Coagulazione: coagulanti, potenziale zeta

La chimica della coagulazione e della flocculazione è basata sulle interazioni attrattive o repulsive tra particelle cariche positivamente o negativamente
L’acqua, specie in superficie, contiene molte impurezze sotto forma di particelle disciolte o sospese. Nell’acqua possono trovarsi tre tipi di particelle ovvero:

1)      Sostanze chimiche disciolte

2)      Solidi colloidali

3)      Solidi sospesi

Le particelle disciolte, infatti, si presentano in forma ionica e possono contornarsi di molecole di acqua e, essendo stabili, non possono essere allontanate con questa metodologia.

I solidi colloidali non si sciolgono in acqua sebbene siano carichi elettricamente; non sono visibili all’occhio umano, ma solo con microscopi ad alta potenza e non possono essere separati per filtrazione. Esempi di solidi colloidali sono i batteri, il limo e le argille ed essi spesso conferiscono all’acqua una colorazione giallastra.

Le particelle sospese, di maggiori dimensioni e quindi visibili al microscopio, o, a volte ad occhio nudo,  possono essere separate ma in tempi molto lunghi. Esempi di particelle sospese sono sabbia e limo pesante.

La chimica della coagulazione e della flocculazione è basata sulle interazioni attrattive o repulsive tra particelle cariche positivamente o negativamente. La gran parte delle particelle presenti in acqua hanno carica negativa e tendono a respingersi reciprocamente.

L’effetto della maggior parte dei coagulanti è quello di neutralizzare le loro cariche negative e di evitare che tali particelle si respingano reciprocamente. La quantità di coagulante che deve essere adoperata dipende dal potenziale zeta che misura la quantità di carica elettrica intorno alle particelle colloidali.

Potenziale zeta

Un valore elevato di potenziale zeta conferisce maggiore stabilità ai sistemi colloidali, in quanto si originano repulsioni elettrostatiche che impediscono l’aggregazione delle particelle disperse.

Quando il potenziale è basso, le forze attrattive prevalgono sulle repulsioni e quindi risulta più semplice il verificarsi di processi quali la coagulazione e la flocculazione. I coagulanti pertanto sono carichi positivamente e pertanto attraggono le particelle colloidali cariche negativamente: la combinazione di particelle positive e negative danno una carica neutra e, si ottiene, come risultato che le particelle colloidali non esercitano azione repulsiva reciproca. La coagulazione è pertanto quel fenomeno tramite il quale le particelle colloidali vengono destabilizzate.

Una volta che le particelle presenti nell’acqua non si respingono più, la forza agente su di esse è quella di van der Waals che è quella relativa alla tendenza che hanno le particelle ad attrarsi benché prive di carica. Quando un numero sufficiente di particelle  si uniscono diventano un fiocco e possono essere allontanate dall’acqua.

Coagulazione e coagulanti

I coagulanti che vengono usati si dividono in due categorie:

1)      Coagulanti primari

2)      Aiuto-coagulanti

I coagulanti primari neutralizzano le cariche elettriche delle particelle e sono sempre usati nei processi di coagulazione-sedimentazione.

Gli aiuto-coagulanti aumentano la densità dei fiocchi con lo scopo di evitare la loro rottura durante la sedimentazione e vengono usati per ridurre il tempo di flocculazione.

I coagulanti possono essere costituiti da sali metallici o da polimeri.

A seconda della composizione dell’acqua si preferiscono coagulanti diversi, ma il più comunemente usato è il solfato di alluminio. Esempi di reazione di coagulazione sono i seguenti:

Al₂(SO₄)₃ + 3 Ca(OH)₃ → 2 Al(OH)₃ + 3 CaSO₄

Fe₂(SO₄)₃ + 3 Ca(OH)₂ → 2 Fe(OH)₃ + 3 CaSO₄

L’idrossido di alluminio e l’idrossido di ferro (III)  formano i fiocchi che precipitano.

Coagulanti primari

Si riportano i coagulanti primari e gli aiuto-coagulanti più comuni:

La coagulazione è influenzata dal pH, dalla temperatura, dal tempo, dalla velocità e dal potenziale zeta.