1. Perché la polvere nell'aria si accumula sempre?
Quando il sole splende attraverso la finestra, perché la polvere che fluttua nell'aria sembra sempre formare grumi? Una volta che la farina si bagna, tende ad ammassarsi, rendendo difficile la dispersione, anche se mescolata. Con la foschia, perché l'inquinamento atmosferico sembra addensarsi durante la notte? Dietro questi fenomeni si cela una caratteristica delle particelle: tendono ad accumularsi, proprio come le persone che si riuniscono per scaldarsi al vento freddo. Questo processo è noto come agglomerazione delle particelle.
2. Perché le particelle si agglomeratono?
Esistono tre ragioni principali per cui le particelle si agglomerano:
2.1 Forza di Van der Waals:
La forza di van der Waals può essere considerata una sorta di attrazione silenziosa. Anche quando le particelle non sono cariche, formano brevi e piccoli poli magnetici a causa del movimento istantaneo degli elettroni all'interno delle molecole, che le attraggono l'una verso l'altra.
In effetti, la forza di van der Waals è una forza intermolecolare.
Proprio come quando due fogli di carta si avvicinano e vengono attratti dall'elettricità statica, anche in assenza di una carica o di un magnetismo evidenti. Allo stesso modo, quando ci si avvicina a uno schermo televisivo, i capelli si sollevano a causa della debole forza molecolare in gioco.
Per le particelle con un diametro inferiore a 10 micron, la forza di van der Waals spesso supera la gravità, motivo per cui le particelle fini come PM2,5 e PM1,0 tendono ad attaccarsi tra loro e sono difficili da rimuovere.
2.2 Forza del ponte liquido:
Quando nell'aria c'è umidità, la superficie delle particelle assorbe facilmente il vapore acqueo, formando un ponte liquido, proprio come una goccia d'acqua che collega due piccole palline.
Ad esempio: due granelli di sabbia asciutti non si attaccano tra loro, ma se sono leggermente bagnati, possono agglomerarsi a causa dell'acqua. La sabbia asciutta non può costruire un castello, ma la sabbia bagnata può costruire una collina: questo è il principio in azione.
Scenari tipici: i condimenti da cucina si agglutinano a causa dell'umidità, il detersivo si agglutina a causa dell'assorbimento di umidità e la polvere si accumula in meno sulle strade bagnate.
2.3 Collisione e agglomerazione:
Quando le particelle si muovono nell'aria o nell'acqua, si verificano molti movimenti relativi e collisioni. Se le condizioni sono favorevoli (ad esempio, se la velocità non è eccessiva e la superficie presenta adsorbimento o un film liquido), le particelle possono unirsi dopo la collisione, formando particelle più grandi.
Immaginate un gruppo di persone sedute su un autobus che trema. Se ci sono troppe persone e l'autobus trema troppo, spesso si scontrano tra loro e si tengono strette l'una all'altra per rimanere ferme. Questa adesione involontaria è simile alla collisione e all'agglomerazione di particelle.
La velocità di questo tipo di agglomerazione dipende dalla concentrazione delle particelle, dalla velocità del campo di flusso e dall'intensità della turbolenza. Più violento è il flusso e maggiore è il numero di particelle, maggiore è la probabilità di collisione.
3. Come studiare l'agglomerazione delle particelle nella simulazione?
In ingegneria utilizziamo spesso la fluidodinamica computazionale (CFD) e i modelli di bilancio della popolazione (PBM) per simulare il processo di agglomerazione delle particelle.
Il PBM non simula la traiettoria di ogni particella, ma descrive invece l'evoluzione di un "insieme di particelle" nello spazio dimensionale delle particelle:
Come diminuisce il numero di particelle nel tempo (perché più particelle si fondono in particelle più grandi)?
Come aumenta la dimensione media delle particelle?
Come cambia forma la distribuzione granulometrica (PSD): da un singolo picco netto
→ allargandosi gradualmente o formando doppi picchi?
4. Quali settori sono interessati dall'agglomerazione delle particelle?
4.1 L'agglomerazione è comune in natura
Formazione delle dune di sabbia: le particelle di sabbia aderiscono tra loro e si accumulano durante il trasporto del vento. Struttura degli aggregati del suolo: argilla e sostanza organica si combinano per trattenere acqua e fertilizzanti. Aggregazione cellulare: le forze intermolecolari negli organismi promuovono la formazione dei tessuti.
4.2 Applicazioni industriali
Nelle applicazioni industriali l'agglomerazione può rivelarsi sia una benedizione che una maledizione.
| Scenario | Impatto | È richiesta l'agglomerazione? |
| Purificazione dell'aria | Aumento delle dimensioni delle particelle → Più facile da filtrare | ✔ Sì |
| Controllo della foschia | L'agglomerazione facilita la sedimentazione → Miglioramento della qualità dell'aria | ✔ Sì |
| Formulazioni farmaceutiche | Granulometria irregolare → Dosaggio instabile | ✕ No |
| Essiccazione a spruzzo | La riunione provoca l'intasamento e l'agglomerazione degli ugelli | ✕ No |
| Reattore chimico | Superficie di reazione ridotta e scarso trasferimento di calore | ✕ No |
4.3 Tecnologia anti-agglomerazione
Dopo aver compreso i meccanismi alla base dell'agglomerazione, gli ingegneri hanno sviluppato diverse soluzioni per prevenirla.
| Tecnologia antiagglomerante | Meccanismo | Scenari applicativi |
| Rivestimento superficiale | Forma uno strato isolante con silice | Latte in polvere, caffè istantaneo |
| Essiccazione a letto fluido | L'aria calda crea una sospensione di particelle | Granulazione farmaceutica |
| Agenti antistatici | Riduce la resistenza superficiale | Lavorazione delle particelle di plastica |
| Vibrazione ultrasonica | Distrugge le strutture dei ponti liquidi | Attrezzatura per la vagliatura delle polveri |
Pertanto, la possibilità di simulare e prevedere con precisione il comportamento di agglomerazione delle particelle è una tecnologia fondamentale per il controllo dei processi industriali.
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