موادی که دانسیته آنها به اندازه کافی بیشتر از آب است به روش ثقلی و به صورت مجزا، ته نشین می شوند. اندازه، شکل و وزن مخصوص این ذرات در زمان ته نشینی تغییر نمی کند، مانند سنگ ریزه، شن، ماسه و سایر مواد معلق در آب.

سرعت ته نشینی مواد در آب به عوامل مختلفی مانند وزن مخصوص، قطر ذرات و درجه حرارت آب بستگی دارد (درجه حرارت بالاتر، باعث ویسکوزیته کمتر می شود). با جهان شیمی همراه باشید تا بیشتر درباره ته نشینی مواد معلق آب بدانید.

ته نشینی مواد معلق در آب

در ته نشینی مواد ریز در آب نکات زیر مطرح هستند:

مشکل سرعت سقوط ذرات ریز

ذراتی با ابعاد میکرونی، ساعت ها طول می کشد تا ته نشین شوند. به طور مثال اگر اندازه ذرات ۰/۰۰۰۱ میلی متر باشد (ذرات کلوئیدی) برای ته نشینی به ۷۵۵ روز نیاز است. با درشت کردن ذرات در حدود میلی متر، زمان لازم برای سقوط یک متر در آب، به حدود ثانیه کاهش می یابد.

دما و سرعت ته نشینی موازی هم عمل می کنند هر چه دما بیش تر شود، سرعت ته نشینی هم بیشتر می شود. باید توجه داشت که از نظر مهندسی، زمان بیش از چند ساعت برای جداسازی قابل قبول نیست. در آب، ذرات ریز کلوئیدی از نظر اندازه آنقدر بزرگ هستند که بتوان سطح تماس مشترکی بین آنها و آب تشخیص داد. در این سطح مشترک ناحیه ای وجود دارد که خواصی متفاوت با خواص ذرات و ویژگی های آب دارد و نقش مهمی را در رفتار این سیستم ها ایفا می نماید.

از سوی دیگر یکی از ویژگی های مهم ذرات خیلی ریز و کلوئیدی، میزان سطح زیاد در واحد جرم آنها است (بزرگ بودن نسبت سطح به جرم). ازاینرو خواص مربوط به سطح ذره از قبیل حضور گروه های یونیزه شونده و بارهای الکتریکی (که با سطح ذرات متناسب است) بسیار اهمیت دارد.

ذرات خیلی ریز اغلب در سطح خود دارای بار الکتریکی هستند. یکسان بودن علامت بار الکتریکی سبب می گردد که در داخل آب، ذرات نتوانند به یکدیگر نزدیک گشته و مجتمع شوند.

دافعه ناشی از بار الکتریکی ذرات

اغلب ذرات خیلی ریز در سطح خود دارای بار الکتریکی هستند. بار ذرات توسط یون های با بار مخالف موجود در سیستم احاطه می شود. چگونگی تغییرات پتانسیل الکتریکی در اطراف سطح هر ذره، تابع قدرت یونی محلول آبی است. آنچه در مبحث انعقادسازی اهمیت دارد زتا پتانسیل ذرات است و نه ابعاد ذرات.

با توجه به آن که در انعقادسازی باید بار ذرات تعدیل شود تا دافعه ی بین ذرات کاهش یابد، می توان انتظار داشت که بهترین شرایط انعقادسازی زمانی فراهم می شود که زتا پتانسیل به حدود صفر کاهش باشد.

هرگاه دو ذره کلوئیدی با بار هم نام به یکدیگر نزدیک شوند، لایه نفوذی آنها در یکدیگر تداخل نموده و منجر به برقراری پتانسیل دافعه بین آنها میگردد. هر چه فاصله کمتر گردد پتانسیل دافعه بیشتر می شود.

جاذبه بین ذرات ریز

نیروی جاذبه بین ذرات ناشی از نیروی واندروالسی بوده و این نیرو که درهرصورت بین ذرات وجود دارد، تحت تأثیر شدید فاصله بین دو ذره است. همچنین نیروی دافعه الکترواستاتیکی و نیروی جاذبه ناشی از نیروی واندروالسی از نظر وابستگی به اندازه فاصله بین ذرات تفاوت های مهمی با هم دارند . نیروی دافعه، تابعی توانی فاصله بین ذرات است، در حالی که نیروی جاذبه، تابعی هذلولی از فاصله بین ذرات است.

قدرت یونی هر محلول، برابر مجموع حاصل ضرب غلظت هر یون در مربع ظرفیت همان یون است. افزایش غلظت الکترولیت (که به مفهوم افزایش قدرت یونی محلول است) عملاً روی جاذبه و اندروالسی محلول های رقیق تأثیری ندارد اما دافعه الکترواستاتیکی شدیداً به غلظت، ظرفیت و تا حدودی نوع الکترولیت وابسته است. افزایش قدرت یونی (که می تواند ناشی از غلظت یون و نیز ظرفیت یون باشد) باعث کاهش دامنه نفوذ دافعه الکتریکی می شود. افزایش قدرت یونی محلول در کاهش دامنه نفوذ پتانسیل الکتریکی می شود.

پایداری و ناپایداری ذرات کلوئیدی

منظور از ذره پایدار، آن ذره ای است که به صورت منفرد در آب و یا هر محلول دیگری وجود دارد. ذره ناپایدار ذره ای است که تمایل به جمع شدن با ذرات دیگر را دارد.

گاهی انعقادسازی را به مفهوم بزرگ شدن اندازه ذره معلق میدانند که البته با تجمع ذرات معلق همراه است. ذره پایدار ذره ای است که تمایل به جمع شدن با ذرات دیگر را ندارد.

