Antes de considerar las propiedades y usos de los polielectrolitos, definiremos los que se entiende por polielectrolitos. Originalmente este término fue utilizado por Raymond M. Fuoss para definir polímeros orgánicos que podrían ser transformados en moléculas de grandes cadenas con regiones ionizadas a lo largo de su cadena.

El término polímero es dado a una cadena de subunidades que se unen para formar una gran molécula. Algunos polímeros contienen subunidades iguales a lo largo de toda la molécula, en este caso son llamados homopolímeros. Otros con subunidades diferentes en la misma molécula son llamados copolímeros.

Estas subunidades son llamadas monómeros, dado que tanto el número como el tipo de monómeros pueden variar grandemente en la formación de una molécula, podrá ser producida una gran variedad de tipos polímeros. Las cadenas de polímeros pueden ser lineales o ramificadas, pudiendo inclusive producir grupos ionizables. En este caso, debido a sus características como polímeros y como electrolitos, estos productos son llamados polielectrolitos.

Su uso generalizado en el tratamiento de agua es relativamente reciente, el proceso ya era bastante antiguo, pero fue empírico durante mucho tiempo. Algunos de estos compuestos han demostrado ser excelentes auxiliares en la floculación, siendo incluso llamados “polímeros floculantes”.

Antes de la introducción de los polímeros naturales y sintéticos no había competidor serio para la sílice activada, como auxiliar de floculación.

Algunos compuestos orgánicos naturales fueron utilizados como auxiliares de coagulación tales como el almidón y sus derivados, compuestos de celulosa, gomas de polisacáridos y materiales proteicos. Actualmente es bastante claro porque muchos de estos compuestos naturales son usados como auxiliares de floculación pues no son más que polielectrolitos naturales.

La ventaja de los polielectrolitos sintéticos sobre los naturales es que su molécula puede ser hecha sobre medida para atender requisitos específicos. Esto, de hecho, ha sido observado usándose varios monómeros o unidades de diferentes grupos iónicos, polimerizándose estos materiales y produciéndose una gran variedad de compuestos.

Todos los polielectrolitos sintéticos pueden ser clasificados en base al tipo de carga de la cadena del polímero. Por lo tanto, los polímeros que tienen cargas positivas son llamados catiónicos, los compuestos que no poseen carga alguna son llamados polielectrolitos no iónicos y los polímeros que contienen carga negativa son llamados aniónicos.

Debido a la gran variedad de monómeros disponibles como materia prima y a la adicional variedad que puede ser obtenida variando el peso molecular, carga, densidad y grupos ionizables, no es de sorprender la gran cantidad de polielectrolitos disponibles para el tratamiento de agua.

El mayor beneficio que un polielectrolito puede proporcionar es el aumento del tamaño y de la densidad del floc formado.

En general, los poliectrolitos aniónicos se comportan simplemente como auxiliares de floculación, los cuales modifican las características físicas del floc producido por los coagulantes de hierro y/o aluminio. Estos han demostrado que la eficiencia de estos polielectrolitos es casi independiente del pH, alcalinidad, dureza y turbidez.

Los polielectrolitos catiónicos pueden ser utilizados inclusive como coagulantes primarios eliminado el uso de los coagulantes de aluminio o de hierro. La remoción del barro es prácticamente total. Los dosajes óptimos de los catiónicos son siempre mayores que la de los aniónicos, así como de los no iónicos.

Los polielectrolitos no iónicos son utilizados solamente como auxiliares de floculación y su aplicación es eficiente después de la adición de los coagulantes de aluminio o de hierro.

La utilización de los auxiliares de coagulación tiene gran valía cuando la floculación se torna difícil debido a la variación de la calidad del agua o por causa de las variaciones de temperaturas.

Tal como la sílice activada, la adecuada adición de polielectrolitos varía con el tipo de agua. Generalmente el polímero es adicionado como solución diluida con un coagulante de aluminio o hierro.

Es necesario una mezcla rápida para obtener una rápida dispersión del coagulante y del polímero. En algunos casos puede ser benéfico el uso de dos tipos de polielectrolitos, uno aniónicos y otro catiónico, cada uno deber ser dosificado separadamente y sus dosajes serán controlados por medidas de potencial Zeta.

En general los polímeros catiónicos funcionan bien cuando son aplicados después del punto de aplicación del coagulante principal, mediante una mezcla rápida para dispersar el polímero en el agua bruta, 30 a 60 segundos de mezcla son suficientes. Hubo casos en que se obtuvo resultado positivo, sin mezcla rápida, aunque nos son comunes.


Teoría y mecanismos de los polielectrolitos como auxiliares de floculación.

Antes de introducirnos a la teoría del mecanismo de los polielectrolitos como coagulantes de coloides, resumiremos las propiedades de los coloides propiamente dichos.

Es bastante conocido que la mayoría de los coloides naturales están negativamente cargados y que esta carga es la principal responsable por su estabilidad.

Las partículas coloidales son tan pequeñas que no se sedimentan apreciablemente por la acción de la gravedad. Se ha estimado que partículas coloidales demoran 21 años para decantar una distancia de 10 cm.
Obviamente, si varias partículas coloidales se aglomeraran formando una de tamaño mayor, la velocidad de sedimentación aumentará.

