ความเร็วในการตกตะกอน

ความเร็วในการตกตะกอนหมายถึงอัตราที่อนุภาคในสารแขวนลอยหรือสารละลายตกตะกอนภายใต้อิทธิพลของแรงโน้มถ่วงหรือแรงเหวี่ยง เมื่ออนุภาคถูกแขวนลอยในตัวกลางที่เป็นของเหลว อนุภาคเหล่านั้นมีแนวโน้มที่จะตกลงตัวเนื่องจากแรงโน้มถ่วงหรือแรงเหวี่ยงหนีศูนย์ที่ใช้ในเครื่องจักร เช่น เครื่องหมุนเหวี่ยง อัตราที่เกิดสิ่งนี้หรือที่เรียกว่าความเร็วของการตกตะกอนจะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ รวมถึงขนาดของอนุภาค ความหนาแน่น รูปร่าง และความหนืดของของเหลว

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อความเร็วของการตกตะกอน

ขนาดและรูปร่างของอนุภาค

โดยทั่วไปแล้วอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าและหนาแน่นกว่าจะตกลงตัวเร็วกว่าเนื่องจากแรงโน้มถ่วงที่กระทำต่ออนุภาคเหล่านั้นเพิ่มขึ้น รูปร่างของอนุภาคก็มีบทบาทเช่นกัน อนุภาคทรงกลมมีแนวโน้มที่จะจับตัวเร็วกว่าอนุภาคที่มีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ เนื่องจากอนุภาคทรงกลมมีความต้านทานการลากน้อยกว่าเมื่อเทียบกับอนุภาคที่ไม่ใช่ทรงกลม ทำให้สามารถเคลื่อนที่ผ่านของไหลได้เร็วขึ้น

ความหนืดของของเหลว

ของเหลวที่มีความหนืดสูงจะสร้างความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคได้มากขึ้น ส่งผลให้ความเร็วของการตกตะกอนลดลง ในกระบวนการทางอุตสาหกรรม การเลือกความหนืดที่เหมาะสมเป็นกุญแจสำคัญในการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการแยกและบรรลุอัตราการตกตะกอนที่ต้องการ

อุณหภูมิ

อุณหภูมิของของเหลวอาจส่งผลต่อทั้งความหนืดของของเหลวและพฤติกรรมการตกตะกอนของอนุภาค โดยทั่วไปอุณหภูมิที่สูงขึ้นจะลดความหนืด ซึ่งจะทำให้ความเร็วของการตกตะกอนเพิ่มขึ้น

แรงเหวี่ยง

ในการปั่นเหวี่ยง จะใช้แรงภายนอกอันทรงพลังเพื่อเพิ่มความเร็วของการตกตะกอน ความเร็วของเครื่องหมุนเหวี่ยง สนามโน้มถ่วง (แรง G) และรัศมีการหมุน ล้วนส่งผลต่อความเร็วที่อนุภาคจะตกลงในตัวแยกแบบหมุนเหวี่ยง ด้วยการปรับเปลี่ยนพารามิเตอร์เหล่านี้ อัตราการตกตะกอนจึงสามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมาก ทำให้การปั่นแยกเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการแยกสารอย่างรวดเร็ว

ความเร็วในการตกตะกอนในกระบวนการแยก

การตกตะกอนเป็นหนึ่งในเทคนิคการแยกที่เก่าแก่ที่สุดและตรงไปตรงมา ขึ้นอยู่กับความแตกต่างในความหนาแน่นของอนุภาคของแข็งและเฟสของเหลว ความแตกต่างนี้ทำให้อนุภาคเคลื่อนที่ลงและตกลงไปที่ด้านล่างของภาชนะ ในขณะที่สถานะของเหลวยังคงอยู่ด้านบน ความเร็วที่เกิดเหตุการณ์นี้ส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพและเวลาที่ต้องใช้ในการแยกสาร

ในการแยกทางอุตสาหกรรม การเพิ่มความเร็วของการตกตะกอนช่วยให้การประมวลผลเร็วขึ้นและการแยกที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ในกระบวนการต่างๆ เช่น การบำบัดน้ำเสีย ซึ่งจำเป็นต้องกำจัดตะกอนจำนวนมาก ความเร็วการตกตะกอนที่สูงช่วยให้มั่นใจได้ว่าสิ่งปนเปื้อนจะถูกแยกออกจากน้ำได้อย่างมีประสิทธิภาพในระยะเวลาอันสั้น

