Sedimentasjonshastighet

Sedimentasjonshastighet refererer til hastigheten som partikler i en suspensjon eller slurry legger seg under påvirkning av tyngdekraften eller sentrifugalkreftene. Når partikler er suspendert i et flytende medium, viser de en tendens til å sette seg på grunn av tyngdekraften eller sentrifugalkrefter påført i maskiner som sentrifuger. Hastigheten som dette skjer med, kjent som sedimentasjonshastigheten, varierer avhengig av flere faktorer, inkludert partikkelens størrelse, tetthet, form og viskositeten til væsken.

Faktorer som påvirker sedimentasjonshastigheten

Partikkelstørrelse og form

Større og tettere partikler legger seg generelt raskere på grunn av økte gravitasjonskrefter som virker på dem. Formen på partiklene spiller også en rolle. Sfæriske partikler har en tendens til å sette seg raskere enn uregelmessig formede. Dette er fordi sfæriske partikler møter mindre motstand sammenlignet med ikke-sfæriske partikler, noe som muliggjør raskere bevegelse gjennom væsken.

Flytende viskositet

Væsker med høyere viskositet skaper mer motstand mot partikkelbevegelser, og reduserer sedimentasjonshastigheten. I industrielle prosesser er valg av riktig viskositet nøkkelen til å optimalisere separasjonsprosessen og oppnå ønsket sedimentasjonshastighet.

Temperatur

Temperaturen til væsken kan påvirke både væskens viskositet og sedimenteringsadferden til partiklene. Høyere temperaturer reduserer generelt viskositeten, noe som igjen kan øke sedimentasjonshastigheten.

Sentrifugalkraft

Ved sentrifugering påføres en kraftig ekstern kraft for å øke sedimentasjonshastigheten. Hastigheten til sentrifugen, gravitasjonsfeltet (G-kraft) og rotasjonsradiusen påvirker alle hvor raskt partikler legger seg i en sentrifugalseparator. Ved å manipulere disse parameterne kan sedimentasjonshastigheter økes betydelig, noe som gjør sentrifugering til en kraftig metode for rask separasjon.

Sedimentasjonshastighet i separasjonsprosesser

Sedimentering er en av de eldste og enkle separasjonsteknikkene. Den er avhengig av forskjellen i tettheten til de faste partiklene og væskefasen. Denne forskjellen får partiklene til å bevege seg nedover og legge seg i bunnen av en beholder, mens væskefasen forblir over. Hastigheten dette skjer med påvirker direkte effektiviteten og tiden som kreves for separasjonen.

Ved industriell separasjon gir økende sedimentasjonshastighet raskere prosessering og mer effektiv separasjon. I prosesser som avløpsvannbehandling, hvor store mengder slam må fjernes, sikrer en høy sedimenteringshastighet at forurensninger effektivt skilles fra vannet på kort tid.

Sentrifugering er en vanlig prosess som brukes i bransjer som matproduksjon og legemidler, der bruk av høyhastighets rotasjonskrefter øker sedimentasjonshastigheten dramatisk. Bruk av sentrifugalseparatorer kan fremskynde separasjonsprosesser som ellers ville tatt mye lengre tid under normale gravitasjonsforhold.

Krefter som virker på partikkelen i sedimentering

Flere krefter virker på partikler under sedimentering, og bestemmer hvor raskt de legger seg:

Gravitasjonskraft (vekt): Kraften som trekker partikkelen nedover på grunn av jordens tyngdekraft, proporsjonal med massen.

Oppdriftskraft: Den oppadgående kraften som utøves av væsken som motsetter tyngdekraften. I følge Archimedes’ prinsipp er denne kraften lik vekten av den fortrengte væsken.

Drakraft (motstand): Motstanden som partikkelen opplever når den beveger seg gjennom væsken. Denne kraften er avhengig av partikkelens størrelse, form og viskositeten til væsken. Stokes lov brukes ofte til å beskrive dragkraft for små partikler.

Balansen mellom disse kreftene bestemmer sedimentasjonshastigheten. Når gravitasjonskraften er lik flytekraften og dragkraften, når partikkelen sin endehastighet, eller sedimentasjonshastighet.

Beregning av sedimentasjonshastighet

Sedimentasjonshastigheten, eller terminalhastigheten, kan beregnes ved å bruke Stokes' lov for små sfæriske partikler i en viskøs væske:

Hvor:
v er sedimentasjonshastigheten (i m/s),
r er radiusen til partikkelen (i meter),
ρpartikkel er tettheten til partikkelen (i kg/m³),
ρfluidis tettheten til væsken (i kg/m³),
η er den dynamiske viskositeten til væsken (i Pas),
g er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften (9,81 m/s²).

Denne ligningen gjelder for små, sfæriske partikler som beveger seg med lave hastigheter (lave Reynolds-tall). For ikke-sfæriske partikler eller høyere hastigheter kreves mer komplekse modeller.

Ressurs
Rausch, W. (2016). Partikkelseparasjonsteknologier i kjemisk og farmasøytisk industri. Springer International Publishing.
Flottweg SE. (n.d.). Sedimentasjonshastighet – Oversikt og beregning. Hentet fra Flottweg Separation Technology Wiki
Lowenberg, A. (2009). Grunnleggende om sentrifugering: Del 2 – Sedimentering. Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
Kuno, H. (2001). Introduksjon til teorien om partikkelbevegelse i væsker. MIT Trykk.