Sedimantasyon Nedir?

Sedimantasyon Nedir?, Sedimantasyon askıdaki çökebilen katı maddelerin miktarlarının azaltılmasında kullanılan bir temel işlemdir. Bulanıklığın fazla olduğu durumlarda daha sonra uygulanacak arıtım kademesinin yükü azaltmada, içme suyu arıtımında dezenfeksiyonda, atık su arıtımında ön çökeltim ve son çökeltim havuzlarında uygulanılan bir yöntemdir.

 Sedimantasyon işlemi iki şekilde uygulanır:

1. Basit çöktürme: Suda bulunan çökebilen maddeleri sudan uzaklaştırmak için kullanılır. Bu tür çöktürme işlemi içindeki katı maddelerin çökebileceği bir havuzda bir süre bekletilir ve katı maddelerin çökebilmesi sağlanır.
2. Hızlı karıştırma ve Yumuaklaştırmayı Takip Eden Çöktürme: Burada ham su içinde kendi ağırlıkalrıyla çökelemyen maddelerin varlığı söz konusudur. Bu maddeler ham su içine katılan bazı kimyasal maddelerde kendi ağırlıklarıyla çökebilcek boyuta ulaştırılırlar ve böylece çöktürme işlemi gerçekleştirlir.

Bir taneciğin çökelme hızıi taneciğin yoğunluğuna, çapına ve sıvının vizkositesine bağlıdır. Tanecik çapı küçüldükçe çökelme hızı azalmaktadır.

Belli bir parçacık boyutunun altında çökelme hızı çok küçük olmaktadır ve bu parçacık boyutunda yalnızca sedimantasyon uygun değildir. Kolloidal parçacıkların (0,001-1µ) çökelme hızları sıfır olarak düşünülür. Bu yüzden kolloidal parçacıklarda sadece sedimantasyonun bir yarar sağlayamayacağı açıktır. Bu gibi durumlarda ikinci tür çöktürme uygun olacaktır.

Sedimantasyon Teorisi

Sedimantasyon teorisi açıklanırken, çökelme esnasında büyüklüğünü, şeklini ve kütlesini değiştirmeyen ayrık parçacıkların varlığı kabul edilecektir. Çökelme esnasında büyüklüğü, şekli ve kütlesi değişen flokülant parçacıklar yok kabul edilecektir.

Ayrık parçacık sakin bir sıvı ortama bırakıldığında, yoğunluğu bırakıldığı ortamın yoğunluğundan fazla ise kendi ağırlığı ile aşağı doğru çökelir. Bu durumda parçacığa iki kuvvet etki eder. Bu kuvvetler; taneciğin ağırlığından ileri gelen ağırlık kuvveti ve sıvı ortamın gösterdiği sürtünme kuvvetidir. Taneciğin sıvı içindeki ağırlığı;

W=(p_s-p_w)gV

dir. Burada;

p_s=Taneciğin yoğunluğu (kg/m³)

p_w=Sıvının yoğunluğu (genellikle su; kg/m³)

g=Yerçekimi ivmesi, (m/sn²)

V= Taneciğin hacmi (m³) dir.

Sıvı ortamının gösterdiği sürtünme kuvveti;

F_D=C_DAp_wV_s²/2

dir. Burada;

p_w=Sıvının yoğunluğu (genellikle su); kg/m³

A=Hareket yönüne dik doğrultudaki tanecik kesit alanı

V_s=Tanecik çökelme hızı

C_D=Newton sürtünme katsayısıdır.

İdeal Sedimantasyon Tankı

Sedimantayon tankı 4 farklı bölgeden oluşmaktadır.

1. Giriş bölgesi
2. Çamur bölgesi
3. Çökelme bölgesi
4. Çıkış bölgesi

İdeal bir sedimantasyon tankı için bazı kabuller yapılmıştır;

1. Çökelme bölgesinde durgun şartlar olmalıdır.
2. Çökelme bölgesinde akım uniform (değişmeyen) olmalıdır
3. Katı tanecikler çökelme bölgesine uniform olarak girmelidir.
4. Çamur bölgesine giren maddeler tekrar askıda hale geçmemeli.

Çökelme hızı V₀ olan bir ayrık parçacığı göz önüne alacak olursak; bu parçcacık tankın sonunda çamur bölgesine ancak ulaşır. Ayrık parçacıkların çökelmesinde tankın derinliğinin önemi yoktur. V₀ çökelme hızı tanka giren debi ve tankın yüzey alanı ile orantılıdır. Fakat aynı durum flokülant parçacıklar için söz konusu değildir. Flokülant parçacıklar için derinlik katı madde giderimini etkiler, çünkü tankın derin olması durumunda daha fazla yumaklaşma ihtimali vardır.

Çökelme tankı hızı V₀ ’dan büyük veya eşit bütün parçacıkların çökelmesini gerçekleştirmek üzere dizayn edilmiştir. Çökelme hızı Vs < Vo olan katılar ancak tankın dibinden h= Vo x To mesafesinden daha büyük mesafeden girmediği takdirde uzaklaştırılabilecektir. Bu durumu ortadan kalıdırabilmek için sedimantasyon tankına kademeler eklenebilir.