پایداری ذرات کلوئیدی به دو صورت پایداری الکترواستاتیک و پایداری استریک مطرح میگردد.

پایداری الکترواستاتیک

همان گونه که اشاره شد. اکثر ذرات موجود در آب، در سطح خود دارای بار الکتریکی هستند و علامت بار آنها اغلب منفی است. بار الکتریکی ذرات کلوئیدی ممکن است به چند طریق حاصل شده باشد:

• تغییرات در داخل شبکه کریستالی ذرات (مانند جانشینی اتم Al به جای اتم Si در ترکیبات سیلیسی)
• جذب سطحی یون ها بر روی سطح ذرات
• انحلال نابرابر یون های مثبت و منفی در آب
• یونیزاسیون گروه های عامل موجود در سطح ذرات

هرگاه دو ذره کلوئیدی با بار مخالف به یکدیگر نزدیک شوند، لایه نفوذی آنها در یکدیگر تداخل نموده و منجر به برقراری نیروی دافعه بین آنها می گردد و پایداری الکترواستاتیک را سبب می شود.

پایداری استریک

مهم ترین عامل این نوع پایداری، جذب سطحی پلیمرهای طبیعی موجود در آب بر روی ذرات کلوئیدی است. پلیمرهای با وزن مولکولی بالا می توانند در قسمت های مختلف روی سطح ذرات کلوئیدی جذب شوند.

این نوع پلیمرها معمولا دارای دو گروه هیدروفیل و هیدروفوب (آب دوست و آبگریز) هستند. گروه هیدروفیل به صورت آزاد در داخل آب باقی می ماند اما گروه هیدروفوب تمایل زیاد به جذب سطحی دارد. به این ترتیب هر مولکول پلیمر، ممکن است در چند نقطه از طریق جذب سطحی به سطح ذره متصل شده و حلقه های متعددی را تشکیل دهد.

چنانچه دو ذره در وضعیت فوق به یکدیگر نزدیک شوند، دو پدیده ممکن است اتفاق بیفتد:

• در اثر برخورد، لایه های پلیمری جذب شده متراکم گشته و حجم کل آنها کاهش یابد. تراکم یا کاهش حجم، حرکت پلیمرها را محدود می سازد و مانع نزدیک تر شدن ذرات به یکدیگر می گردد.
• در اثر برخورد ذرات، لایه های پلیمری جذب شده در هم تداخلی نمایند. به این ترتیب در بخش حاصل از تداخلی، غلظت پلیمری افزایش می یابد. چنان چه این لایه بیشتر از اجزا آب دوست پلیمر تشکیل شده باشد، تمایل آنها به حضور در توده آب بالاتر خواهد بود و احتمال اتصال با قسمت های دیگر مولکول پلیمرها ضعیف تر می شود.

در این صورت بین دو ذره اصلی نیروی دافعه برقرار خواهد گردید که پایداری استریک را سبب میگردد.

اما از نظر ترمودینامیکی ذرات با تجمع، به سطح انرژی پایین تری دست می یابند. نیروی جاذبه بین ذرات، نیروی واندروالسی و نیروی دافعه بین آنها، نیروی ناشی از دافعه الکترواستاتیکی است.

در واقع پایداری (عدم تمایل به تجمیع) و ناپایداری (تمایل به تجمیع) ذرات معلق، بستگی به مقدار مجموع پتانسیل جاذبه واندروالسی و پتانسیل دافعه الکترواستاتیکی (پتانسیل خالص) دارد. پتانسیل دافعه تا فاصله بسیار کمی از دو ذره، از پتانسیل جاذبه بیشتر است اما در فاصله های نسبتاً زیاد، هر دو پتانسیل قابل صرف نظر کردن هستند.

جداسازی مواد معلق از آب

فرآیندهای مختلفی برای جداسازی مواد معلق در آب مطرح است. انتخاب یک فرآیند خاص یا ترکیبی از فرآیندهای مختلف برای حذف مواد معلق به ویژگی های جامدات، غلظت آنها و درجهٔ تصفیهٔ آب مورد نیاز بستگی دارد.

به طور کلی برای حذف ذرات معلق از آب سه روش را می توان متصور شد:

• مواد جامد نسبتاً درشت مثل قطعات چوب، سنگ و غیره را می توان با آشغال گیرها از آب حذف کرد.
• ذرات معلق در حد چند صد میکرون را می توان با فیلتراسیون و یا ته نشینی ساده از آب جدا کرد.
• ذرات ریز و کلوئیدی در ابعاد چند میکرون وزیر میکرون با روشهای معمولی هم چون ته نشینی ساده یا فیلتراسیون قابل حذف نیستند، این ذرات آنقدر کوچک هستند که ته نشینی آنها تحت اثر نیروی ثقلی بسیار کند است.

برای جداسازی مواد معلق از آب و حذف ذرات خیلی ریز، ابتدا از روش انعقادسازی آنها را به ذرات (لخته) درشت تبدیل کرده و سپس برای حذف این لخته ها از روش ته نشینی، فلوتاسیون یا فیلتراسیون استفاده می کنند.

در فرآیند انعقادسازی با افزودن یک ماده شیمیایی مناسب (ماده منعقد کننده) شرایطی را به وجود می آورند که بار ذرات کلوئیدی، تعدیل و ذرات بتوانند به هم نزدیک و درشت تر شوند. به این ترتیب نسبت سطح به جرم آنها کاهش یافته و امکان حذف آنها با ته نشینی فراهم می گردد.