顆粒沉降作為一種廣泛存在于自然界、工業(yè)生產(chǎn)以及日常生活的物理現(xiàn)象，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中，起到或正面或反面的作用，如在飲用水處理方面，可以利用顆粒的沉降去除懸浮物，從而達(dá)到凈化水源的效果；在大氣污染控制方面，可以利用顆粒沉降技術(shù)收集或去除排放氣體中的固體顆粒，以實(shí)現(xiàn)空氣的凈化；在陶瓷漿料中出現(xiàn)顆粒沉降現(xiàn)象，將會(huì)導(dǎo)致陶瓷制品出現(xiàn)表面不均勻、功能性降低的情況；在拋光液中出現(xiàn)顆粒沉降，將會(huì)影響襯底的拋光效果。可以說(shuō)掌握顆粒沉降的相關(guān)機(jī)理，對(duì)于科學(xué)研究、工程應(yīng)用以及日常生活等諸多方面都有非常重要的意義。接下來(lái)，小編將為大家介紹顆粒沉降以及應(yīng)對(duì)方法。

（圖源：東莞澳達(dá)環(huán)保新材料有限公司）

什么是顆粒沉降？

顆粒沉降是指固體顆粒在液體體系或氣體體系中由于受到重力、離心力或其他外力的作用下，而相對(duì)液體體系或氣體體系產(chǎn)生向下或向特定方向移動(dòng)的現(xiàn)象。在這個(gè)過(guò)程中，顆粒的密度、形狀、大小以及液體體系的濃度、pH值、溫度等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)顆粒的沉降速度產(chǎn)生影響。顆粒在液體體系中的沉降可以分為自由沉降和干涉沉降兩種類(lèi)型。其中，自由沉降是顆粒在無(wú)外力干擾的情況下，僅受重力作用而產(chǎn)生沉降現(xiàn)象的過(guò)程；而干涉沉降是指顆粒在液體中除了受重力的作用外，還會(huì)受到周?chē)渌w粒、容器壁面或其他外力的影響，從而產(chǎn)生的沉降的過(guò)程。通常情況下，顆粒沉降是可逆的，可以通過(guò)攪拌、增加流速等方式使顆粒重新懸浮。

陶瓷顆粒分散在水介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)（圖源：文獻(xiàn)4）

對(duì)于液體體系的影響

（1）液體中顆粒濃度不均勻：在初始狀態(tài)，顆粒會(huì)均勻的分散在液體中，呈現(xiàn)出平衡且均勻的狀態(tài)。然而，隨著時(shí)間的流逝，顆粒會(huì)在重力的持續(xù)作用下開(kāi)始沉降，此時(shí)液體體系會(huì)出現(xiàn)上清液和沉淀的分層,液體上部區(qū)域的顆粒數(shù)量逐漸減少，濃度也隨之降低；底部區(qū)域的液體則會(huì)因?yàn)轭w粒的不斷聚集，濃度持續(xù)升高。液體雖然會(huì)因?yàn)榉稚┑淖饔茫纬煽臻g位阻效應(yīng)，存在一段顆粒分散體系相對(duì)穩(wěn)定且沉降可逆的階段。但當(dāng)分散介質(zhì)不足以分散顆粒時(shí)，粉體就會(huì)在范德華力的作用下相互絮凝，從而形成不可逆的死沉淀。由此可見(jiàn)，顆粒沉降會(huì)影響到液體中顆粒濃度的均勻性。

（2）影響液體的熱傳遞：顆粒沉降會(huì)打破原有的均勻分散液體體系，使上部液體的密度、粘度縮小，底部液體的密度、粘度增大。在化學(xué)反應(yīng)器中，不均勻的粘度和密度分布會(huì)嚴(yán)重干擾熱傳遞的效率。底部高密度、高粘度的液體區(qū)域熱傳遞相對(duì)比較困難，容易出現(xiàn)過(guò)熱情況；而上部區(qū)域則會(huì)因?yàn)闊醾鬟f不充分存在過(guò)冷現(xiàn)象。這種不均勻的溫度分布對(duì)于化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程存在一定的負(fù)面影響，導(dǎo)致最終產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性有所降低。

除了以上兩種列舉的影響外，顆粒沉降還會(huì)影響到液體體系的光學(xué)、電學(xué)、生物學(xué)等諸多方面的性能，找尋到合適的、高效的、精準(zhǔn)的應(yīng)對(duì)方法是提升液體體系可靠性以及性能的重要途徑。