Sedimantasyonda Meydana Gelen Çökelme Türleri

1. Münferit çökelme: düşük katı konsantrasyonunda, askıdaki parçacıkların ağırlıklarının etkisiyle kendi başlarına (ayrık olarak) çökelmeleridir. Kum ve çakıl gibi maddeler bu tür çökelme eğilimindedirler.
2. Yumaklaşan çökelme: yine seyreltik süspansiyonlarda, çökelme esnasında bazı parçacıkların yumak oluşturarak artan bir hızla çökelmesidir. Kimyasal floklar bu şeklide çökelirler. Ayrıca ikincil sedimantasyon tanklarının üst bölgelerinde bu tür çökelme görülür.
3. Bölgesel – Engelli çökelme: ara konsantrasyonlarda, partiküller arası kuvvetler sebebiyle yapışık biçime gelen parçacıkların bir ünite halinde çökelmesidir. İkincil sedimantasyon tanklarında bu tür çökelme görülür.
4. Kompresyon çökelme: bir noktadan sonra parçacıkların yoğunlaşarak oluşturduğu kütlenin kompresyonu ile meydan gelen çökelmedir. Kompresyon olayı üsteki sıvı fazdan sürekli çökelmekte olan parçacıkların ağırlıkları etkisiyle meydan gelmektedir. Bu tür çökelme çamur kütlesinin dip kademlerinde, ikincil sedimantasyon birimlerinin dibinde ve çamur kalınlaştırma işlemlerinde görülür.

Çözeltilerde derişimin yanında yerçekimi ve merkezkaç kuvveti de partiküllerin hareketine neden olmaktadır. Kolloidal sistemlerde partiküllerin hızları ve öteleme kinetik enerjileri çok büyük olan pariküller bulundukları kabın dibine doğru hareket etmezler. Aynı durum makromoleküller gibi büyük partiküller için de geçerlidir. Yerçekiminden etkilenen b tür partiküller büyükten küçüğe doğru bulundukları kabın dibine çökerler.

Sedimantasyon  hızı incelenirken birim kütlesinin hacmi olarak tanımlanan özgül hacmi V₁ olan bir katının kütlesi m olan bir partikülün yoğunluğu ρ olan bir sıvı içindeki durumu düşünülür. Bu partikül ile yer değiştiren sıvının hacmi v₁m, kütlesi v₁mg olacaktır. Bu partikülü aşağı doğru net çeken kuvvet ile ters yöndeki Stokes sürtünme kuvveti birbirine eşitlenerek partikülün yarıçapı ve η sıvının viskozitesi olmak üzere limit hız için,

mg – V₁mρg = 6rvη

v = (1- V₁ρ)mg / 6rη = (1- V₁ρ)mg / f  eşitliği bulunur. Bu limit hıza sedimantsayon hızı denir.

Ultrasantrifüj ile yerçekimi ivmesinden çok büyük ivmelere ulaşıldığından daha küçük partiküller de çöktürülebilmektedir. Stokes yasası yalnızca çok büyük küresel moleküller için geçerli olduğu için yukarıdaki eşitlikte tanımlana sürtünme kuvveti olaraka tanımlanan 6rη yerine k_BT / D alınarak sedimantsyon katsayısı için aşağıdaki eşitlik yazılır.

S = D(1- V₁ρ)m / k_BT = D(1- V₁ρ)M / RT

Belli sıcaklıkta difüzyon katsayısı ve sedimantasyon katsayısı hesaplanarak taneciklerin molar kütleleri de bulunabilir.

Tane iriliği endüstride tozların ve katkı maddelerinin üretim kalitesinde  ve ürünlerin istenen özelliklerinin sağlanmasında önemli bir faktördür. Tane iriliği ölçümü için elektron veya ışık mikroskobu ile santrifüj cihazları da kullanılmaktadır.

Sedimantasyon (çöktürme) yöntemleri

Partikül        boyutlarının belirlenmesinde,     yerçekimi     ya      da      santrifüj kuvvetlerin   etkisiyle   çökelme   hızlarının   ölçümüne   dayalı   kuru   ya   da   yaş yöntemler de bulunmaktadır.

Bu yöntemlerde, Stoke yasasına dayalı bir olay gözlenmektedir.

Gözlemsel  ya  da  optik  yöntemler  eşliğinde,  pipet,  hidrometre,  santrifüj  v.b.

birimler kullanılarak, çökelme hızlarına bağlı yoğunluk derişimlerinden partikül boyut aralıklarının saptanması olanaklıdır. Genel olarak, büyük partiküller, bazı

özel durumlar dışında, hızlı ve çabuk çökmektedirler.

Pipet kullanılan yömtemler en yaygın olanlarıdır.

1) Hidrometre Yöntemi

Bu     yöntem,       partiküllerle oluşturulan   bir     süspansiyonun       yükseklikle yoğunluk  değişiminin  izlenmesi  temeline  dayanmaktadır.      İşlem  sırasında  sıvı yoğunluğunu ve viskozitesini düzenlemek üzere ortama yüzey aktif maddelerin eklenmesi gerekmektedir. Ucuz, ancak doğruluğu düşük bir yöntemdir.

2) Fotosedimantasyon Yöntemi

Az     miktardaki   örneklerin    çökme         sırasında      ortaya çıkan  derişim değişimlerinin,  süspansiyon  içinden  geçen  bir  ışık  demetinin  şiddetinin  optik

yolla  ölçülmesi  temeline  dayanan  bir  yöntemdir.  Oldukça  duyarlı  bir  işlemdir. Optik kayıtlar uygun bir biçimde kaydedilebilmektedir. Işık dalga boyunun kısa

ve partikül boyutuna yakın olmaması gerekmektedir.

3) Sedimantasyon denge yöntemi

Bu  yöntem,  partiküllerin,  süspansiyon  içinde  asılı  durumda  bulunan  bir elektronik   kefeli   terazi   yardımıyla,   ağırlıklarının   ölçümüne   dayanmaktadır. Zahmetli  ve  yavaş  bir  yöntemdir.  Küçük  parçacıkların  çökmesi  uzun  zaman aldığında analiz süresi uzun olmaktadır.