تجمع ذرات

تجمع ذرات (به زبان انگلیسی: Particle aggregation) یا تجمع‌یابی ذرات به فرآیندی گفته می‌شود که طی آن ذرات پراکنده در یک سوسپانسیون به یکدیگر می‌چسبند و مجموعه‌های نامنظم، لخته‌ها یا توده‌هایی را پدیدمی‌آورند. این پدیده که با نام‌های لخته‌سازی (فلوکولاسیون) یا انعقاد نیز شناخته می‌شود، به ناپایداری عملکردی سامانه‌های کلوئیدی می‌انجامد. سوسپانسیونی که در آن تجمع ذرات رخ می‌دهد «ناپایدار» نامیده می‌شود، در حالی که سوسپانسیونی که ذرات آن برای مدت طولانی پراکنده باقی می‌مانند «پایدار» خوانده می‌شود.

تجمع ذرات می‌تواند برگشت‌پذیر یا برگشت‌ناپذیر باشد. در جریان تجمع، ذرات بزرگ‌تر می‌شوند و ممکن است به کف ظرف ته‌نشین شوند (پدیدهٔ رسوب‌گذاری) یا در سوسپانسیون‌های غلیظ، ژل کلوئیدی تشکیل دهند. فرایند معکوس، یعنی پراکنده شدن مجدد ذرات به حالت اولیه، والختی نام دارد و به‌ندرت خودبه‌خود رخ می‌دهد.

این پدیده در فرآیندهای طبیعی و صنعتی بسیاری از جمله تشکیل دلتای رودخانه‌ها، تصفیه آب، کاغذسازی و ساخت پنیر نقش مهمی ایفا می‌کند.

مراحل اولیه

یک سوسپانسیون کلوئیدی پراکنده‌شده از ذرات منفرد تشکیل شده و با نیروهای دافعهٔ بین‌ذره‌ای پایدار می‌ماند. هنگامی که این نیروها با افزودن نمک یا منعقدکننده‌ای تضعیف شوند، ذرات شروع به تجمع می‌کنند. نرخ تجمع با ضریب سرعت تجمع $k$ توصیف می‌شود و نسبت پایداری $W$ از رابطهٔ زیر تعریف می‌شود:^[۱]

$W={\frac {k_{\text{fast}}}{k}}$

در سوسپانسیون‌های آبی، ذرات کلوئیدی بار سطحی کسب می‌کنند و لایه الکتریکی مضاعف در اطراف آن‌ها تشکیل می‌شود. افزودن نمک این لایه را ضعیف کرده و نیروهای واندروالسی جاذب غالب می‌شوند که به تجمع سریع منجر می‌گردد. تفسیر کمّی پایداری کلوئیدی نخستین بار در قالب نظریه DLVO ارائه شد.^[۱]

مراحل بعدی

با پیشرفت فرایند تجمع، خوشه‌های بزرگ‌تر از برخورد خوشه‌های کوچک‌تر با یکدیگر پدید می‌آیند. این خوشه‌ها نامنظم اما از نظر آماری خودمتشابه‌اند و نمونه‌هایی از فراکتال‌های جرمی به‌شمار می‌روند. جرم $M$ آن‌ها با شعاع دوران $R$ _g به صورت توان‌نمایی رشد می‌کند:^[۱]

M\propto R_{g}^{d}

که در آن $d$ بعد فراکتالی جرم است. بسته به سرعت تجمع، دو رژیم متمایز وجود دارد: تجمع خوشه‌ای با محدودیت انتشار (DLCA) با ساختار رها و شاخه‌دار ( $d$ ≈ ۱٫۸) و تجمع خوشه‌ای با محدودیت واکنش (RLCA) با ساختار فشرده‌تر ( $d$ ≈ ۲٫۱).^[۲]

کاربردها

تجمع ذرات در موارد گوناگونی اهمیت دارد:

تشکیل دلتای رودخانه: ذرات معلق در آب شیرین رودخانه هنگام رسیدن به آب شور دریا ناپایدار شده و تجمع می‌یابند و به تشکیل دلتا کمک می‌کنند.
تصفیه آب: برای حذف ذرات معلق از آب، عوامل منعقدکننده مانند یون‌های فلزی چندظرفیتی (مانند Fe³⁺ یا Al³⁺) یا پلی‌الکترولیت‌ها افزوده می‌شوند تا تجمع ذرات را شتاب دهند.^[۳]
کاغذسازی: افزودنی‌های نگهدارنده برای شتاب دادن به تجمع الیاف سلولز و ذرات پرکننده به کار می‌روند.
ساخت پنیر: تجمع میسل‌های کازئین از طریق اسیدی کردن شیر یا افزودن رنت، گام کلیدی در جداسازی دلمه از آب‌پنیر است.^[۳]

منابع

1 2 3 W. B. Russel, D. A. Saville, W. R. Schowalter, Colloidal Dispersions, Cambridge University Press, 1989.
↑ M. Y. Lin؛ H. M. Lindsay؛ D. A. Weitz؛ R. C. Ball؛ R. Klein؛ P. Meakin (۱۹۸۹). «Universality in colloid aggregation» (PDF). Nature. ۳۳۹ (۶۲۲۳): ۳۶۰–۳۶۲. بیبکد:1989Natur.339..360L. doi:10.1038/339360a0. S2CID 4347275.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)
1 2 M. Elimelech, J. Gregory, X. Jia, R. Williams, Particle Deposition and Aggregation: Measurement, Modelling and Simulation, Butterworth-Heinemann, 1998.

مشارکت‌کنندگان ویکی‌پدیا. «Particle aggregation». در دانشنامهٔ ویکی‌پدیای انگلیسی، بازبینی‌شده در ۹ مه ۲۰۲۶.

[russel-1] 1 2 3 W. B. Russel, D. A. Saville, W. R. Schowalter, Colloidal Dispersions, Cambridge University Press, 1989.

[lin-2] M. Y. Lin؛ H. M. Lindsay؛ D. A. Weitz؛ R. C. Ball؛ R. Klein؛ P. Meakin (۱۹۸۹). «Universality in colloid aggregation» (PDF). Nature. ۳۳۹ (۶۲۲۳): ۳۶۰–۳۶۲. بیبکد:1989Natur.339..360L. doi:10.1038/339360a0. S2CID 4347275.{{cite journal}}: نگهداری یادکرد:تاریخ به‌طور خودکار ترجمه‌شده (رده)

[gregory-3] 1 2 M. Elimelech, J. Gregory, X. Jia, R. Williams, Particle Deposition and Aggregation: Measurement, Modelling and Simulation, Butterworth-Heinemann, 1998.

[۱]

[۲]

[۳]