Flokulacija

**Flokulacija** (**pahuljičenje**) i **koagulacija** su osnovni postupci u većem broju različitih područja, uključujući biokemiju, proizvodnju sira i guma, te obradu voda (pročišćavanje vode) i otpadnih voda. U postupcima obrade voda i otpadnih voda koagulacija i flokulacija su iznimno važni. Koagulacija je postupak izbijanja naboja koloidnih čestica. Jednom neutralizirane, čestice se više ne odbijaju jedna od druge i mogu ostati okupljene. Flokulacija je postupak okupljanja destabiliziranih ili koaguliranih čestica da bi se stvorile veće nakupine ili flokule. Bez koagulacije ne može nastupiti flokulacija, odnosno taloženje čestica, a samim postupkom koagulacije ne možemo praktički odstraniti koloidne tvari iz vode. Primarni flokulanti (koagulansi) su kemikalije ili supstance koje dodane u zadanu suspenziju ili otopinu da bi se postigla destabilizacija. Pomoćni flokulanti (koagulansi) su kemikalije ili supstance dodane u destabiliziranu suspenziju ili otopinu da ubrzaju flokulaciju ili da ojačaju flokule koje su se stvorile tijekom flokulacije. Proces bistrenja može se odvijati u horizontalnom bazenu ili uzvodnom akceleratoru. Da bi se uspješno obavio postupak koagulacije, potrebno je uraditi određene eksperimentalna mjerenja u laboratoriju.

## Bistrenje vode
Bistrenje vode obuhvaća postupke taloženja (sedimentacije), koagulacije, flokulacije i filtracije.

### Postupak koagulacije i flokulacije
Za koloidne sustave vrijedi da je veličina čestica disperzne tvari od 1 do 200 nm, dok je kod grubo disperznih sustava veličina istih tih čestica veća od 200&nbsp;nm. Zbog toga se koloidne tvari ne mogu vidjeti običnim mikroskopom, jer su im dimenzije manje od valne duljine svjetlosti (350-700&nbsp;nm). Koloidne tvari mogu se vidjeti posredno pomoću Tyndallovog učinka i optičkog mikroskopa. U prirodnim vodama mogu postojati **hidrofilne** (hidrofilne otopljene tvari su one koje voda privlači, pa se uslijed hidratacije brže otapaju u vodi - male organske molekule u stanicama: šećeri, organske kiseline i neke aminokiseline) i **hidrofobne čestice** (nisu topljive u vodi - lipidi i većina bjelančevina), ali uglavnom susrećemo hidrofobne koloidne čestice. Koloidne tvari su električki nabijene čestice čiji je električni potencijal u granicama od od 5 do 80 mV.

Većina prirodnih sirovih voda imaju hidrofobne koloidne čestice koje posjeduju negativne naboje. Potrebno je naglasiti da koloidne čestice imaju velik stupanj disperzije (usitnjenja), a time i ogromnu kontaktnu površinu (računa se po jedinici težine ili jedinici obujma). Brzina taloženja koloidnih čestica vrlo je mala, a može se računati prema Stokesovom zakonu.

### Primjer taloženja koloidnih čestica
Koloidna čestica kvarca ima promjer 10−7 m (100 nm), temperaturu 20 ˚C (293 K). Za takvu česticu brzina taloženja iznosi približno 10−6 cm/s. To znači da čestica može proći put taloženja od 1&nbsp;cm za 11,6 dana. Za put taloženja od 1 metar vrijeme taloženja iznosi oko 1 160 dana, a to približno iznosi 3,2 godine.

Koloidne čestice mogu se praktički odstraniti iz vode jedino povećanjem veličine čestice, odnosno povećanjem brzine padanja (taloženja) na oko 2 do 4 m/h. U svrhu povećanja veličine koloidnih čestica neophodno je izbijanje naboja do ± 5 mV, jer se u ovom području električki nabijene čestice mogu približiti do 100&nbsp;nm (10−7 cm), kada započinje djelovanje adsorpcijske sile (Van der Waalsova sile).

