laskeutumisprosessit

Laskeutumisprosessit ovat nesteessä olevan kiinteän aineen hiukkasten laskeutumista alaspäin gravitaation vaikutuksesta. Ne ovat keskeisiä sekä luonnollisissa ilmiöissä että teknisissä järjestelmissä, kuten vedenpuhdistuksessa, jäteveden käsittelyssä ja sedimentaatio-prosessien geologiassa. Prosessit riippuvat hiukkasten ominaisuuksista sekä nesteen virtauksista ja olosuhteista.

Päämekanisminsa ovat gravitaatioon perustuva laskeutuminen, flokkulointi ja aggregaatio sekä näiden kautta muodostuvien suurempien hiukkasryhmien nopeutettu laskeutuminen. Flokkulointi voidaan käynnistää kemiallisilla lisäaineilla, jolloin hiukkasista muodostuu suurempia agglomeeraatteja ja ne laskeutuvat nopeammin. Tiheys- ja viskositeettierot sekä virtausolosuhteet määrittävät lopullisen laskeutumisnopeuden. Tiheämpi suspensio tai suuremmat hiukkaset laskeutuvat nopeammin, kun taas korkea suspensio, turbulenssi tai epäjatkuvuudet voivat hidastaa sitä.

Sovelluksissa laskeutumisprosesseja hyödynnetään erityisesti vedenpuhdistuksessa ja jätevesien käsittelyssä sekä geologisissa ja ympäristöolosuhteissa. Vedenpuhdistuksessa erotellaan primäärinen laskeutuminen, jossa suurimmat kiintoaineet poistuvat ensin, ja toissijainen (sekundaarinen) laskeutuminen, jossa biologisen käsittelyn jälkeen syntynyt kiintoaine saadaan erilleen lietteeseen.

Faktorit, jotka vaikuttavat laskeutumiseen, ovat hiukkasen koko ja tiheys, nesteen viskositeetti ja tiheys, lämpötila sekä suspensiossa esiintyvä rakenne ja virtausolosuhteet. Suuremmat ja tiheämmät hiukkaset laskeutuvat nopeammin; korkea suspensio voi hidastaa prosessia. Flokkulointi ja aggregaatio voivat parantaa laskeutumista huomattavasti.

Matemaattisesti laskeutumista voidaan kuvata Stokesin lain avulla pienillä Reynold’n luvulla: v = (2/9) (Δρ) g r^2 / μ, missä Δρ on hiukkasen ja nesteen tiheysero, r on hiukkasen säde ja μ nesteen dynaaminen viskositeetti. Tämä pätee laminaarisessa virtauksessa (Re << 1). Tiheissä suspensioissa käytetään usein lisämalleja, kuten hindered settling -funktioita, säätämään laskeutumista suurissa tilavuuksissa.