sedymentacja

Sedymentacja — Sedymentacja, opadanie – proces opadania cząstek ciał stałych rozproszonych w cieczy, zachodzący pod wpływem siły grawitacji lub sił bezwładności, w wyniku którego następuje całkowite oddzielenie fazy rozproszonej (cząstek ciała stałego) od fazy rozpraszającej (cieczy) bądź, w przypadku cząstek niewielkich, wytwarza się stan równowagi pomiędzy fazami (stan równowagi sedymentacyjnej); proces sedymentacji wykorzystywany jest do otrzymywania zagęszczonych zawiesin cząstek stałych lub do oczyszczania (klarowania) cieczy.

Układ dyspersyjny

Układ dyspersyjny jest mieszaniną składającą się z co najmniej dwóch faz – fazy rozproszonej (rozdrobnionych cząstek danej substancji) oraz fazy rozpraszającej (ośrodka dyspersyjnego), w której cząstki tej substancji są rozproszone. Faza rozproszona i faza rozpraszająca mogą występować we wszystkich stanach skupienia z wyjątkiem układu gaz-gaz, który występuje wyłącznie w przypadku roztworów właściwych (powietrze).

W zależności od stopnia rozdrobnienia (dyspersji) cząstek fazy rozproszonej wyróżnia się:

• roztwory właściwe (roztwory rzeczywiste) – układy o rozdrobnieniu drobinowym; mieszaniny jednorodne (homogeniczne), w których faza rozproszona składa się z cząstek o rozmiarach mniejszych od 1 nm (atomy, cząsteczki, jony
• koloidy – układy o rozdrobnieniu pośrednim; mieszaniny niejednorodne (heterogeniczne), których faza rozproszona składa się z cząstek osiągających rozmiary 1 nm – 1 μm; cząstki fazy rozproszonej nie ulegają sedymentacji; mieszaniny stabilne;
• zawiesiny (suspensje) – układy o rozdrobnieniu mechanicznym; mieszaniny niejednorodne (heterogeniczne), których faza rozproszona składa się z cząstek osiągających rozmiary powyżej 1 μm; rozproszone cząstki zawiesin o gęstości większej od gęstości cieczy ulegają sedymentacji pod wpływem siły grawitacji lub sił bezwładności; mieszaniny mało stabilne z termodynamicznego punktu widzenia.

Układy dyspersyjne, fot. shutterstock

Sedymentacja

Sedymentacja, opadanie (łac. sedimentum – osad, fusy) jest procesem opadania zawiesiny cząstek ciała stałego rozproszonych w cieczy, zachodzącym pod wpływem działania siły grawitacji (np. w odstojnikach) lub siły bezwładności – siły odśrodkowej (np. w wirówkach sedymentacyjnych). W wyniku procesu sedymentacji następuje całkowite oddzielenie fazy rozproszonej (cząstek ciała stałego) od fazy rozpraszającej (cieczy) bądź, w przypadku cząstek o niewielkich rozmiarach, dochodzi do wytworzenia się stanu równowagi pomiędzy fazami (równowaga sedymentacyjna).

Proces ten zależy także od stężenia, rozmiaru, kształtu i masy opadających cząstek ciała stałego oraz lepkości cieczy. Szybkość sedymentacji jest wprost proporcjonalna do rozmiaru i masy opadających cząstek oraz odwrotnie proporcjonalna do lepkości cieczy, tzn. zachodzi tym szybciej, im większe i cięższe są cząstki i im mniejsza jest lepkość cieczy, w której cząstki te są rozproszone.

Proces sedymentacji. A – zbiornik z zawiesiną. B – opadanie cząstek stałych na dno zbiornika pod wpływem siły grawitacji. C – przekrój zawiesiny z wyraźnymi strefami – strefą opadania (1), strefą przejściową (2) i strefą zagęszczania (3). Źródło: wikimedia.org

Rodzaje sedymentacji

Zależnie od charakteru i ilości cząstek ciała stałego w zawiesinie wyróżnia się:

• sedymentację (opadanie) cząstek ziarnistych (zawiesiny ziarnistej) – cząstki stałe opadają na dno z jednakową prędkością (np. ziarna piasku, żwiru, grudki ziemi);
• sedymentację (opadanie) cząstek kłaczkowatych (zawiesiny kłaczkowatej) – cząstki stałe opadają na dno z coraz większą prędkością wskutek zlepiania się w większe aglomeraty (kłaczki) (np. osad czynny – żywa zawiesina bakterii heterotroficznych i pierwotniaków, osady powstałe wskutek strącania metali ciężkich, miał węglowy).

• sedymentację (opadanie) swobodne – zawiesiny o niskim stężeniu cząstek stałych; każda cząstka opada oddzielnie i nie wywiera wpływu na inne opadające cząstki; prędkość swobodnego opadania zależy wyłącznie od różnicy gęstości cząstki i cieczy, rozmiaru i kształtu cząstki oraz lepkości cieczy; proces charakterystyczny dla zawiesin ziarnistych;
• sedymentację (opadanie) zakłócone – zawiesiny o dużym stężeniu cząstek stałych; cząstki stałe oddziałują na siebie wzajemnie podczas opadania oraz łączą się w większe aglomeraty, w związku z czym prędkość opadania zależy również od stężenia cząstek stałych w zawiesinie; proces charakterystyczny dla zawiesin kłaczkowatych;
• sedymentację (opadanie) strefowe – zawiesiny o bardzo wysokim stężeniu cząstek stałych; w przekroju zawiesiny można wyróżnić poszczególne strefy – górną strefę opadania (warstwę klarownej cieczy); środkową strefę przejściową (warstwę o stężeniu cząstek stałych równym stężeniu początkowemu zawiesiny) oraz dolną strefę zagęszczania (warstwę skompresowanego osadu); proces charakterystyczny dla zawiesin kłaczkowatych i zawiesin niekłaczkujących.

Osad hydroksywęglanu miedzi (II) wytrącony na dnie zlewki, fot. shutterstock

Znaczenie procesu sedymentacji

Sedymentacja wykorzystywana jest do otrzymywania zagęszczonych zawiesin cząstek stałych oraz oczyszczania (klarowania) cieczy zawierającej zawiesinę cząstek stałych. Sedymentacja zachodząca pod wpływem siły grawitacji stosowana jest w pierwszym etapie oczyszczania wody i ścieków, obejmującym oczyszczanie mechaniczne – usuwanie zawiesin ziarnistych (ziaren piasku i żwiru) w piaskownikach oraz usuwanie małych zawiesin i koloidów w osadnikach (odstojnikach).