Flocculazione

Con il termine flocculazione si definisce il processo chimico-fisico di un sistema colloidale in cui la fase solida tende a separarsi formando dei fiocchi in sospensione.

Alla base del processo si verificano fenomeni di adsorbimento, mentre il pH, la temperatura e la forza ionica sono fattori ambientali che non solo influenzano fortemente la flocculazione, ma anche la formazione di aggregati, ovvero fiocchi in sospensione attraverso la precipitazione di elementi disidratati.

Il processo inverso della flocculazione è detto deflocculazione o peptizzazione. La flocculazione richiede una miscelazione delicata e l’utilizzo di un flocculante polimerico con peso molecolare elevato. Il flocculante adsorbe i fiocchi di dimensioni inferiori al micron e agevola la formazione di ponti interparticellari che riempiono gli spazi presenti tra un fiocco e l’altro.

L’avvicinamento reciproco delle particelle le porta a una distanza a cui le forze di attrazione di Van Der Waals sono efficaci per ridurre la barriera energetica di flocculazione; si formano dunque dei fiocchi debolmente aggregati. L’aggregazione, il legame e l’aumento progressivo della resistenza dei fiocchi proseguono fino alla formazione di fiocchi macroscopici visibili in sospensione.

Una volta raggiunto il livello corretto di peso, dimensione e resistenza, ha luogo la sedimentazione. I fiocchi macroscopici sono molto sensibili alla miscelazione e, una volta rotti da un’eventuale forza trasversale è difficile o impossibile che si riformino. La flocculazione avviene in modo naturale quando si formano i fiocchi di neve o i sedimenti sottomarini, ma viene anche deliberatamente provocata e utilizzata nei settori petrolifero, minerario, cartario e biotecnologico.

Pocesso di precipitazione

Flocculazione. Pocesso di precipitazione.

In chimica con il termine precipitazione si definisce il fenomeno della separazione di un soluto (detto precipitato, sotto forma di solido insolubile) da una soluzione.

Quando la concentrazione di soluto nel solvente supera il limite di solubilità (condizione di sovrasaturazione), il soluto inizia a cristallizzare. La cristallizzazione avviene in due fasi: nucleazione e accrescimento. La nucleazione consiste nella formazione di microcristalli di soluto, appunto dei “nuclei” di cristallizzazione, che rimangono in sospensione a causa delle loro dimensioni ridotte. Un ulteriore aumento della concentrazione del soluto provoca la formazione di nuovi nuclei e l’accrescimento dei nuclei già esistenti, che danno così origine a cristalli. I cristalli precipitano verso il fondo del recipiente dove la soluzione è contenuta e il loro accrescimento può continuare anche durante la discesa o dopo avere raggiunto il fondo.

È possibile che a causa di un’elevata sovrasaturazione, la nucleazione prevalga sull’accrescimento, formando in tal caso un colloide, che è inseparabile mediante ordinari mezzi fisici dal resto della soluzione. Una soluzione colloidale è piuttosto stabile. A causa della presenza del doppio strato elettrico attorno a ciascun microcristallo di soluto, ciascun microcristallo è circondato da particelle di carica uguale, per cui tali microcristalli si respingono e non hanno la possibilità di coalescere e rimangono dunque in sospensione.

Talvolta può capitare che con l’aggiunta di un elettrolita si vada incontro alla formazione di un precipitato fioccoso o caseoso. La formazione di un precipitato fioccoso viene detta anche coagulazione o flocculazione e avviene quando si forma una sostanza idrofila, quindi nel reticolo cristallino della sostanza vengono intrappolate molecole d’acqua. La formazione di un precipitato caseoso avviene invece quando si forma una sostanza idrofoba.

La precipitazione può essere indotta in due modi:

  1. modificando un parametro fisico (per esempio: diminuendo il volume del solvente per evaporazione, variando la temperatura della soluzione, per coagulazione di una soluzione colloidale per riscaldamento, eccetera);
  2. mediante aggiunta di opportuni reattivi che provocano la reazione di precipitazione.