Los coloides contienen grupos ionizables en su superficie o suficientemente próximos a su superficie para ocasionar la difusión de los iones de signo contrario en el medio de la masa líquida, dejando por lo tanto una carga residual en la superficie de la partícula. Dado que la mayoría de estos grupos ionizados están cargados negativamente, los coloides también están negativamente cargados.

Las partículas coloidales pueden ser aglomeradas fácilmente mediante una carga lo suficientemente grande que permita vencer la repulsión entre ellas para que las mismas lleguen a estar unas de otras lo suficientemente cerca y permitir que las fuerzas de atracción de Van der Vaals las mantengan unidas.

Está comprobado que la simple aplicación de energía al agua para conseguir tal intento no es suficiente, de allí la necesidad de otros medios para conseguir la aglomeración de las partículas.

Hay básicamente dos teorías que se aplican para la explicación del mecanismo de la coagulación de coloides; la teoría química que se basa en la interacción puramente químicas y la teoría física, basada en interacciones físicas.

La teoría química visualiza los coloides como partículas con estructuras químicamente definidas que reaccionan específicamente con los coagulantes formando complejos insolubles que se precipitan.

La teoría física se basa en la reducción efectiva de las cargas eléctricas de las partículas, permitiendo que las mismas se aproximen facilitando el choque entre ellas formando finalmente una partícula de mayores dimensiones, capaz de sedimentar en tiempos cortos.

Un sistema coloidal no tiene un saldo de cargas eléctricas. Las cargas eléctricas de los coloides están balanceadas por un número igual de iones de cargas contrarias en la solución, En la interfase entre solución y particular coloidal existe un potencial eléctrico.

Los iones contrarios son atraídos por la interfase proporcionalmente a la magnitud de la carga. La distribución de los iones contrarios en la solución es función del número de iones opuestos que está disponibles.

La carga en estas partículas no puede ser medida directamente pues parte de la carga de iones contrarios se mueven junto con la partícula en el medio de la masa líquida, por energía térmica, diferencia de potencial o cualquier otro efecto existente en el sistema.

La medida indirecta de estas cargas se conoce como Potencial Zeta.

Este es el potencial que puede ser medido a través del potencial en la superficie de la partícula. La distribución de este potencial es influenciada por la concentración de iones contrarios en la solución.

De esto se puede decir que iones polivalentes son más eficientes que los iones monovalentes debido a la creación de una mayor densidad de carga eléctrica próxima a la superficie cargada de la partícula coloidal. Schulze y Hardy hicieron una interesante observación que se tomó una regla que relaciona poder de coagulación con cargas iónicas.

Un ion divalente es 50 a 70 veces más eficiente en la neutralización de la partícula coloidal que un ion monovalente y un ion trivalente es 600 a 700 veces más eficiente que un monovalente.

A fin de comprender bien la acción de los polielectrolitos sobre los coloides, es necesario combinar las dos teorías, física y química y formar la teoría más completa de la desestabilización de las partículas coloidales.

En efecto, ha sido verificado que un único mecanismo de neutralización de las cargas ha sido ineficaz en explicar la coagulación de coloides en agua. Varias excepciones ocurren cuando se intenta explicar el fenómeno desde un único punto de vista.

Por ejemplo, ha sido frecuente asignar la mayor eficiencia de coagulación de iones Fe +++ o Al +++ en aguas con potencial Zeta próximos, muy raramente iguales a cero. ¿Cómo explicar en base al simple modelo electrostático la desestabilización de coloides cargados negativamente a través de adición de solución de polielectrolitos aniónicos?

Actualmente la mejor explicación del mecanismo de coagulación por polielectrolitos es basada en la absorción del polímero en la superficie de la partícula coloidales y el polielectrolito.

Estos dos mecanismos no son fáciles de ser diferenciados en el proceso, ya que los dos factores físico y químico actúan en forma conjunta, se interaccionan. La atracción de las partículas del polímero a la superficie de los coloides puede ser vista predominantemente como propiedad química o una simple propiedad física.

Los polielectrolitos orgánicos por su compleja naturaleza tienden a ser relativamente insoluble en agua debido a sus largas cadenas orgánicas que son hidrófobas, aunque no en forma completa ya que posee zonas ionizables o zonas parcialmente cargadas dentro del polímero. Estas zonas de la molécula son atraídas por la fase acuosa, generando un desenrollado de la molécula y un enganche en las partículas coloidales.

Después de la absorción inicial del polímero, la cadena puede además enrollarse alrededor del coloide. Esto ocurre cuando la cadena del polímero es bastante comprimida y no alcanza a extenderse en el seno de la solución.

Cuando existieren altas concentraciones de polielectrolitos, los coloides en estas circunstancias podrán restablecer su estabilidad inicial.

Las partes de las cadenas extendidas podrán interaccionar con otras cadenas u otras partículas. Si la partícula captada es de carga opuesta a la de la cadena, habrá neutralización de cargas.

Esto permitirá a las partículas parcialmente desestabilizadas o neutralizadas aproximarse lo suficiente para que los centros de atracción de Van der Vaals, entre partículas coloidales o entre coloide y polímero o entre polímeros, pueda unirlos.
Estas interacciones resultan en la aglomeración de las partículas y en la desestabilización de los coloides y su consecuente sedimentación.

De esta manera la desestabilización de los coloides negativamente cargados con polielectrolitos aniónicos y no iónicos se puede explicar de manera coherente.

Cuando la energía de absorción excede la energía de repulsión el fenómeno de absorción será predominante.