Floculación: reacción, tipos, aplicaciones, ejemplos
La floculación es un proceso en el cual se produce la transformación de las suspensiones coloidales, estables por la presencia de cargas en la superficie de sus partículas, a una condición de inestabilidad que lleva a la agregación y sedimentación de las partículas en suspensión.
Durante la floculación se produce, debido a la agregación, un aumento considerable del tamaño de las partículas, volviéndose macroscópicas, visibles al ojo humano. Asimismo aumentan su peso, lo cual impide que se mantengan en suspensión, produciéndose su sedimentación.
Arriba se muestra una representación de lo que se entiende por floculación. Los flóculos tienden a mostrar formas de escamas, y no necesariamente lucir redondas. Este proceso se origina ya sea por agentes externos, como la adición de un agente floculante, o por la abrupta desestabilización de las partículas coloidales.
En algunos casos las partículas producidas por floculación flotan sobre la superficie en lugar de sedimentar. Esto se debe a la baja densidad de algunas de estas partículas.
La floculación tiene aplicaciones en la industria, pudiéndose mencionar su uso en las industrias de la cerveza, de la fabricación de alimentos, de la producción del papel, etc. Asimismo, la floculación se usa en otras actividades como la purificación y conservación del agua.
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El estado coloidal está formado por partículas en suspensión de pequeño tamaño que no forman aglomerados. Dichas partículas presentan cargas eléctricas sobre su superficie, las cuales desarrollan repulsiones electrostáticas entre las partículas vecinas. Por esta razón no pueden unirse en un principio.
Por lo tanto, son estas cargas eléctricas superficiales las que sustentan la estabilidad del estado coloidal y sus partículas, de modo que no haya sedimentación.
La coagulación ocurre mediante la adición de compuestos químicos que neutralizan las cargas sobre las partículas coloidales. El coagulante más usado es el alumbre, Al2(SO4)3·14H2O. Se dice por lo tanto que los coagulantes desestabilizan una partícula cargada eléctricamente.
La introducción de cargas eléctricas opuestas permite que las partículas se unan entre sí, formando los flóculos submicrométricos. Estos flóculos se caracterizan por su estabilidad al mantenerse en suspensión. Es decir, todavía no “rompen” el estado coloidal.
La floculación necesita que la mezcla sea suave, es decir, que se realice a bajas velocidades. Además, se requiere de la presencia de un floculante polimérico de alto peso molecular. Este floculante se dispone alrededor de un conjunto de flóculos submicrométricos, produciendo su acercamiento.
Los flóculos se unen entre ellos e incrementan sus interacciones regidas por las fuerzas de Van der Waals. De esta manera, pierden energía y el proceso de floculación continúa avanzando para dar lugar a los flóculos flojos.
Y luego, los flóculos flojos se agregan y fortalecen mutuamente hasta la formación de los macroflocs, los cuales son visibles en suspensión. Una vez que estos alcanzan el tamaño y peso correcto, se produce finalmente su sedimentación.
Hay dos tipos de floculación: la floculación pericinética y la floculación ortocinética.
Es la que ocurre gracias al movimiento browniano. Este tipo de floculación solamente afecta a las partículas de diámetro menores a un micrón. Por lo tanto, la floculación pericinética ocurre nada más al inicio del proceso de floculación.
Esta ocurre posteriormente a la floculación pericinética. Se genera por el movimiento de las partículas en todas direcciones y velocidades. Al haber mayor movimiento, aumenta la probabilidad de que las partículas interaccionen entre sí. Dichos movimientos son inducidos por una energía exterior a la masa del agua o disolvente.
Si bien la floculación es un fenómeno que se produce normalmente en la naturaleza, el hombre ha aprendido a utilizar este proceso para su beneficio. A continuación se mencionarán algunas de sus aplicaciones industriales.
Se le agregan al agua compuestos químicos conocidos como coagulantes. Estos coagulantes se unen a las partículas y compuestos químicos en suspensión, produciendo su agregación y posterior sedimentación bajo la forma de masas de sólidos conocidos como flóculos.
El compuesto químico más usado como coagulante es el sulfato de aluminio, aunque también se utilizan con este fin el aluminato de sodio y el sulfato férrico. Los flóculos formados se sedimentan, clarificándose el agua. Sin embargo, se requiere además de la filtración y de un tratamiento químico para potabilizar el agua.
Para la obtención de metales preciosos es necesario separarlos de otros metales y compuestos que los contaminan. Para ello, se utiliza la precipitación selectiva de los metales. Este proceso suele ir acompañado de la floculación y sedimentación de los metales deseados, así como de los contaminantes según sea el caso.
En la fermentación de la cerveza intervienen células, como la levadura, que forman flóculos macroscópicos. La levadura presente en estas partículas, puede sedimentar o flotar en la parte superior de los tanques de fermentación, donde puede ser recogida para reutilizarse en un nuevo ciclo de fermentación.
La floculación de la levadura depende de la concentración de calcio, requiriéndose una concentración de 50 – 100 ppm. Dicha floculación puede revertirse con un agregado de sulfato, fosfato o del agente quelante EDTA.
La floculación es un indicador de la evolución de la formación de la cuajada en las etapas iniciales de la elaboración del queso, señalando la floculación el tiempo de establecimiento de la cuajada. En ella, las micelas que la forman pueden interactuar entre sí y flocular.
Existen en los suelos coloides que al filtrarse hacia el agua produce su turbidez y el fenómeno de eutrofización. Este consiste en que los coloides son ricos en nutrientes que favorecen el crecimiento y proliferación de algunas especies animales y vegetales, lo que dificulta el desarrollo de otras especies.
La transformación y floculación de los coloides elimina su acceso a los ríos y lagos. Por lo tanto, mejora la calidad del agua.
La leche completa se calienta y al enfriarla se acumula sobre su superficie lípidos que forman una crema. Esta crema es producto de un proceso de coagulación y floculación de la leche. Posteriormente, se recoge la crema y se utiliza para la elaboración de la mantequilla.
Interviene la floculación durante la formación y precipitación de la nieve en forma de cristales.
En los cultivos de especies biológicas usadas en ciertas industrias, se tiene la generación de partículas que pudieran obstruir los filtros y el drenaje de los cultivos. La floculación al aumentar el tamaño de las partículas, deja entre ellas espacios a través de los cuales puede circular el líquido.
Asumiendo que los asfaltenos en los crudos petroleros se hayan en un estado coloidal, estos son capaces de flocular y sedimentar o precipitar. Muchos estudios sostienen que, al variar las condiciones naturales del crudo, se promueve la floculación de los asfaltenos, los cuales sedimentan como un barro pardo negruzco. Este “barro” o sólido representa innumerables problemas para la industria petrolera.
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