Nelle equazioni chimiche il precipitato è evidenziato con una freccia che punta verso il basso (↓).

Processo di flocculazione

I bacini di flocculazione hanno generalmente forma rettangolare e possono essere:

  • a stadi: dove per raggiungere una maggiore efficienza la vasca viene suddivisa in diverse zone in serie nelle quali l’agitazione è progressivamente decrescente.
  • a canali: sono a flusso orizzontale, dove la vasca è suddivisa da setti trasversali a formare un canale la cui larghezza è man mano crescente in modo da ottenere una velocità del flusso man mano decrescente.

Affinché avvenga la flocculazione è necessario innanzitutto destabilizzare le cariche dei colloidi. Le particelle colloidali delle sospensioni, essendo normalmente caricate negativamente, richiedono di solito coagulanti ad azione cationica. Non è peraltro da escludere la possibilità di imbattersi in sospensioni formate da particelle cariche positivamente, come ad esempio nel caso del carbone, per cui possono necessitare anche coagulanti ad azione anionica.

La destabilizzazione delle cariche permette la formazione dei primi piccoli aggregati solidi (durante la coagulazione) che successivamente tenderanno a ingrossarsi per successivo adsorbimento di particelle fino alla formazione dei primi fiocchi (o “flocculi”) in sospensione.

Nel caso i processi di coagulazione e flocculazione debbano avvenire nella stessa vasca, durante la prima fase di coagulazione si può procedere con un’agitazione energica, ma dalla fase di flocculazione in poi si deve effettuare un’agitazione moderata e lenta (per evitare la rottura dei flocculi) fino alla sedimentazione del precipitato che verrà successivamente separato dall’acqua trattata.

Coagulazione

Il processo di coagulazione consiste nella destabilizzazione di particelle colloidali realizzata tramite l’aggiunta di un reagente chimico chiamato coagulante.

Le particelle più piccole sono in genere dotate di cariche superficiali negative che ne ostacolano l’aggregazione e la stabilizzazione. Gli agenti chimici coagulanti possono adsorbire le particelle e controbilanciare l’azione delle cariche.

L’introduzione di cariche di segno opposto consente alle particelle di restare unite e formare fiocchi di dimensioni inferiori al micron stabili in sospensione.

Affinché gli agenti chimici coagulanti si disperdano adeguatamente è necessaria una miscelazione rapida, che promuove le collisioni tra le particelle e la formazione di fiocchi di dimensioni inferiori al micron.

Applicazione dei coagulanti

I più utilizzati sono i coagulanti inorganici, come:

  • sali d’alluminio
    • solfato di alluminio Al2(SO4)3
    • cloruro di alluminio AlCl3
    • policloruri basici di alluminio Aln(OH)mCl3n-m
  • sali di ferro
    • cloruro ferrico FeCl3
    • solfato ferrico Fe2(SO4)3
    • solfato ferroso FeSO4
  • idrossido di calcio Ca(OH)2, detto “calce spenta”
  • ossido di calcio CaO, detto “calce viva”.

Tali sostanze dissociandosi liberano ioni Al3+, Fe3+, Ca2+ i quali combinandosi con le particelle colloidali le destabilizzano formando sostanze più voluminose che successivamente precipitano o potrebbero precipitare, insieme agli idrossidi di metalli (insolubili) che si formano durante la reazione.

L’idrossido di calcio viene utilizzato soprattutto per alzare il pH e rendere più basica l’acqua da trattare aumentando la concentrazione degli anioni idrossido OH presenti in soluzione. La reazione tra coagulante e l’acqua da trattare è influenzata dalla temperatura, ad esempio in acqua calda si verifica in pochi secondi ma per temperature minori di 4 °C la reazione è fortemente rallentata.

