Koagulacja

Koagulacja – proces polegający na łączeniu się cząstek fazy rozproszonej koloidu w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze. Istnieje koagulacja odwracalna i nieodwracalna, a także spontaniczna i wymuszona. W wyniku koagulacji może następować zjawisko żelowania, tworzenia się past i materiałów stałych, sedymentacji lub pokrywania powierzchni mieszaniny warstwą fazy rozproszonej.

Typowe struktury koagulacyjne to dyspersje polimerów, niektóre rodzaje farb, tworzywa sztuczne, oraz produkty koagulacji białek, takie jak np. jogurt. Koagulacja białka występuje na skutek zniszczenia jego trzeciorzędowej struktury, prowadzącego do łączenia się rozpuszczalnych w wodzie białek w nierozpuszczalne strzępki i całkowitej utraty ich aktywności biologicznej. Koagulacja białek może następować pod wpływem temperatury lub czynników chemicznych (np. wysokiego stężenia soli, tzw. wysalanie).

W procesie oczyszczania ścieków za pomocą koagulacji uzyskiwany jest dość znaczny efekt np. redukcja BZT5 może osiągnąć 85%, a zawiesin do 90%. Z tego względu koagulację określa się jako pośredni stopień między oczyszczaniem mechanicznym a biologicznym. Ujemną stroną tego procesu jest powstawanie dużej ilości osadów, głównie o charakterze nieorganicznym. Koagulacja stosowana jest najczęściej do oczyszczania ścieków przemysłu włókienniczego, garbarskiego, chemicznego i innych, niekiedy jako proces wstępny przed oczyszczaniem biologicznym.

Przyczyny i mechanizm koagulacji

Układy koloidalne bywają nietrwałe, bo faza zdyspergowana ma bardzo silnie rozwiniętą powierzchnię, przez co cząstki zdyspergowane dążą do zmniejszenia swej powierzchni właściwej, więc cząstki koloidalne albo krystalizują, albo koagulują.

Łączenie się cząstek fazy rozproszonej zachodzić może pod wpływem dodatku elektrolitów, wszelkich wypełniaczy (bardzo rozdrobnionej fazy stałej), oraz działaniu temperatury lub na skutek reakcji chemicznych zachodzących w mieszaninie, pod wpływem działania czynników zewnętrznych.

Szybkość koagulacji uwarunkowana jest ruchami Browna, których intensywność jest warunkowana przez stężenie cząstek fazy rozproszonej i ich szybkością dyfuzji w cieczy, która z kolei jest silnie zależna od temperatury. Na kinetykę koagulacji wpływ również mają oddziaływania międzycząsteczkowe, które mogą być regulowane składem elektrolitów w układzie.

Istnieją dwa rodzaje trwałości układów koloidalnych – kinetyczna i agregacyjna. Trwałość kinetyczna związana jest z odpornością na koagulację pod wpływem działania siły. Przeciwdziałają jej ruchy Browna. Trwałość agregacyjna związana jest z odpornością układu na tworzenie większych agregatów.

Koloidy swą trwałość zawdzięczają odpychaniu cząstek, którego miarą jest tzw. potencjał dzeta. Gdy potencjał ten maleje, to szybkość koagulacji rośnie. Przy pewnym małym potencjale dzeta, zwanym potencjałem krytycznym, zaczyna się szybka koagulacja. W przypadku elektrolitów potencjał ten nie zależy od jego budowy chemicznej, ale od ich ładunku.

Koagulację mogą przyspieszać czynniki zewnętrzne, takie jak mieszanie, działanie ultradźwiękami, wirowanie. Koagulacja powodowana mechanicznymi czynnikami zewnętrznymi jest nazywana koagulacją wspomaganą. Z kolei koagulacja wywołana samymi ruchami Browna to tzw. koagulacja perikinetyczna.

