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IUPACの定義[1]
凝集（高分子科学）：粒子が物理的に接触していない凝集体の可逆的な形成。
凝集（高分子科学以外）
、凝固（高分子科学以外） 、
凝集（高分子科学以外）
分散した分子または粒子が弱い物理的相互作用によって結合し、最終的にコロイドサイズよりも大きい沈殿物の形成によって相分離につながる接触および接着のプロセス。
- 凝集とは対照的に、凝集は可逆的なプロセスです。
- ここで提案されている定義は、凝集と凝集を区別するために推奨されます。凝集体を構成する粒子は、再び分散することができます。
- この引用はパープルブック（ポリマー用語と命名法の概要：IUPAC勧告、2008年）からのものです。 [2]
コロイド化学において、凝集とは、コロイド粒子が自然に、または清澄剤の添加により、懸濁液からフロックまたはフレークの形で沈殿するプロセスです。凝集前のコロイドは、安定した分散液（内部相（固体）が機械的撹拌によって外部相（流体）全体に分散している）の形で単に懸濁しているだけで、溶液に完全に溶解していないという点で、沈殿とは異なります。
凝固と凝集は発酵と水処理における重要なプロセスであり、凝固は凝固剤とコロイド間の化学反応を通じて粒子を不安定化させて凝集させることを目的とし、凝集は不安定化した粒子を凝集させてフロック状に沈殿させることを目的とします。[説明が必要]
用語の定義
IUPACの定義によれば、凝集とは「分散液中の粒子が接触して接着し、より大きなサイズのクラスターを形成するプロセス」である。凝集は凝集および凝固/合体と同義である。[3] [4]
基本的に、凝固とは、安定化した荷電粒子を不安定化させるために凝固剤を加えるプロセスです。一方、凝集とは、凝集を促進し、粒子の沈降を助ける技術です。最も一般的に使用される凝固剤は、ミョウバン、Al 2 (SO 4 ) 3 ·14H 2 O です。
化学反応は次のようになります。
- Al 2 (SO 4 ) 3 · 14 H 2 O → 2 Al(OH) 3 (s) + 6 H + + 3 SO2−4
...+ 8 H2O
凝集の際、穏やかな混合により粒子の衝突速度が加速され、不安定化した粒子はさらに凝集して絡み合い、より大きな沈殿物になります。凝集は、混合せん断と強度、時間、pHなど、いくつかのパラメータの影響を受けます。混合強度と混合時間の積は、凝集プロセスを説明するために使用されます。
ジャーテスト
凝集剤の投与量と選択を決定するプロセスはジャーテストと呼ばれます。ジャーテストに使用される装置は、それぞれパドルミキサーを備えた1つまたは複数のビーカーで構成されています。凝集剤を追加した後、急速混合が行われ、その後ゆっくりと混合され、その後沈殿プロセスが行われます。その後、各ビーカーの水相からサンプルを採取できます。[5]
アプリケーション
表面化学
コロイド化学において、凝集とは微粒子が凝集してフロックを形成する過程を指します。フロックは液体の上部に浮かぶか（クリーミング）、液体の下部に沈むか（沈降）、液体から容易に濾過されます。土壌コロイドの凝集挙動は淡水の水質と密接に関係しています。土壌コロイドの高い分散性は周囲の水の濁りを直接引き起こすだけでなく、河川や湖沼、さらには海中の船の栄養物質の吸着による 富栄養化も引き起こします。
物理化学
エマルジョンの場合、凝集とは、分散した個々の液滴が集まってクラスターを形成することを指しますが、個々の液滴は、その個性を失っていません。[6]凝集は、エマルジョンのさらなる熟成（液滴の凝集と最終的な相の分離）につながる最初のステップです。凝集はミネラルドレッシングに使用されていますが、[7]食品や医薬品の物理的特性の設計にも使用できます。[8]
医療診断
医療研究室では、凝集は迅速血漿レアギン試験などの様々な診断検査で用いられる中核原理である。[9]
土木工学・地球科学
土木工学および地球科学において、凝集とは粘土、ポリマー、またはその他の小さな荷電粒子が付着して脆弱な構造、つまりフロックを形成する状態を指します。分散粘土スラリーでは、機械的撹拌が停止すると凝集が起こり、分散粘土小板は負の表面電荷と正のエッジ電荷の間の引力により自発的にフロックを形成します。
生物学
凝集はバイオテクノロジーの分野では、生物学的飼料の効率を高めるために、精密濾過と組み合わせて使用されています。バイオリアクターに合成凝集剤を加えると、平均粒子サイズが大きくなり、精密濾過の効率が向上します。凝集剤を加えないと、ケーキが形成されて蓄積し、細胞生存率が低下します。細胞は一般に負に帯電しているため、正に帯電した凝集剤は負に帯電したものよりも効果的です。[10]
チーズ産業
凝集は、チーズ製造の初期段階でカード形成の進行を測定し、カードがどのくらいの時間固まる必要があるかを判断するために広く使用されています。[11]レンネットミセルを含む反応は、スモルホフスキーの速度論によってモデル化されています。[11]牛乳のレンネット化中に、ミセルは互いに接近して凝集することがあります。このプロセスでは、分子とマクロペプチドの加水分解が行われます。 [12]