I diversi coagulanti inorganici presentano le seguenti caratteristiche:

  • Al2(SO4)3 è il reattivo più diffuso ed è efficace con un pH tra 6,5 e 7,5.
    La presenza di sodio o potassio nell’acqua influenza negativamente la coagulazione danneggiando il fiocco.
  • Il solfato ferrico Fe2(SO4)3 ha un comportamento simile a quello del cloruro ferrico FeCl3, presenta il vantaggio di essere meno corrosivo di FeCl3, ma ha lo svantaggio di disciogliersi lentamente ed essere molto costoso. È efficace con pH tra 4 e 6 e con pH tra 8,8 e 9,2 e con acque a bassa temperatura. Trova applicazioni anche nei trattamenti di decolorazione di acqua a basso pH, nella rimozione del manganese ad alto pH, riduzione della silice e nell’addolcimento alla calce.
  • Il cloruro ferrico FeCl3 ha lo svantaggio di essere corrosivo per i materiali ferrosi. È efficace con pH tra 4 e 11.
  • Il solfato ferroso FeSO4 è il più economico tra i coagulanti. È adatto per acque con pH elevato e con un sufficiente tenore di O2 necessario all’ossidazione dell’idrato ferroso in ferrico che risulta insolubile.

Flocculanti o coadiuvanti della flocculazione

Il processo di flocculazione viene indotto per mezzo dell’uso di flocculanti, sostanze di varia origine che esplicano la loro azione in valori di intervallo di pH ben definiti. Una temperatura sufficientemente alta, un aumento della forza ionica e una forte agitazione sono fattori che favoriscono la flocculazione.

I flocculanti, aggiunti in piccole dosi dopo i coagulanti, migliorano il rendimento del processo influendo soprattutto sulla rapidità di formazione dei fiocchi, sulle caratteristiche dei fiocchi (come dimensione e peso specifico) e sul conseguente miglioramento della velocità di sedimentazione dei fiocchi.

Le sostanze utilizzate come flocculanti sono numerose, come ad esempio la silice attivata, la sabbia fine silicea, la farina di diatomee, l’argilla, la bentonite, il carbone attivo in polvere, amidi, polisaccaridi e alginati, polimeri organici di sintesi come la poliacrilammide.

I flocculanti possono essere classificati in base a diverse caratteristiche come:

  • sostanze organiche o inorganiche;
  • naturali o di sintesi;
  • in base alla loro carica: ioniche (cationiche, anioniche o anfotere) o non ioniche (ma comunque polari).

I flocculanti sono in genere degli elettroliti inorganici o polielettroliti organici, tra cui:

  • Inorganici
    • silice attivata;
    • farina di diatomee;
    • bentonite.
  • Organici
    • polielettroliti di ammonio quaternario come N-alchilpolivinilpiridonio;
    • alginati;
    • derivati dell’amido e della cellulosa;
    • polimeri organici di sintesi.

I coadiuvanti più utilizzati sono i polielettroliti, oppure possono essere usati anche polimeri presentanti lungo la loro catena numerosi gruppi polari. Infatti, la presenza di gruppi ionici o di gruppi polari uniformemente distribuiti lungo la catena (di questi polimeri flocculanti) facilita l’aggregazione alla catena di più microfiocchi, formando dei fiocchi di maggiore dimensione.

Applicazioni della flocculazione

Il processo di flocculazione viene generalmente applicato negli impianti di trattamento e purificazione delle acque, sia grezze che reflue, e in particolar modo quando si intende eliminare particelle colloidali difficilmente sedimentabili o filtrabili. L’acqua da trattare viene fatta passare nella vasca di flocculazione dopo essere passata dalla vasca di coagulazione e prima di essere inviata alla vasca di sedimentazione.

Settore biofarmaceutico

I processi di distruzione delle cellule possono produrre una grande quantità di piccoli frammenti cellulari che intasano i filtri e riducono le velocità di filtrazione. La flocculazione viene utilizzata per provocare l’aggregazione di questi frammenti cellulari di dimensioni ridotte. Con la flocculazione è possibile garantire un flusso elevato nelle unità di filtrazione e una separazione efficace del materiale cellulare dal surnatante.

