अवसादन व निचरण

अवसादन व निचरण : अवसादन म्हणजे द्रव व सूक्ष्म घन पदार्थ यांच्या मिश्रणातील घन पदार्थ वेगळे करण्याची क्रिया आणि निचरण म्हणजे अशा मिश्रणातील निवळ द्रव वेगळा करण्याची क्रिया होय. अवसादनाची क्रिया सर्वस्वी किंवा मुख्यतः गुरुत्वाकर्षणाच्या साहाय्याने केली जाते. एखाद्या नदीच्या पाण्याबरोबर बराच गाळ येत असेल तर ते पाणी गालनाने, म्हणजे चाळणीने किंवा वस्त्राने गाळून, भरड गाळ सहज वेगळा करता येतो परंतु सूक्ष्म कण एकदम वेगळे करता येत नाहीत. नदीचे गढूळ पाणी भांड्यात घालून स्थिर ठेवल्यावर काही वेळाने त्याच्यातील सूक्ष्म कण गुरुत्वाकर्षणाने भांड्याच्या तळाशी बसतात व त्यांच्या थरावर निवळ पाणी राहते.

अवसादन क्रियेने पुढील गोष्टींपैकी एखादी गोष्ट साधली जाते. (१) गढूळ द्रवापासून स्वच्छ द्रव मिळविणे किंवा (२) गढूळ द्रवातील द्रव शक्य तितका काढून टाकून घन पदार्थांचा चिखलासारखा गारा मिळवणे किंवा (३) गढूळ द्रवातील वेगवेगळ्या आकारमानाचे किंवा घनतेचे कण अलग करणे.

द्रव स्वच्छ करण्याच्या क्रियेला ‘निर्मलीकरण’ व गारा मिळविण्याच्या क्रियेला ‘निबिडीकरण’ म्हणतात. या दोन्ही क्रियांचा उपयोग आधुनिक उद्योगधंद्यांत फार मोठ्या प्रमाणात होतो. नैसर्गिक गढूळ पाणी स्वच्छ करून शहरातील लोकांना व उद्योगधंद्यांना त्याचा पुरवठा करणे, कागदाच्या उत्पादनात मोठ्या प्रमाणात तयार होणारे गढूळ पाणी स्वच्छ करून ते त्याच कारखान्यात पुन्हा वापरता येण्याजोगे करणे, सांडपाणी निर्मल करून ते पुन्हा वापरता येईल असे करणे इत्यादींत वरील क्रिया महत्त्वाच्या असतात. साखरेच्या उत्पादनात, उसाच्या किंवा बीटच्या तापविलेल्या रसातील गदळ अवसादनाने काढून टाकतात. नंतर रसाचे सांद्रीकरण करून तो सारखेच्या स्फटिकीकरणासाठी पाठविला जातो. सिमेंट बनविण्यासाठी निरनिराळे कच्चे पदार्थ एकत्र मिसळून जे चूर्ण केलेले असते, ते भरपूर पाण्यात कालवितात व नंतर त्या कालवणातून अवसादनाने व निबिडीकरणाने मिळणारा अंश भट्टीत भाजण्यासाठी पाठविला जातो.

कित्येक प्रक्रियांत गढूळ मिश्रणातील फक्त द्रव भागच, तर कित्येक प्रक्रियांत त्यांच्यातील घन भागच उपयुक्त असतो, तर कित्येक प्रक्रियांत दोन्ही भाग उपयुक्त असतात. उदा., कॅल्शियम हायड्रॉक्साइड व सोडा ॲश यांची विक्रिया करून दाहक (कॉस्टिक) सोडा तयार करताना स्वच्छ केलेल्या द्रवात दाहक सोडा असतो व अवसाद (साका) कॅल्शियम कार्बोनेटाचा असतो. ही दोन्ही द्रव्ये उपयुक्त असतात. तसेच सांडपाण्यातील गदळात खताचे गुणधर्म असले, तर त्याच्या निर्मलीकरणाने मिळणारे पाणी व घन अवसाद ही दोन्ही उपयुक्त ठरतात.