チーズ廃水処理でも凝集法が利用される。主に3種類の凝集剤が使用される。[13]
醸造
醸造業界では、凝集は別の意味を持ちます。これは、ビール製造中の発酵において細胞がマクロな凝集塊を形成する非常に重要なプロセスです。これらの凝集塊により、酵母は沈殿するか、発酵の最後に発酵槽の上部に浮上します。その後、酵母は発酵槽の上部 (エール発酵) または下部 (ラガー発酵) から収集 (切り取る) され、次の発酵に再利用されます。
酵母の凝集は、カルシウム濃度によって部分的に決まり、多くの場合50～100ppmの範囲です。[14] カルシウム塩を加えると凝集を引き起こすことができますが、リン酸を加えて不溶性のリン酸カルシウムを形成したり、過剰な硫酸塩を加えて不溶性の硫酸カルシウムを形成したり、EDTAを加えてカルシウムイオンをキレート化したりすることで、カルシウムを除去することでプロセスを逆転させることもできます。コロイド分散液の沈降に似ているように見えますが、メカニズムは異なります。[15]
水処理プロセス
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凝集と沈殿は、飲料水の浄化のほか、下水処理、雨水処理、産業廃水の処理にも広く利用されている。飲料水の場合、一般的な処理プロセスは、格子、凝固、凝集、沈殿、粒状濾過、消毒から構成される。 [16]凝固と凝集のステップは似ており、粒子を凝集させて溶液から落としますが、異なる化学物質や水の物理的移動を使用する場合があります。[17]水の化学組成に応じて、pHを調整し、清澄剤として機能させるために、さまざまな塩を加えることができます。これらには、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、硫酸アルミニウム、酸化アルミニウム、硫酸鉄(III)、塩化鉄(III ) 、アルミン酸ナトリウム、凝集助剤のポリ塩化アルミニウム、ポリ塩化鉄(III )が含まれ[17] 様々なカチオン性、アニオン性、非イオン性のポリマーも使用され、典型的には分子量が500,000未満である。[17]ポリジアリルジメチルアンモニウムクロリド（ポリDADMAC）とエピDMA（エピクロロヒドリンおよびジメチルアミンの共重合体）は一般的な選択肢であるが、これらは発がん性ニトロソアミンを生成する可能性がある。[17]砂、粉末活性炭、粘土も核剤として使用されることがあり、場合によっては抽出後に再利用される。[17]
バイオポリマー、特にキトサンは環境に優しい凝集剤としてますます人気が高まっています。[18]キトサンは生分解性であるだけでなく、重金属や有機汚染物質を含む幅広い汚染物質と結合し、それらを水源から効果的に除去する独自の能力を発揮します。[19]
凝集剤は、交通建設プロジェクトからの微粒子の除去や雨水流出の処理に有望な結果をもたらしますが、米国のほとんどの州交通局では使用されていません。これは、土壌特性の変化を考慮した土壌サンプル採取要件に関する規制上の制限または不十分なガイダンスが原因である可能性があります。数値的な濁度制限を達成する必要がある州では、適切な処理レベルを確保するために凝集剤を使用する傾向があります。[20]
脱凝集
解膠は凝集の反対で、解膠とも呼ばれる。ケイ酸ナトリウム（Na 2 SiO 3）が典型的な例である。通常、高pH範囲では、溶液のイオン強度が低く、一価金属カチオンが優勢であることに加えて、コロイド粒子は分散することができる。[21] コロイドが凝集するのを防ぐ添加剤は、解膠剤と呼ばれる。静電バリアを介して付与される解膠の場合、解膠剤の効力はゼータ電位で測定することができる。ポリマー百科事典によると、解膠とは「固体が液体中に分散した状態または条件であり、各固体粒子は独立しており、隣接する粒子と関連していない（乳化剤によく似ている）。解膠された懸濁液は、降伏値がゼロまたは非常に低い」とされている。[21]
脱凝集は、汚泥の沈殿や排水品質の劣化を引き起こすことが多いため、廃水処理場では問題となることがあります。
参照
- 藻類養殖 – 藻類の養殖を含む水産養殖
- 粘土と水の相互作用 – 粘土鉱物と水の間のさまざまな進行性相互作用
- 堆積（地質学） – 堆積物、土壌、岩石が地形や陸地に付加される地質学的プロセス
- 枯渇力 – 分子およびコロイド系における有効な力
- DLVO理論 – 水性分散液の凝集と安定性（コロイドの安定性）の理論モデル
- 掘削液、掘削泥とも呼ばれる – 地面にボーリングホールを掘るための補助具
- 等電点 – 分子が正味の電荷を持たないpH
- ラメラ清澄器 – 液体から微粒子を除去するために設計された沈殿器の一種
- 粒子凝集 – 懸濁液中の粒子の凝集
- オストワルド熟成 – 小さな結晶が溶液に溶解して大きな結晶に成長するプロセス
- 海水 – 海または海洋からの水
- スモルホフスキー凝固方程式 – 統計物理学における人口バランス方程式
- 土壌構造 – 土壌粒子と空隙空間の配置
- シネレシス（化学） - ゲルからの液体の抽出または排出
参考文献
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