落ち着く

沈降は、粒子が液体の底に向かって移動し、沈殿物を形成するプロセスです。重力または遠心運動による力を受けた粒子は、その力によって及ぼされる方向に均一に移動する傾向があります。重力沈降の場合、これは粒子が容器の底に落ちる傾向があり、容器の底にスラッジまたはスラリーを形成することを意味します。沈降は、鉱業、廃水および飲料水処理、生物科学、宇宙 推進薬の再点火、^[1]、 およびすくい取り など、多くの用途で重要な操作です。

個別に考慮される沈降粒子、すなわち希薄粒子溶液の場合、粒子に作用する主な力は 2 つあります。主な力は、重力などの印加力と、流体中の粒子の動きによる抗力です。印加力は通常、粒子の速度の影響を受けませんが、抗力は粒子の速度の関数です。

静止している粒子には抗力は発生しないため、加えられた力によって粒子は加速します。粒子が加速すると、抗力は粒子の運動と反対方向に作用し、それ以上の加速を遅らせます。他の力がない場合、抗力は加えられた力に直接対抗します。粒子の速度が増加すると、最終的に抗力と加えられた力はほぼ等しくなり、粒子の速度にそれ以上の変化は生じなくなります。この速度は、粒子の終端速度、沈降速度、または落下速度として知られています。これは、個々の粒子の落下速度を調べることで簡単に測定できます。

粒子の終端速度は、多くのパラメータ、つまり粒子の抗力を変えるあらゆる要因によって影響を受けます。したがって、終端速度は、粒子のサイズ、形状（丸みと球形）と密度、および流体の粘度と密度に最も大きく依存します。

希薄懸濁液の場合、ストークスの法則は、空気または水の流体中の小さな球の沈降速度を予測します。これは、粒子の表面の粘性力の強さによって減速力の大部分がもたらされることに起因します。ストークスの法則は自然科学で多くの用途があり、次のように表されます。

${\displaystyle w={\frac {2(\rho _{p}-\rho _{f})gr^{2}}{9\mu }}}$

ここで、wは沈降速度、ρは密度（下付き文字pとf はそれぞれ粒子と流体を示します）、gは重力加速度、rは粒子の半径、μ は流体の動粘度です。

ストークスの法則は、粒子のレイノルズ数Reが0.1未満のときに適用されます。実験的に、ストークスの法則は、に対して1%以内、に対して3%以内 、および9%以内で成立することが分かっています。^[2]レイノルズ数が増加すると、流体の慣性の重要性が増すためストークスの法則は崩れ始め、抗力を計算するために経験的な解法を使用する必要があります。 ${\displaystyle Re\leq 0.1}$${\displaystyle Re\leq 0.5}$${\displaystyle Re\leq 1.0}$

抗力係数 を、粒子が受ける力を流体の衝撃圧力で割った比として定義すると、利用可能な流体力が抗力に伝達されると考えられる係数が確立されます。この領域では、衝突する流体の慣性が粒子への力の伝達の大部分を占めます。 ${\displaystyle C_{d}}$

${\displaystyle C_{d}={\frac {F_{d}}{{\frac {1}{2}}\rho _{f}U^{2}A}}}$

ストークス領域の球状粒子の場合、この値は一定ではありませんが、ニュートン力学の抗力領域では、球状粒子の抗力は定数 0.44 で近似できます。この定数値は、流体から粒子へのエネルギーの伝達効率が流体速度の関数ではないことを意味します。

したがって、ニュートン力学における粒子の終端速度は、抗力と加えられた力を等しくすることで得られ、次の式が得られます。

${\displaystyle w=2.46\left({\frac {(\rho _{p}-\rho _{f})gr}{\rho _{f}}}\right)^{\frac {1}{2}}.}$

ストークス抗力とニュートン抗力の中間領域には遷移領域が存在し、そこでは球体の落下問題に対する解析解が困難になる。これを解決するために、この領域での抗力を計算するための経験式が使用される。そのような経験式の一つはシラーとナウマンの式であり、次の場合に有効である可能性がある：^[3]${\displaystyle 0.2\leq Re\leq 1000}$