การหมุนเหวี่ยงเป็นกระบวนการทั่วไปที่ใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น การผลิตอาหารและยา ซึ่งการใช้แรงหมุนด้วยความเร็วสูงจะช่วยเพิ่มความเร็วของการตกตะกอนได้อย่างมาก การใช้เครื่องแยกแบบแรงเหวี่ยงสามารถเร่งกระบวนการแยกซึ่งอาจใช้เวลานานกว่ามากภายใต้สภาวะแรงโน้มถ่วงปกติ

แรงที่กระทำต่ออนุภาคในการตกตะกอน

แรงหลายแรงกระทำต่ออนุภาคในระหว่างการตกตะกอน โดยพิจารณาว่าอนุภาคจะตกตะกอนเร็วแค่ไหน:

แรงโน้มถ่วง (น้ำหนัก): แรงที่ดึงอนุภาคลงเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลก ซึ่งแปรผันตามมวลของมัน

แรงลอยตัว: แรงขึ้นซึ่งกระทำโดยของไหลที่ต้านแรงโน้มถ่วง ตามหลักการของอาร์คิมิดีส แรงนี้เท่ากับน้ำหนักของของไหลที่ถูกแทนที่

แรงลาก (ความต้านทาน): ความต้านทานที่อนุภาคประสบขณะเคลื่อนที่ผ่านของไหล แรงนี้ขึ้นอยู่กับขนาด รูปร่าง และความหนืดของของเหลว กฎของสโตกส์มักใช้เพื่ออธิบายแรงลากของอนุภาคขนาดเล็ก

ความสมดุลระหว่างแรงเหล่านี้เป็นตัวกำหนดความเร็วของการตกตะกอน เมื่อแรงโน้มถ่วงเท่ากับแรงลอยตัวและแรงลาก อนุภาคจะไปถึงความเร็วสุดท้ายหรือความเร็วของการตกตะกอน

การคำนวณความเร็วการตกตะกอน

ความเร็วของการตกตะกอนหรือความเร็วปลายสามารถคำนวณได้โดยใช้กฎของสโตกส์สำหรับอนุภาคทรงกลมขนาดเล็กในของเหลวหนืด:

ที่ไหน:
v คือความเร็วของการตกตะกอน (เป็น m/s)
r คือรัศมีของอนุภาค (หน่วยเป็นเมตร)
ρอนุภาคคือความหนาแน่นของอนุภาค (เป็นกิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร)
ρของไหลคือความหนาแน่นของของไหล (เป็นกิโลกรัม/ลูกบาศก์เมตร)
ηคือความหนืดไดนามิกของของไหล (ในหน่วยปาส)
g คือความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วง (9.81 m/s²)

สมการนี้สามารถใช้ได้กับอนุภาคทรงกลมขนาดเล็กที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่ำ (ตัวเลขเรย์โนลด์สต่ำ) สำหรับอนุภาคที่ไม่ใช่ทรงกลมหรือมีความเร็วสูงกว่า จำเป็นต้องมีแบบจำลองที่ซับซ้อนมากขึ้น

ทรัพยากร
เราช์, ดับเบิลยู. (2016) เทคโนโลยีการแยกอนุภาคในอุตสาหกรรมเคมีและเภสัชกรรม สำนักพิมพ์สปริงเกอร์อินเตอร์เนชั่นแนล
ฟลอตต์เว็ค เอสอี. (n.d.) ความเร็วการตกตะกอน – ภาพรวมและการคำนวณ สืบค้นจาก Wiki เทคโนโลยีการแยก Flottweg
โลว์เบิร์ก, เอ. (2009) พื้นฐานของการหมุนเหวี่ยง: ส่วนที่ 2 - การตกตะกอน สปริงเกอร์-แวร์ลัก เบอร์ลิน ไฮเดลเบิร์ก
คูโน, เอช. (2001) ทฤษฎีการเคลื่อนที่ของอนุภาคเบื้องต้นในของไหล สำนักพิมพ์ MIT.