應(yīng)對(duì)方法

1、超聲分散

超聲分散是一種強(qiáng)度很高的分散手段，它主要是使用適當(dāng)頻率和功率的超聲波來(lái)處理顆粒懸浮液，從而使團(tuán)聚體打開(kāi)，以達(dá)到顆粒分散的目的。超聲波在液體中傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓力波動(dòng)，從而使液體中的氣泡經(jīng)歷形成、生長(zhǎng)和崩潰三個(gè)階段。氣泡崩潰時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的壓力和極高的溫度，可以有效破壞顆粒間的相互作用力，使顆粒分散。研究表明，超聲頻率會(huì)影響顆粒在介質(zhì)中的分散性，而顆粒粒徑將會(huì)決定最佳的超聲頻率。

徐春蘭等人研究了超聲對(duì)于納米TiO₂在水相體系中分散性的影響。他們用懸濁液的紫外吸光度表征了TiO₂水相分散性。研究表明，在一定超聲功率下，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，懸濁液吸光度呈現(xiàn)先增加后減小的變化趨勢(shì)。這是因?yàn)槌暡óa(chǎn)生的空化作用削弱了納米顆粒的表面能，提高了顆粒分散性；但隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，超聲產(chǎn)生的能量使體系溫度升高，顆粒能量增加，顆粒間的碰撞幾率大大增加，從而致使納米顆粒的再次團(tuán)聚。

2、表面改性或使用分散劑

采用化學(xué)方法分散顆粒的方式主要有兩種：一種是對(duì)顆粒進(jìn)行表面改性，將與液相溶劑具有較好相容性的有機(jī)分子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)嫁接在顆粒表面，以改變顆粒表面性質(zhì)，達(dá)到穩(wěn)定分散的效果。第二種是向懸浮液中添加分散劑，使分散劑在顆粒表面吸附，改善顆粒與介質(zhì)的相容性，從而改變顆粒和介質(zhì)、顆粒和顆粒之間的相互作用，增加顆粒之間的排斥力，阻礙顆粒之間的團(tuán)聚。

呂子彬等人研究四種不同分散劑對(duì)CaO-B₂O₃-La₂O₃玻璃/氧化鋁LTCC流延漿料分散穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)流延漿料的表觀黏度隨分散劑含量的加入呈現(xiàn)先下降后升高的趨勢(shì)，分散劑種類(lèi)不同，變化趨勢(shì)不同;當(dāng)TEGO-700用量為粉體質(zhì)量的2%時(shí)，漿料具有最低表觀黏度。

不同分散劑種類(lèi)最佳含量下漿料的沉降曲線(xiàn)（圖源：文獻(xiàn)1）

3、改善顆粒或液體性質(zhì)

對(duì)顆粒的大小、形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以有效減少顆粒聚集的傾向，從而降低顆粒沉降的驅(qū)動(dòng)力和沉降速度；調(diào)整液體的pH值，可以改變顆粒表面的電荷狀態(tài)，增強(qiáng)顆粒之間的靜電排斥力，促進(jìn)顆粒的分散和穩(wěn)定；根據(jù)斯托克斯定律，可以調(diào)整體系和顆粒之間的密度差值，從而有效降低沉降的趨勢(shì)。

陳光國(guó)等分別對(duì)單顆粒、均勻顆粒和非均勻顆粒群進(jìn)行沉降實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)粒徑大小、顆粒材質(zhì)、顆粒形狀對(duì)球形單顆粒的沉降速度都有較大影響，形狀系數(shù)對(duì)非球形單顆粒的沉降速度影響較大，顆粒級(jí)配對(duì)非均勻顆粒沉降速度影響較大，比例較小的大顆粒占群體沉降速度的比重較大，顆粒濃度越大平均沉降速度越小。

不同粒徑的顆粒沉降速度變化曲線(xiàn)（圖源：文獻(xiàn)5）

小結(jié)

除了以上提到的三種方法外，還可以通過(guò)施加電場(chǎng)、避免長(zhǎng)時(shí)間靜置、分級(jí)分離等方式來(lái)減少顆粒沉降的出現(xiàn)。總而言之，顆粒沉降是一個(gè)綜合性問(wèn)題，不能單一的僅使用一種方法，而需要考慮多方面的因素來(lái)得到最佳的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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