Izbijanje naboja koloidnih čestica zove se koagulacija, a rast skoro neutralnih čestica u veće nakupine (flokule) zove se flokulacija. Bez koagulacije ne može nastupiti flokulacija, odnosno taloženje čestica, a samim procesom koagulacije ne možemo praktički odstraniti koloidne tvari iz vode. Za odvijanje procesa koagulacije se doziraju soli aluminija i željeza (Al3+, Fe3+). Potrebne količine koagulanasa se kreću u rasponu od 10 do 50 grama po m<sup>3</sup> sirove vode. Nakon koagulacije spontano slijedi proces flokulacije. Međutim, u praksi je često potrebno ubrzavati proces stvaranja flokula dodatkom **polielektrolita** u količini 0,05 do 0,5 g/m3. Polielektroliti su najčešće organski spojevi, čije molekule se sastoje od dugačkih lanaca koji sadrže naboje. Molna masa tih lanaca kreće se u intervalu od 1 x 106 do 4 x 106 g/molu tvari.

## Primjena flokulacije

### Flokulacija emulzija
Emulzije nisu termodinamički stabilni sustavi već postoji mogućnost njihovog razdvajanja na faze. Prvi korak u razdvajanju je flokulacija koja podrazumijeva jednak broj i veličinu kapljica disperzne faze kao i u početnoj emulziji, ali one plivaju na površini disperznog sredstva (vrhnjenje) ili se talože na dno (sedimentacija). Sljedeći je korak koalescencija kod koje se pojedinačnih kapljice spajaju u veće nakupine, te to u konačnici uzrokuje cijepanje emulzije.

### Koloidna svojstva tla
Prisutnost koloida usko je povezana s veličinom čestica disperzne faze i njihovim istovrsnim električnim nabojem. U koloidnom sustavu gravitacijska sila teži taloženju raspršenih koloidnih čestica, dok suprotno djeluje odbojna sila istovrsnog naboja čestica i snaga difuzije, odnosno kinetička sila čestica koja ih pokreće u pravcu manje koncentracije. Sile gravitacije prevladavaju ako su čestice većeg promjera od 4 μm, (0,004&nbsp;mm) te se one tada talože i ne dolazi do nastanka koloidnog sustava.

### Proizvodnja sira
Pretvorba mlijeka u sir se sastoji od:
* Koagulacija i flokulacija (nastajanje trodimenzionalne proteinske mreže);
* Sušenje sirnog zrna;
* Zrenje sira.
Ovisno o primijenjenoj tehnologiji odnosno o ova tri koraka moguće je proizvesti vrlo široku lepezu različitih sireva. Kod većine sireva između 2. i 3. koraka koristiti se soljenje. Prve promijene na mlijeku tijekom koagulacije određuju osobine konačnog proizvoda. Stoga ih sirari moraju strogo kontrolirati.

### Proizvodnja piva
Brzina taloženja kvasca je važan čimbenik pri izboru kvasca. Boja taloga je često u ovisnosti od sladovine, jer, ako ova ima bjelančevine koje koaguliraju (flokulacija), stvara se kašasta masa prljavo-sivog taloga.

### Bistrenje vode
Bistrenje vode obuhvaća postupke taloženja (sedimentacije), koagulacije, flokulacije i filtracije. Glavnina problema kod smanjenja mutnoće, kao čestog nedostatka vode, vezana je uz prisustvo vrlo sitnih raspršenih čestica – koloida, dimenzija od 1&nbsp;nm do 1000 nm. Zbog istoimenih (negativnih) elektrostatičkih naboja koloidi se međusobno odbijaju i ostaju raspršeni u vodi. Zato je vrijeme potrebno za izdvajanje koloida iz vode, prvenstveno postupkom taloženja, uslijed njihove agregatne stabilnosti, praktički beskonačno. To je u tehnici pročišćavanja vode rezultiralo traženjem postupka remećenja stabilnosti koloida i mogućnosti njihovog kasnijeg međusobnog spajanja u veće čestice koje će se u vodi lakše taložiti. Takav postupak remećenja stabilnosti (destabilizacija) koloida u sirovoj vodi naziva se koagulacija ili zgrušavanje. Destabilizacija koloida se postiže dodavanjem vodi određenih kemijskih reagensa – flokulanata (koagulanata).

