Sedimantasyon hızı

Sedimantasyon hızı, bir süspansiyon veya bulamaçtaki parçacıkların yerçekimi veya merkezkaç kuvvetlerinin etkisi altında çökelme hızını ifade eder. Parçacıklar sıvı bir ortamda süspanse edildiğinde, yerçekimi veya santrifüj gibi makinelerde uygulanan merkezkaç kuvvetleri nedeniyle çökelme eğilimi gösterirler. Sedimantasyon hızı olarak bilinen bunun meydana gelme hızı, parçacığın boyutu, yoğunluğu, şekli ve sıvının viskozitesi gibi çeşitli faktörlere bağlı olarak değişir.

Sedimantasyon Hızını Etkileyen Faktörler

Parçacık Boyutu ve Şekli

Daha büyük ve daha yoğun parçacıklar, üzerlerine etki eden artan yerçekimi kuvvetleri nedeniyle genellikle daha hızlı çöker. Parçacıkların şekli de bir rol oynar. Küresel parçacıklar düzensiz şekilli olanlara göre daha hızlı yerleşme eğilimindedir. Bunun nedeni, küresel parçacıkların küresel olmayanlara kıyasla daha az sürtünme direnciyle karşılaşması ve sıvı içinde daha hızlı hareket edebilmesidir.

Sıvı Viskozitesi

Daha yüksek viskoziteli sıvılar parçacık hareketine karşı daha fazla direnç oluşturarak sedimantasyon hızını azaltır. Endüstriyel proseslerde doğru viskozitenin seçilmesi, ayırma prosesinin optimize edilmesi ve istenen sedimantasyon hızına ulaşmanın anahtarıdır.

Sıcaklık

Sıvının sıcaklığı hem sıvının viskozitesini hem de parçacıkların çökelme davranışını etkileyebilir. Daha yüksek sıcaklıklar genellikle viskoziteyi azaltır, bu da sedimantasyon hızını artırabilir.

Merkezkaç Kuvveti

Santrifüjlemede sedimantasyon hızını arttırmak için güçlü bir dış kuvvet uygulanır. Santrifüjün hızı, yerçekimi alanı (G-kuvveti) ve dönme yarıçapının tümü, parçacıkların santrifüjlü ayırıcıya ne kadar hızlı yerleştiğini etkiler. Bu parametrelerin değiştirilmesiyle sedimantasyon oranları önemli ölçüde artırılabilir ve bu da santrifüjlemeyi hızlı ayırma için güçlü bir yöntem haline getirir.

Ayırma Proseslerinde Sedimantasyon Hızı

Sedimantasyon en eski ve basit ayırma tekniklerinden biridir. Katı parçacıkların ve sıvı fazın yoğunluk farkına dayanır. Bu fark, parçacıkların aşağıya doğru hareket etmesine ve kabın dibine yerleşmesine, sıvı fazın ise yukarıda kalmasına neden olur. Bunun gerçekleşme hızı, ayırma için gereken verimliliği ve süreyi doğrudan etkiler.

Endüstriyel ayırmada, sedimantasyon hızının arttırılması, daha hızlı işleme ve daha verimli ayırmaya olanak sağlar. Atık su arıtımı gibi büyük miktarda çamurun uzaklaştırılması gereken proseslerde yüksek sedimantasyon hızı, kirleticilerin kısa sürede etkili bir şekilde sudan ayrılmasını sağlar.

Santrifüjleme, yüksek hızlı dönme kuvvetlerinin uygulanmasının sedimantasyon hızını önemli ölçüde arttırdığı gıda üretimi ve ilaç endüstrisi gibi endüstrilerde kullanılan yaygın bir işlemdir. Santrifüjlü ayırıcıların kullanılması, normal yerçekimi koşulları altında çok daha uzun sürecek olan ayırma işlemlerini hızlandırabilir.

Sedimantasyonda Parçacığa Etki Eden Kuvvetler

Sedimantasyon sırasında parçacıklar üzerinde çeşitli kuvvetler etki ederek bunların ne kadar çabuk çökeleceğini belirler:

Yer Çekimi Kuvveti (Ağırlık): Yer çekiminden dolayı parçacığı, kütlesiyle orantılı olarak aşağı doğru çeken kuvvet.

Kaldırma Kuvveti: Sıvının yer çekimine karşı uyguladığı yukarı doğru kuvvettir. Arşimet ilkesine göre bu kuvvet, yeri değişen sıvının ağırlığına eşittir.

Sürükleme Kuvveti (Direnç): Parçacığın sıvı içinde hareket ederken karşılaştığı direnç. Bu kuvvet parçacığın boyutuna, şekline ve sıvının viskozitesine bağlıdır. Stokes Yasası genellikle küçük parçacıklar için sürükleme kuvvetini tanımlamak için kullanılır.

Bu kuvvetler arasındaki denge sedimantasyon hızını belirler. Yerçekimi kuvveti kaldırma kuvvetine ve sürükleme kuvvetine eşit olduğunda, parçacık nihai hızına veya çökelme hızına ulaşır.

Sedimantasyon Hızının Hesaplanması

Sedimantasyon hızı veya terminal hızı, viskoz bir sıvıdaki küçük küresel parçacıklar için Stokes Yasası kullanılarak hesaplanabilir:

Nerede:
v sedimantasyon hızıdır (m/s cinsinden),
r parçacığın yarıçapıdır (metre cinsinden),
ρpartikülpartikülün yoğunluğudur (kg/m³ cinsinden),
ρakışkan akışkanın yoğunluğudur (kg/m³ cinsinden),
η sıvının dinamik viskozitesidir (Pas cinsinden),
g yerçekimine bağlı ivmedir (9,81 m/s²).

Bu denklem, yavaş hızlarda (düşük Reynolds sayıları) hareket eden küçük, küresel parçacıklara uygulanabilir. Küresel olmayan parçacıklar veya daha yüksek hızlar için daha karmaşık modeller gereklidir.

Kaynak
Rausch, W. (2016). Kimya ve İlaç Endüstrisinde Partikül Ayırma Teknolojileri. Springer Uluslararası Yayıncılık.
Flottweg SE. (tarih yok). Sedimantasyon Hızı – Genel Bakış ve Hesaplama. Flottweg Separation Technology Wiki'den alındı
Lowenberg, A. (2009). Santrifüjlemenin Temelleri: Bölüm 2 – Sedimantasyon. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Akışkanlarda Parçacık Hareketi Teorisine Giriş. MIT Basın.