घन पदार्थाच्या चूर्णातील कणांचे प्रकारीकरण करण्यासाठी म्हणजे निरनिराळ्या व सारख्याच आकारमानाचे कण असलेल्या निरनिराळ्या राशी मिळविण्यासाठीही अवसादनाचा उपयोग केला जातो.

अवसादन कमी वेळात होणे व द्रवाचे शक्य तितके निर्मलीकरण होणे या गोष्टी उद्योगधंद्यांच्या दृष्टीने अत्यंत इष्ट असल्यामुळे अवसादनाच्या प्रक्रियेचे बरेच अध्ययन करण्यात आलेले आहे.

द्रवातील निलंबित (लोंबकळणारा) कण गुरुत्वाकर्षणामुळे गतिमान होऊन द्रवाच्या तळाकडे वाढत्या वेगाने जाऊ लागतो. परंतु द्रवाच्या श्यानतेमुळे (दाटपणामुळे) त्याला विरोध होत असतो. त्यामुळे कणाचा खाली जाण्याचा वेग वाढत न जाता जसाच्या तसाच कायम राहतो. कण खाली जात असताना त्याला जो कमाल वेग प्राप्त होऊ शकतो त्याला ‘सीमांत वेग’ म्हणतात. अवसादन होत असताना घन कण हे बहुधा सीमांत वेगानेच जात असतात. विरोधी प्रेरणा कमी करून व सीमांत वेग वाढवून अवसादनाचा वेग वाढविता येणे शक्य असते. विरोधी प्रेरणा ही कणाचा आकार, व्यास, त्याचा वेग व प्रवेग (वेग वाढण्याचे प्रमाण) आणि द्रवाची घनता व श्यानता यांवर मुख्यतः अवलंबून असते. द्रवातील इतर कणांच्या व अवसादनासाठी वापरलेल्या भांड्याच्या भिंतीच्या सान्निध्याच्या प्रभावामुळेही विरोधी प्रेरणेत फेरफार होतात. विरोधी प्रेरणा व वर उल्लेख केलेले प्रचल (कणाचा आकार, व्यास इ. विशिष्ट कण व द्रव यांच्या बाबत अचल असणार्‍या राशी) यांचे परस्परसंबंध अतिशय गुंतागुंतीचे असतात. कणाचा व्यास ०.०४ मिमी. पेक्षा कमी असल्यास स्टोक्स यांच्या

Vt= gd² (Ps-Pe)

                        18η

या समीकरणाने व तो १ मिमी. पेक्षा अधिक असल्यास न्यूटन यांच्या

Vt= 4gd (Ps-Pe)

                      3P ef_D

या समीकरणाने सीमांत वेग ठरविता येतो.

या समीकरणांत Vt=सीमांत वेग, g=गुरुत्वप्रवेश, d=कणाचा व्यास, Ps व Pe या अनुक्रमे कणांची व द्रवाची घनता, n=द्रवाची श्यानता आणि f_D= न्यूटन घर्षणांक आहेत.

परंतु कण गोल, दृढ व सुटे असून ते जणू अथांग सागरासारख्या विस्तीर्ण द्रवात गुरुत्वाकर्षणामुळे खाली जात असले, तरच वरील समीकरणांचा उपयोग होतो. पण प्रत्यक्ष व्यवहारातील स्थिती अगदी वेगळी असते. कणांचा आकार क्वचितच पूर्ण गोल असतो. कित्येक कण अनियमित आकाराचे किंवा काडीसारखे किंवा चापट असतात. अवसादन सुरू झाल्यानंतर द्रवात निलंबी कणांची दाटी होते व कोणत्याही कणावर शेजारच्या कणांचा प्रभाव पडणे शक्य होते. दोन किंवा अधिक कण एकमेकांस सैलसर चिकटून त्यांचा समूह किंवा गुठली होणे व त्या समूहातील कणांच्यामध्ये कमी-अधिक द्रव असणेही शक्य असते. अशा विविध परिस्थितींमुळे सारखीच घनता असणार्‍या निलंबित कणांचेही अवसादन भिन्न गतीने होणे शक्य असते. म्हणून अवसादन होत राहून द्रवाच्या तळाशी कलानुक्रमाने तयार होणारे थर एकसारखे असतीलच असे नाही.