${\displaystyle {\frac {F}{\rho _{f}U^{2}A}}={\frac {12}{\mathrm {Re} }}\left(1+0.15\mathrm {Re} ^{0.687}\right).}$

ストークス沈降、遷移沈降、ニュートン沈降は、自由沈降として知られる無限流体中の単一球状粒子の挙動を表します。ただし、このモデルは実際の適用には限界があります。流体中の粒子の相互作用や、粒子と容器の壁との相互作用などの代替の考慮事項により、沈降挙動が変化する可能性があります。これらの力がかなり大きい沈降は、妨害沈降と呼ばれます。その後、半解析的または経験的なソリューションを使用して、意味のある妨害沈降計算を実行できます。

固体-ガスフローシステムは、乾式触媒反応器、沈殿タンク、固体の空気輸送など、多くの産業用途に使用されています。明らかに、産業操作では、抗力則は静止した流体に沈降する単一の球体のように単純ではありません。ただし、この知識は、経験的かつより洗練されたツールを適用してエンジニアが設計および研究する、より複雑なシステムで抗力がどのように動作するかを示しています。

たとえば、「沈殿タンク」は固形物や油を他の液体から分離するために使用されます。食品加工では、野菜を粉砕し、水とともに沈殿タンク内に入れます。油は水の上に浮かび、収集されます。飲料水および廃水処理では、沈殿前に凝集剤または凝固剤が追加されることが多く、沈殿タンクまたは（ラメラ）清澄装置ですぐに沈殿する大きな粒子を形成して、水の濁度を下げます。

ワイン造りにおいて、この工程はフランス語で「デブルバージュ」と呼ばれます。この工程は通常、白ワインの醸造では発酵が始まる前に行われます。^[4]

沈降性固形物は、静止した液体から沈降する微粒子です。懸濁液中の沈降性固形物は、イムホフ コーンを使用して定量化できます。透明なガラスまたはプラスチック製の標準的なイムホフ コーンは 1 リットルの液体を保持し、1 時間沈降した後に円錐形の容器の底に蓄積された固形物の体積を測定するための目盛りが付いています。標準化されたイムホフ コーン手順は、廃水または雨水流出水中の浮遊固形物を測定するためによく使用されます。この方法は簡単なため、水質の推定によく使用されます。浮遊固形物の安定性を数値的に測定し、凝集および沈殿イベントを予測するために、ゼータ電位が分析されることがよくあります。このパラメーターは、固体粒子間の静電反発力を示し、時間の経過とともに凝集および沈降が発生するかどうかを予測するために使用できます。

測定する水サンプルは、全流水を代表するものでなければならない。サンプルは、パイプから流れ落ちる水や堰堤から採取するのが最もよい。なぜなら、流れている水路の上部からすくい取ったサンプルでは、​​水路の底に沿って移動する、より大きく高密度の固形物を捕捉できない可能性があるからである。採取バケツは、コーンを満たすのに必要な量を注ぐ直前に、採取した固形物をすべて均一に再懸濁させるために激しくかき混ぜる。満たされたコーンは、静止した状態で沈降できるように、直ちに固定された保持ラックに置かれる。ラックは、液体内容物の熱密度変化によってコーン内に電流を生じさせる可能性のある直射日光などの熱源から離れた場所に置く必要がある。45分間沈降した後、コーンを対称軸の周りで部分的に回転させ、コーンの側面に付着した沈降物質を落とす。堆積した堆積物は、合計1時間の沈降時間後、15分後に観察され、測定される。^[5]

• 抗力方程式 – 抗力の方程式
• ゼータ電位 – コロイド分散液中の電気運動電位
• 沈降 – 懸濁液中の粒子が沈降する傾向
• 沈殿池 - 排水処理施設
• 懸濁液（化学）  – 媒体中に分散した固体粒子の不均一な混合物
• 総浮遊物質 – 水質パラメータ

ウィキメディア・コモンズには、 Settlingに関連するメディアがあります。

• 沈降性固形物法
• ストークスの法則終端速度計算機
• すべてのレイノルズ数に対する終末沈降速度計算機
• 沈降阻害、コーとクレベンジャーによる連続濃縮機の設計