لماذا تتكتل الجسيمات الدقيقة؟

1. لماذا يتجمع الغبار في الهواء دائمًا؟

عندما تشرق الشمس من خلال النافذة، لماذا يبدو الغبار العائم في الهواء وكأنه يتطاير دائمًا في كتل؟ بمجرد أن يبتل الدقيق، يميل إلى التكتل، مما يجعل انتشاره صعبًا، حتى مع التحريك. في الطقس الضبابي، لماذا يبدو أن تلوث الهواء يزداد كثافة بين عشية وضحاها؟ تكمن وراء هذه الظاهرة سمة مميزة للجسيمات: تميل إلى التكتل، كما يتجمع الناس للدفء في الرياح الباردة. تُعرف هذه العملية بتكتل الجسيمات.

2. لماذا تتكتل الجسيمات؟

هناك ثلاثة أسباب رئيسية لتكتل الجسيمات:

2.1 قوة فان دير فالز:

يمكن اعتبار قوة فان دير فالس نوعًا من التجاذب الصامت. فحتى عندما لا تكون الجسيمات مشحونة، فإنها تُشكل أقطابًا مغناطيسية قصيرة وصغيرة بسبب الحركة اللحظية للإلكترونات داخل الجزيئات، والتي تجذبها إلى بعضها البعض.

في الواقع، قوة فان دير فال هي قوة بين الجزيئات.

كما هو الحال عندما تقترب ورقتان من بعضهما وتنجذبان بالكهرباء الساكنة، حتى بدون وجود شحنة أو مغناطيسية واضحة. وبالمثل، عندما تقترب من شاشة التلفزيون، يقفز شعرك بسبب القوة الجزيئية الضعيفة المؤثرة.

بالنسبة للجسيمات التي يقل قطرها عن 10 ميكرون، فإن قوة فان دير فالز غالباً ما تفوق قوة الجاذبية، وهذا هو السبب في أن الجسيمات الدقيقة مثل PM2.5 وPM1.0 تميل إلى الالتصاق ببعضها البعض ويصعب إزالتها.

2.2 قوة الجسر السائل:

عندما تكون هناك رطوبة في الهواء، يمتص سطح الجزيئات بخار الماء بسهولة، ويشكل جسرًا سائلًا، يشبه إلى حد كبير قطرة الماء التي تربط بين كرتين صغيرتين.

على سبيل المثال: حبتا رمل جافتان لا تلتصقان ببعضهما، ولكن إذا كانتا مبللتين قليلاً، فقد تتكتلان بفعل الماء. الرمل الجاف لا يبني قلعة، أما الرمل الرطب فيبني تلة - هذا هو المبدأ العملي.

السيناريوهات النموذجية: تتكتل توابل المطبخ بسبب الرطوبة، ويتكتل مسحوق الغسيل بسبب امتصاص الرطوبة، وقلة الغبار على الطرق الممطرة.

2.3 التصادم والتكتل:

أثناء تحرك الجسيمات عبر الهواء أو الماء، تحدث العديد من الحركات النسبية والتصادمات. إذا توافرت الظروف المناسبة (مثلاً، إذا لم تكن السرعة عالية جدًا، وكان السطح ممتصًا أو مغطى بطبقة سائلة)، فقد تلتصق الجسيمات ببعضها بعد التصادم، مكونةً جسيمات أكبر.

تخيل مجموعة من الأشخاص يجلسون في حافلة تهتز. إذا كان عددهم كبيرًا جدًا واهتزت الحافلة بشدة، فغالبًا ما يصطدمون ببعضهم البعض ويتمسكون ببعضهم البعض للثبات. هذا الالتصاق غير المقصود يُشبه تصادم الجسيمات وتكتلها.

تعتمد سرعة هذا النوع من التكتل على تركيز الجسيمات، وسرعة مجال التدفق، وشدة الاضطراب. كلما كان التدفق عنيفًا وزاد عدد الجسيمات، زاد احتمال الاصطدام.

3. كيفية دراسة تكتل الجسيمات في المحاكاة؟

في الهندسة، نستخدم غالبًا ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD) ونماذج توازن السكان (PBM) لمحاكاة عملية تكتل الجسيمات.

لا يقوم PBM بمحاكاة مسار كل جسيم، بل يصف بدلاً من ذلك تطور "مجموعة الجسيمات" في مساحة حجم الجسيمات:

كيف يتناقص عدد الجسيمات مع مرور الوقت (لأن المزيد من الجسيمات تندمج في جزيئات أكبر)؟

كيف يزداد حجم الجسيمات المتوسط؟

كيف يتغير شكل توزيع حجم الجسيمات (PSD): من ذروة واحدة حادة
→ الاتساع التدريجي أو تشكيل قمم مزدوجة؟

4. ما هي الصناعات المتأثرة بتكتل الجسيمات؟

4.1 التكتل أمر شائع في الطبيعة

تكوين الكثبان الرملية: تلتصق جزيئات الرمل ببعضها وتتراكم بفعل الرياح. بنية التربة: يتحد الطين مع المادة العضوية للاحتفاظ بالماء والأسمدة. تجمع الخلايا: تُعزز القوى بين الجزيئات في الكائنات الحية تكوين الأنسجة.

4.2 التطبيقات الصناعية

يمكن أن يكون التكتل نعمة ونقمة في التطبيقات الصناعية.

سيناريو	تأثير	هل التكتل مطلوب؟
تنقية الهواء	يزداد حجم الجسيمات → أسهل في الترشيح	✔ نعم
مكافحة الضباب	يؤدي التكتل إلى استقرار أسهل → تحسين جودة الهواء	✔ نعم
المستحضرات الصيدلانية	حجم الجسيمات غير المتساوي → جرعة غير مستقرة	✕ لا
التجفيف بالرش	يؤدي لم الشمل إلى انسداد الفوهة وتكتلها	✕ لا
مفاعل كيميائي	انخفاض سطح التفاعل وضعف نقل الحرارة	✕ لا

4.3 تكنولوجيا مكافحة التكتل

بعد فهم الآليات وراء التكتل، قام المهندسون بتطوير حلول مختلفة لمنع حدوثه.

تقنية مكافحة التكتل	الآلية	سيناريوهات التطبيق
طلاء السطح	يشكل طبقة عزل مع السيليكا	مسحوق الحليب والقهوة سريعة التحضير
التجفيف باستخدام طبقة مميعة	الهواء الساخن يخلق تعليق الجسيمات	التحبيب الصيدلاني
عوامل مضادة للكهرباء الساكنة	يقلل من مقاومة السطح	معالجة الجسيمات البلاستيكية
الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية	يدمر هياكل الجسور السائلة	معدات فحص المسحوق

لذلك، فإن إمكانية محاكاة سلوك التكتل للجسيمات والتنبؤ به بدقة تشكل تقنية أساسية للتحكم في العمليات الصناعية.

مسحوق ملحمي

آلات مسحوق ملحمة متخصصة في تقنيات معالجة المساحيق المتقدمة، وتقدم حلولاً متطورة لتقليل حجم الجسيمات والتحكم في التكتل. بفضل سنوات خبرتنا الطويلة والتزامنا بالابتكار، نوفر معدات مصممة خصيصاً لمختلف الصناعات، لضمان الأداء الأمثل والكفاءة في معالجة الجسيمات. ثق بـ Epic Powder لمساعدتك على تحسين عمليات الإنتاج لديك وتحقيق نتائج فائقة.