Podczas koagulacji powolnej tylko część zderzeń, wynikających z ruchów Browna cząstek fazy rozproszonej prowadzi do ich łączenia się. W koagulacji szybkiej – wszystkie. Aby utworzyć agregaty, cząstki muszą mieć energię kinetyczną przewyższającą energię wynikającą z negatywnych oddziaływań międzycząsteczkowych.

Koagulacja pod wpływem elektrolitów

Koloidy liofilowe są stabilizowane przez tworzenie otoczek solwatacyjnych wokół rozproszonych cząstek. Działanie elektrolitu polega na rozrywaniu tych otoczek. Dodawanie elektrolitu do koloidu liofilowego to tzw. wysalanie. Wysalanie nie zawsze prowadzi do wytrącania stałych agregatów. Czasami powstają, wskutek koacerwacji, kropelki cieczy.

Reguła Hardy’ego-Schultzego, dotycząca koloidów liofobowych, stwierdza, że działanie koagulacyjne jonów posiadających ładunek podwójny jest 80 razy większe niż posiadających tylko jeden ładunek elementarny i ok. 640 razy mniejsze niż jonów z ładunkiem potrójnym.

Z praktycznego punktu widzenia elektrolity koagulujące dzieli się na szeregi. Wyróżnia się:

• Szeregi liotropowe, np:

Li⁺Na⁺<K⁺<NH₄⁺

W szeregu tym Li⁺ ma najsłabsze działanie koagulacyjne, a NH₄⁺ najsilniejsze.

• Szeregi Hofmeistera:, np:

Cl⁻>Br⁻>I⁻

Koagulacja wzajemna

Koloid liofobowy może być wytrącany przez dodatek innego koloidu liofobowego. Jest to tzw. koagulacja wzajemna. Jeżeli do koloidu liofobowego doda się liofilowego to występuje tzw. działanie ochronne, zapobiegające koagulacji. Wzrasta wówczas odporność układu na dodatek elektrolitu. Jeżeli jednak doda się za mało drugiego koloidu, to zajdzie uczulenie, czyli tzw. sensybilizacja.

Tzw. liczba złota – podaje najmniejszą ilość koloidu ochronnego w miligramach, która zabezpiecza 10 mililitrów 0,1% zolu złota w formaldehydzie. Zol ten posiada zdolność zmiany barwy z czerwonej na fioletową w trakcie jego koagulacji z użyciem 10% roztworu chlorku sodu.

Liczba rubinowa z kolei jest definiowana przez podobne zjawisko zachodzące w 0,01% roztworze wodnym czerwieni Kongo koagulowanej przed chlorek potasu.

Pasty jako szczególny rodzaj koagulatów

Agregaty powstające w czasie koagulacji tworzą złożone struktury, w których uczestniczy też faza ciągła. Między zagregowanymi cząstkami znajdują się warstewki ośrodka dyspersyjnego. Jeżeli wypełnienie jest lepkie, to cząstek nie można wymieniać między sobą – tak skoagulowane układy koloidalne to tzw. pasty. Gdy w trakcie koagulacji występuje rozrywanie warstewki cieczy, powstaje najpierw styk punktowy, a potem cząstki mogą się łączyć, a materiał stwardnieć. W takich warunkach mogą się też tworzyć wiązania chemiczne między cząstkami fazy rozproszonej co prowadzi do jej żelowania lub powstania materiału całkowicie stałego. Przykładami są cementy, betony, ceramika.

Pasty od struktur kondensacyjnych różnią się własnościami fizycznymi. Pasty ulegają dylatancji, odkształceniom plastycznym i sprężystym (tiksotropia). Struktury kondensacyjne pękają, kruszą się, ich struktura nie jest odnawialna jak w przypadku past, jednakże mają większą wytrzymałość na działanie sił mechanicznych. Nie ulegają odkształcaniu odwracalnemu.

Zobacz też

• flokulacja
• peptyzacja
• synereza (chemia)
• Aerofloc