1. ¿Por qué el polvo en el aire siempre se acumula?
Cuando el sol entra por la ventana, ¿por qué el polvo que flota en el aire siempre parece aglomerarse? Al humedecerse, la harina tiende a aglomerarse, lo que dificulta su dispersión, incluso si se revuelve. Con clima brumoso, ¿por qué la contaminación del aire parece espesarse durante la noche? Tras estos fenómenos se esconde una característica de las partículas: tienden a agruparse, como las personas que se reúnen para calentarse en el viento frío. Este proceso se conoce como aglomeración de partículas.
2. ¿Por qué se aglomeran las partículas?
Hay tres razones principales por las que las partículas se aglomeran:
2.1 Fuerza de Van der Waals:
La fuerza de Van der Waals puede considerarse una especie de atracción silenciosa. Incluso cuando las partículas no tienen carga, forman pequeños polos magnéticos debido al movimiento instantáneo de los electrones dentro de las moléculas, que las atraen entre sí.
De hecho, la fuerza de Van der Waals es una fuerza intermolecular.
Al igual que cuando dos hojas de papel se acercan y se atraen por la electricidad estática, incluso sin una carga o magnetismo evidentes, al acercarte a una pantalla de televisión, se te eriza el pelo debido a la fuerza molecular débil.
En el caso de partículas con un diámetro inferior a 10 micrones, la fuerza de van der Waals a menudo supera a la gravedad, por lo que las partículas finas como PM2,5 y PM1,0 tienden a adherirse entre sí y son difíciles de eliminar.
2.2 Fuerza del puente líquido:
Cuando hay humedad en el aire, la superficie de las partículas absorbe fácilmente el vapor de agua, formando un puente líquido, muy parecido a una gota de agua que conecta dos pequeñas bolas.
Por ejemplo: dos granos de arena secos no se pegan, pero si están ligeramente húmedos, pueden aglutinarse con agua. La arena seca no puede construir un castillo, pero la arena húmeda sí puede construir una colina: este es el principio en acción.
Escenarios típicos: Los condimentos de cocina se apelmazan debido a la humedad, el detergente en polvo se apelmaza debido a la absorción de humedad y se reduce el polvo en las carreteras cuando llueve.
2.3 Colisión y aglomeración:
A medida que las partículas se desplazan por el aire o el agua, se producen numerosos movimientos relativos y colisiones. Si las condiciones son adecuadas (por ejemplo, si la velocidad no es demasiado alta y la superficie presenta adsorción o una película líquida), las partículas pueden unirse tras la colisión, formando partículas más grandes.
Imaginemos a un grupo de personas sentadas en un autobús que se tambalea. Si hay demasiadas personas y el autobús se sacude demasiado, suelen chocar entre sí y se agarran para mantenerse firmes. Esta adhesión involuntaria es similar a la colisión y aglomeración de partículas.
La velocidad de este tipo de aglomeración depende de la concentración de partículas, la velocidad del campo de flujo y la intensidad de la turbulencia. Cuanto más violento sea el flujo y mayor el número de partículas, mayor será la probabilidad de colisión.
3. ¿Cómo estudiar la aglomeración de partículas en simulación?
En ingeniería, a menudo utilizamos dinámica de fluidos computacional (CFD) y modelos de equilibrio de población (PBM) para simular el proceso de aglomeración de partículas.
PBM no simula la trayectoria de cada partícula, sino que describe la evolución de un “conjunto de partículas” en el espacio de tamaño de partícula:
¿Cómo disminuye el número de partículas con el tiempo (porque más partículas se fusionan para formar otras más grandes)?
¿Cómo aumenta el tamaño medio de las partículas?
Cómo cambia la forma de la distribución del tamaño de partícula (PSD): desde un único pico nítido
→ ¿Se ensanchan gradualmente o se forman picos dobles?
4. ¿Qué industrias se ven afectadas por la aglomeración de partículas?
4.1 La aglomeración es común en la naturaleza
Formación de dunas de arena: Las partículas de arena se adhieren entre sí y se acumulan durante el transporte eólico. Estructura del agregado del suelo: La arcilla y la materia orgánica se combinan para retener agua y fertilizantes. Agregación celular: Las fuerzas intermoleculares en los organismos promueven la formación de tejidos.
4.2 Aplicaciones industriales
La aglomeración puede ser tanto una bendición como una maldición en las aplicaciones industriales.
| Guión | Impacto | ¿Es necesaria la aglomeración? |
| Purificación de aire | El tamaño de las partículas aumenta → Más fácil de filtrar | ✔ Sí |
| Control de neblina | La aglomeración facilita la sedimentación → Mejora de la calidad del aire | ✔ Sí |
| Formulaciones farmacéuticas | Tamaño de partícula desigual → Dosificación inestable | ✕ No |
| Secado por aspersión | La reunión provoca obstrucciones y aglutinaciones en las boquillas | ✕ No |
| Reactor químico | Superficie de reacción reducida y mala transferencia de calor | ✕ No |
4.3 Tecnología antiaglomeración
Después de comprender los mecanismos detrás de la aglomeración, los ingenieros han desarrollado varias soluciones para prevenirla.
| Tecnología antiaglomerante | Mecanismo | Escenarios de aplicación |
| Recubrimiento de superficies | Forma una capa de aislamiento con sílice. | Leche en polvo, café instantáneo |
| Secado en lecho fluidizado | El aire caliente crea suspensión de partículas. | Granulación farmacéutica |
| Agentes antiestáticos | Reduce la resistencia de la superficie | Procesamiento de partículas de plástico |
| Vibración ultrasónica | Destruye estructuras de puentes líquidos | Equipo de cribado de polvos |
Por lo tanto, la posibilidad de simular y predecir con precisión el comportamiento de aglomeración de partículas es una tecnología clave para el control de procesos industriales.
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