de muestreo de suelos en vista de las cambiantes características del suelo. Los estados que deben alcanzar un límite numérico de turbidez son más propensos a utilizar floculantes para garantizar el nivel de tratamiento adecuado. ^{[ 20 ]}

Defloculación

_La defloculación es lo opuesto a la floculación, a veces conocida como peptización . El silicato de sodio (Na₂SiO₃ ₎ es un ejemplo típico. Generalmente, en rangos de pH más altos , además de la baja fuerza iónica de las soluciones y el predominio de cationes metálicos monovalentes , las partículas coloidales pueden dispersarse. ^[²¹^] El aditivo que impide que los coloides formen flóculos se denomina defloculante. Para la defloculación inducida a través de barreras electrostáticas, la eficacia de un defloculante puede medirse en términos de potencial zeta . Según el Diccionario Enciclopédico de Polímeros, la defloculación es " un estado o condición de una dispersión de un sólido en un líquido en el que cada partícula sólida permanece independiente y no asociada con partículas adyacentes (de forma similar a un emulsionante ). Una suspensión defloculada muestra un valor de rendimiento nulo o muy bajo". ^[²¹^]

La defloculación puede ser un problema en las plantas de tratamiento de aguas residuales, ya que suele provocar problemas de sedimentación de lodos y deterioro de la calidad del efluente .

Véase también

Algacultura – Acuicultura que implica el cultivo de algas
Interacción arcilla-agua : diversas interacciones progresivas entre los minerales arcillosos y el agua.
Deposición (geología) – Adición natural de materiales a una masa terrestre.
Fuerza de agotamiento : fuerza efectiva en sistemas moleculares y coloidales.
Teoría DLVO : modelo teórico para la agregación y estabilidad de dispersiones acuosas (estabilidad de coloides).
Fluido de perforación , también conocido como lodo de perforación: ayuda para perforar pozos en el suelo.
Punto isoeléctrico : pH al cual una molécula no posee carga eléctrica neta.
Clarificador de lamelas : tipo de decantador diseñado para eliminar partículas de líquidos.
Agregación de partículas : Agrupación de partículas en suspensión.
Maduración de Ostwald : proceso por el cual los cristales pequeños se disuelven en una solución en beneficio de los cristales más grandes.
Agua de mar – Agua procedente de un mar o un océano
Ecuación de coagulación de Smoluchowski : ecuación de balance poblacional en física estadística.
Estructura del suelo : Disposición de las partículas y los espacios porosos del suelo.
Sinéresis (química) : Extracción o expulsión de un líquido de un gel.

Referencias

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