Prime fasi dell’estrazione di gas e petrolio

L’acqua usata proveniente da processi di estrazione di gas e petrolio può contenere quantità significative di particelle in sospensione, che spesso impiega molto tempo per sedimentarsi. La flocculazione accelera la sedimentazione e garantisce una separazione efficiente delle componenti solide da quelle liquide.

È quindi possibile trattare rapidamente elevati volumi di acqua usata, riducendo al minimo l’impatto ambientale diminuendo i terreni necessari per ospitare le strutture per lo stoccaggio dell’acqua usata.

Settore cartario

Le fibre di cellulosa sono una delle materie prime principali utilizzate nel settore cartario, che prevede anche l’uso di colla, agenti impregnanti e cariche (filler) per ottenere fogli con le caratteristiche necessarie per prodotti cartacei accettabili. La flocculazione è la fase di lavorazione fondamentale per unire fibre, cariche e altri additivi in modo tale che la disidratazione sia rapida e consenta la produzione di quantità elevate.

Estrazione di metalli preziosi

I flussi dei prodotti comprendono spesso un’ampia gamma di metalli diversi, che occorre separare per ottenere un prodotto puro. La precipitazione selettiva dei singoli metalli è generalmente accompagnata dalla flocculazione e dalla sedimentazione per garantire una rapida separazione dal liquido restante.

Chiariflocculazione

La chiariflocculazione è un processo di trattamento chimico-fisico applicato generalmente per la chiarificazione di acque contenenti un alto valore di solidi sospesi ed altre sostanze inquinanti, e consiste principalmente nella precipitazione di sostanze sospese non sedimentabili (e, se presenti in soluzione, anche le sostanze sedimentabili) che durante questo processo formano via via aggregati di maggiori dimensioni e di peso fino a costituire un precipitato che si deposita sul fondo del contenitore o della vasca utilizzati.

Fasi del processo di chiariflocculazione

All’acqua da trattare sono aggiunti normalmente dei prodotti chimici (coagulanti e flocculanti) che hanno lo scopo di agglomerare le sostanze presenti dapprima in microfiocchi e successivamente in veri fiocchi di idonee dimensioni che possono essere fatti precipitare (processo di sedimentazione) o portati in superficie (processo di flottazione) con lo scopo finale di ottenere un effluente chiarificato (eventualmente da affinare in sezioni successive di filtrazione o altre sezioni di postrattamento).

Questo processo permette la precipitazione di solidi sospesi colloidali non sedimentabili, e anche dei solidi sedimentabili molto fini, difficili da eliminare con un trattamento fisico semplice a causa della loro velocità di sedimentazione estremamente bassa che richiederebbe sedimentatori di notevoli dimensioni o un bisogno di permanenza troppo lungo nel sedimentatore. Con la chiariflocculazione si possono separare mediante precipitazione quasi tutte le particelle che causano la torbidità dell’acqua.

Il processo avviene nella maggior parte dei casi con il controllo e la regolazione del pH:

  • permette la chiarificazione delle acque trattate;
  • permette la precipitazione di alcuni metalli;
  • permette una riduzione parziale di COD e BOD;
  • permette la defosfatazione (rimozione del fosforo);
  • facilita la rimozione di oli e grassi (infatti, attraverso questo processo vengono rotte le emulsioni oleose disciolte nell’acqua da trattare consentendo il loro ritorno in superficie, per poi effettuare il trattamento di disoleatura dell’acqua).

Impieghi della chiariflocculazione

  • Potabilizzazione di acque di superficie.
  • Pre trattamento nella filtrazione, osmosi inversa nei settori civili e/o industriali.
  • Trattamento degli scarichi nei settori industriale e civili.
  • Post trattamento degli scarichi nei settori industriale e civili.

Bibliografia

  1. Precipitazione (chimica). Wikipedia. https://it.wikipedia.org/wiki/Precipitazione_(chimica)
  2. Chiariflocculazione. Wikipedia. https://it.wikipedia.org/wiki/Chiariflocculazione