Sedimentationsgeschwindigkeit
Unter Sedimentationsgeschwindigkeit versteht man die Sink-, Absink- oder Absetzgeschwindigkeit, mit der sich ein Partikel innerhalb eines heterogenen Gemisches absetzt.
Mehr-Phasen-Gemische (fest-flüssig, flüssig-flüssig) lassen sich mechanisch durch die Wirkung der Gravitationskraft trennen (Sedimentation). Voraussetzung ist, dass die einzelnen Komponenten unterschiedliche Dichten besitzen und nicht ineinander löslich sind (z.B. Wasser und Öl).
Welche Kräfte wirken auf das Teilchen?
Auf ein von Flüssigkeit umgebenes Partikel (z.B. Feststoff oder Fetttröpfchen im Wasser oder Wassertröpfchen im Öl) wirken drei Kräfte (siehe Abbildung):
- Gewichtskraft FG
- Auftriebskraft FA
- Widerstandskraft FW
Der Gewichtskraft FG (Field Force, Gravity) stehen die Auftriebskraft FA (Buoyant Force) und die Widerstandskraft FW entgegen. Abhängig davon, ob die Dichte des Partikels größer oder kleiner als die des umgebenden Mediums ist, ergibt sich eine konstante Auftriebs- oder Absinkgeschwindigkeit V des Partikels.
Berechnung der Sedimentationsgeschwindigkeit
Unter vereinfachter Annahme einer laminaren Umströmung lässt sich die Sedimentationsgeschwindigkeit mit Hilfe des Stokesschen Gesetzes anhand des Kräftegleichgewichts ermitteln.
In der Zentrifugation bzw. im Zentrifugalfeld ergibt sich folgende Formel für die Sedimentationsgeschwindigkeit:
Parameter mit Einfluss auf die Sedimentationsgeschwindigkeit
Anhand dieser Gleichung lassen sich die Parameter ableiten, welche einen wesentlichen Einfluss auf die Auftriebs- oder Absinkgeschwindigkeit haben:
Durchmesser „d“ des Teilchens: Der Teilchendurchmesser bzw. Partikeldurchmesser geht quadratisch in die Formel ein. Je größer der Durchmesser (oder Partikelradius), desto höher die Sedimentationsgeschwindigkeit des Teilchens.
Dichtedifferenz „Δρ“ zwischen Teilchen und Flüssigkeit: Je höher die Dichtedifferenz des Teilchens und der Flüssigkeit, desto höher die Geschwindigkeit des Teilchens und desto schneller sedimentiert das Gemisch.
Dynamische Viskosität „η“ des Gemisches: Je niedriger die dynamische Viskosität des Produkts, desto höher die Absetzgeschwindigkeit des Teilchens.
Quelle
[1] Klaus Luckert: Handbuch der mechanischen Fest-Flüssig-Trennung,1. Auflage 2004
[2] Horst Kuchling: Taschenbuch der Physik; Fachbuchverlag Leipzig, 16. Auflage1996