Sedimentazione

La sedimentazione è un processo fisico che avviene sia naturalmente che in condizioni indotte, per il quale le particelle solide sospese in un liquido vengono separate per accumulo (chiamato infine sedimento) per effetti di un campo di forza (decantazione o sedimentazione per gravità) o centrifugazione (sedimentazione centrifuga) o anche per effetto di un campo elettrico (elettrodecantazione, elettroforesi e dielettroforesi).

In generale, e soprattutto nel trattamento delle acque, il processo di sedimentazione avviene dopo la coagulazione e la flocculazione ed è l’ultimo processo che precede la filtrazione.

Metodi e processi di sedimentazione

Presedimentazione

La sedimentazione può anche costituire un processo di pretrattamento di una emulsione o soluzione detto presedimentazione. In tal caso vengono rimosse le particelle sospese senza l’ausilio di sostanze chimiche che in genere rimuovono anche i batteri eventualmente presenti.

Sedimentazione libera e ostacolata

La sedimentazione può essere libera oppure ostacolata, si parla di sedimentazione libera nel caso di una singola particella in assenza di altre particelle circostanti (ovvero in condizione di diluizione infinita).

Mentre si parla di sedimentazione ostacolata nel caso di un insieme di particelle in un fluido, in cui la velocità di caduta di ogni particella viene ad essere influenzata dalla presenza delle particelle circostanti.

Decantazione

La decantazione (o sedimentazione per gravità) è un metodo fisico effettuato tramite apparecchi appositi, chiamati decantatori, che consentono la separazione delle fasi che compongono una miscela (solido-liquido, gas-solido, liquido-liquido immiscibili a diversa densità) o una sospensione basata sul processo della sedimentazione spontanea per effetto della forza di gravità.

Tale processo risulta quindi tanto più efficace quanto maggiore è la densità delle particelle in sospensione rispetto a quella del fluido che fa da solvente. Un altro parametro che influisce sulla decantazione è la dimensione delle particelle sospese. Più sono piccole meno la decantazione risulta efficace.

Apparecchiature per la decantazione: il decantatore

Un decantatore è un’apparecchiatura impiegata per la separazione mediante decantazione che può operare in modo discontinuo (statico) oppure in modo continuo (dinamico), costituito da vasche circolari con fondo piano o conico per agevolare lo scarico dei sedimenti (detti anche fanghi).

Nei decantatori il liquido da decantare (detto torbida) permane fino a completa sedimentazione. Il fluido così chiarificato in cima al decantatore, viene prelevato mediante tracimazione in appositi canali, e convogliato in una vasca dedicata, detta anche vasca delle acque chiare (disponibile a corredo del decantatore), mentre il fango alla base del decantatore si addensa e viene successivamente convogliato mediante pompa estrattrice.

I decantatori sono normalmente zincati a caldo, ma sono disponibili anche verniciati; inoltre possono essere realizzati sia in ferro che in acciaio inox.

Tipologie di decantatori

Decantatori statici. I decantatori (o chiarificatori/sedimentatori) statici si basano sul principio di gravità, permettendo alle particelle solide sospese di precipitare sul fondo della struttura. Sono disponibili, a corredo dei decantatori, accessori quali sensori e sistemi di controllo.

Decantatori dinamici. I decantatori (o chiarificatori/sedimentatori) dinamici sono pensati per le portate di fluido più grandi. Oltre al classico principio di gravità e tramite l’immissione di flocculanti, il decantatore dinamico è provvisto anche di un sistema di rastrellamento rotativo, che permette un più veloce addensamento del fango sul fondo della vasca.

Elettrodecantazione

L’elettrodecantazione è un fenomeno di stratificazione, a seguito di un processo di sedimentazione per effetto di un campo elettrico. Le apparecchiature che sfruttano questo fenomeno si chiamano elettrodecantatori.

L’elettrodecantazione trova applicazione in procedimenti industriali che fanno uso di dispersioni colloidali, come ad esempio la concentrazione del lattice di gomma.

Il processo di elettrodecantazione può essere spiegato come segue: una dispersione colloidale è posta all’interno di un elettrodecantatore che presenta delle membrane permeabili agli ioni e non ai colloidi; successivamente si applica un campo elettrico che induce la migrazione delle particelle colloidali verso l’elettrodo di carica opposta (elettrolisi), posizionato all’esterno della membrana che blocca le particelle colloidali, accumulandole su di essa e finendo per decantare sul fondo.