U praktične svrhe, kao neorganski flokulanti najčešće se koriste soli aluminija i željeza, tj. aluminijev sulfat, Al2(SO4)3 •18 H2O, poznatiji pod komercijalnim nazivom alaun, i željezni sulfat, FeSO4 • 7 H2O, tj. zelena galica. Još se dosta često koriste i kalcijev oksid, CaO (živo vapno), kalcijev hidroksid, Ca(OH)2 (gašeno vapno) i natrijev karbonat, Na2CO3 (soda). U suvremenoj tehnici pročišćavanja vode sve se više koriste organski koagulanti, **polielektroliti**, kao makromolekule dugačkog niza dobivene spajanjem prostih monomera.

Na proces flokulacije u znatnoj mjeri utječu kvaliteta sirove (prirodne) vode, količina i karakter suspendiranih koloida, potrošnja kisika, količina soli, pH vrijednost i temperatura vode. Stoga se vrsta i optimalna doza flokulanta određuje ispitivanjem izvorišne vode. Radi orijentacije, prosječna doza alauna za vodu mutnoće 40 [°NTU] iznosi 25 do 35&nbsp;mg/l, dok za mutnoću od 400 [°NTU] prosječna doza alauna iznosi 60 do 90&nbsp;mg/l.

Flokulant se u vodu dodaje u obliku otopine. Zato postoje posebni uređaji za pripremu otopine i njeno doziranje – dozatori, koji otopinu koagulanta doziraju u funkciji mutnoće vode (čije vrijednosti mogu u relativno kratkom vremenu znatno oscilirati). Danas je postupak doziranja potpuno automatiziran, tako da se vodi automatski, ovisno o mutnoći i protoku, dodaje prethodno definirana optimalna doza flokulanata.

#### Miješanje
Da bi zgrušavanje bilo što korisnije, potrebno je odmah nakon dodavanja flokulanata osigurati njegovo snažno (turbulentno) miješanje sa sirovom vodom. To se postiže u posebnim objektima (bazenima) – mješačima, u kojima se voda zadržava do 5 minuta. Obično se primjenjuju dvije vrste mješača:
* gravitacijski mješači (mješači s gravitacijskim miješanjem),
* mehanički mješači (mješači s mehaničkim miješanjem).

#### Akcelator
Kapacitet ovih uređaja kreće se u granicama od 1 do 5000 m<sup>3</sup>/h. Flokulanti (koagulansi) se dodaju u cjevovod tj. komoru za miješanje, u uvjetima turbulentnog strujanja. Proces koagulacije i flokulacije odvija se u taložnicima ili akcelatorima, gdje je vrijeme boravka vode (retencija) oko 2 sata. Brzina strujanja vode u smjeru odozdo prema gore kreće se u granicama od 2 do 4 m/h, što ovisi o sastavu vode, onečišćenju i temperaturi. U akcelatoru se ulazna sirova voda mješa s muljem kako bi se ubrzao postupak flokulacije. Za dobar učinak flokulacije važno je imati uvijek izvjesnu količinu aktivnog mulja koji služi kao lebdeći muljni filter.

#### Uređaji za doziranje sredstva za flokulaciju
Ukoliko se sredstvo za flokulaciju (koagulaciju) nabavlja u kristalnom obliku kao aluminijev sulfat, potrebno je imati uređaj za pripremu odgovarajuće otopine. Ovisno o veličini uređaj će biti u u izvedbi za manja ili za veća postrojenja.

Uređaji za doziranje sredstva za flokulaciju za manja postrojenja mora biti zaštićeni od korozijskog djelovanja otopine flokulanata (pH vrijednost ~ 3).

Uređaji za doziranje sredstva za flokulaciju za veća postrojenja imaju kapacitet od 50 do 2000 m3/h. U bazenima se priprema 10%-tna otopina aluminijevog sulfata. Uglavnom su od betona čije površine se prevlače kiselootpornim premazom ili poliesterom.

### Deflokulacija
Deflokulacija je sposobnost, koju detergent mora imati, a sastoji se u tome, da čvrste tvari rastvori i dispergira po cijeloj rastopim, a važno je, da ih u takvom stanju i održi. To svojstvo može spriječiti, da se tvrdi djelići ne talože, a to je osobito važno kod upotrebe alkalija u tvrdoj vodi.

## Izvori