Elettroforesi

L’elettroforèsi (termine introdotto da Michaelis nel 1909 per indicare inizialmente la migrazione di particelle colloidali elettricamente cariche) è una tecnica analitica e separativa basata su di un fenomeno elettrocinetico, ossia, sul movimento di particelle elettricamente cariche immerse in un fluido, generato per effetto di un campo elettrico applicato mediante una coppia di elettrodi al fluido stesso.

In una cella elettrolitica, il catodo assume carica negativa mentre l’anodo assume carica positiva, per cui le particelle cariche del fluido sottoposto al campo elettrico si muovono verso l’elettrodo avente carica opposta rispetto alla carica propria; in particolare si spostano verso il catodo se hanno carica positiva e verso l’anodo se hanno carica negativa; nel primo caso il processo è detto cataforesi, nel secondo anaforesi.

In seno alla soluzione sottoposta al campo elettrico le particelle cariche possono migrare con velocità diversa, dipendentemente, oltre che dall’intensità del campo elettrico applicato, dalla loro carica, dalle loro dimensioni, dalle interazioni con le molecole del solvente e con gli altri ioni presenti nella soluzione, ed altri fattori che dipendono dalle caratteristiche e proprietà del fluido; per cui si vengono a formare zone a concentrazione differente che tendono però a essere eliminate dai moti convettivi e dai fenomeni di diffusione.

I procedimenti di elettroforesi sono comunemente impiegati per separare tra loro le particelle colloidali, o la fase dispersa dal mezzo disperdente di una soluzione colloidale; così le diverse tecniche che si basano sull’elettroforesi vengono largamente utilizzate in laboratorio per l’analisi e la separazione delle proteine del plasma o di altro liquido biologico. Queste avendo carattere anfotero, ossia le loro macromolecole, secondo il grado di acidità o di basicità della soluzione in cui si trovano, e cioè del pH di questa, ionizzano un numero maggiore o minore dei loro gruppi acidi o basici, assumendo quindi complessivamente un certo numero di cariche positive o negative e migrando quindi più o meno velocemente, in un senso o nell’altro, sotto l’azione del campo elettrico.

Per l’analisi delle proteine si utilizza generalmente l’elettroforesi zonale su supporto, che presenta tra l’altro il vantaggio di ridurre sostanzialmente i fenomeni di diffusione.

Tra le numerose applicazioni tecniche dell’elettroforesi, importanti sono la separazione dei polimeri naturali e sintetici dalle loro sospensioni acquose, l’eliminazione di goccioline d’acqua disperse negli oli minerali, il ricoprimento di oggetti di forma irregolare e la verniciatura di superfici metalliche, tecnica quest’ultima molto usata in campo automobilistico.

Un altro esempio di fenomeno elettrocinetico, simile all’elettroforesi, è l’elettrosmosi, in cui le sostanze presenti allo stato solido rimangono immobili, mentre quelle liquide migrano per effetto del campo elettrico applicato.

Dielettroforesi

La dielettroforesi (detta anche DEP, dall’inglese “dielectrophoresis”) è un fenomeno elettrocinetico per il quale una forza viene esercitata su una particella dielettrica quando è soggetta ad un campo elettrico non uniforme. Questa forza non richiede che la particella sia elettricamente carica.

Tutte le particelle esibiscono un’attività di tipo dielettroforetica in presenza di campi elettrici. Tuttavia, l’intensità della forza dipende molto dalle sue proprietà dielettriche e del mezzo, dalla forma della particella, la sua dimensione, e dalla frequenza del campo elettrico. Conseguentemente, campi con particolare frequenza oscillante possono manipolare le particelle con una buona selettività. Questo ha reso possibile ad esempio la separazione di cellule o l’orientazione e manipolazione di particelle nanometriche e nanofili.

Bibliografia

  1. R. Audubert, S. de Mende, Principles of Electrophoresis, Londra, 1959;
  2. M. Bier (a cura di), Electrophoresis: Theory, Methods, and Applications, New York, 1959;
  3. Autori Vari, Enciclopedia internazionale di chimica, Roma, 1971; L. P. Cawley, Elettroforesi e immunoelettroforesi, Padova, 1975.