गढूळ द्रवावरील पूर्वसंस्कार : मिश्रणातील घन व द्रव पदार्थ अवसादानाने वेगळे करण्यापूर्वी त्या मिश्रणावर काही संस्कार करून अवसादनाची गती वाढविणे शक्य असते. एकेकट्या कणापेक्षा कणांचे थवे अधिक वेगाने तळाकडे जातात म्हणून मिश्रणातील कण एकत्र होऊन त्यांचे पुरेशा मोठ्या आकारमानाचे थवे किंवा पुंजके व्हावे, म्हणजे त्यांचे ऊर्णन (लहान कणांचे मोठे कण बनणे) व्हावे, यासाठी योग्य असा पदार्थ मिश्रणात घालतात. बहुतेक सूक्ष्म कण ðकलिल असतात. कलिलांचे जलस्‍नेही व जलविरोधी असे दोन गट असतात. जलविरोधी कलिलावर विद्युत विच्छेद्यांचा (प्रत्यक्ष द्रव्याचे स्थानांतरण होऊन विद्युत् प्रवाह वाहून नेणारे पदार्थ) अतिशय परिणाम होतो. पण जलस्‍नेही कलिलावर तो होत नाही. जलविरोधी कलिलाच्या पृष्ठावर विद्युत् भार असतो. त्याविरुद्ध स्वरूपाच्या भाराची भर पडेल अशा विद्युत् विच्छेद्याची भर मिश्रणात घालून जलविरोधी कलिलाच्या भाराचे उदासीनीकरण करता येते. उदासीनीकरण झाल्याने ऊर्णन होण्यास व परिणामी अवसादनाची गती वाढण्यास मदत होते. ऊर्णन होण्यासाठी कोणता पदार्थ वापरावा व उद्योगधंद्यात कोणता परवडेल, हे प्रत्यक्ष प्रयोग करून ठरवावे लागते. भाजलेला चुना, ॲल्युमिनियम सल्फेट, फेरस सल्फेट, अकार्बनी अम्‍ले व क्षार (सोडियम, पोटॅशियम यांसारख्या मूलद्रव्यांची हायड्रॉक्साइडे व कार्बोनेटे) आणि कार्बनी (सेंद्रिय) पदार्थांपैकी डिंक, स्टार्च इत्यादींपैकी एखादा पदार्थ ऊर्णनासाठी वापरला जातो. तुरटी घातल्यावर गढूळ पाण्यातील गाळ लवकर तळाशी बसतो व पाणी निर्मल होते हा सामान्य अनुभव आहे. तुरटीतील ॲल्युमिनियम सल्फेटामुळे हे घडून येते.

टाकीतील द्रव-घन मिश्रणाची उंची जितकी कमी व टाकीच्या तळाचे क्षेत्रफळ जितके अधिक तितके अवसादन अधिक जलद होते म्हणून शक्य तितक्या कमी उंचीची व अधिक विस्तृत तळाची टाकी वापरणे फायदेशीर असते.

अवसादनाची व निचरणाची उपकरणे : लहान प्रमाणात करावयाच्या अवसादनासाठी साध्या टाक्या किंवा हौद वापरले जातात. द्रव-घन मिश्रण टाकीत भरून ते स्थिर राहू दिले जाते. अवसादन पुरे झाल्यावर निर्मलीकृत द्रव व निबिडीकृत अवसाद हे वेगळे केले जातात. द्रव काढून घेण्यासाठी टाकीच्या भिंतीत निरनिराळ्या उंचीवर तोट्या बसविलेल्या असतात. सर्वांत वरच्या तोटीपासून सुरुवात करून उत्तरोत्तर अधिक खालच्या तोट्यांतून निचरण केले जाते. टाकीच्या तळात निबिडीकृत अवसाद काढून घेण्याची तोटी बसविलेली असते. टाकीतील निर्मलीकृत द्रव व निबिडीकृत अवसाद काढून घेतल्यावर तिच्यात नवे द्रव-घन मिश्रण घालून पुन्हा अवसादन केले जाते. म्हणजे अवसादन थांबून थांबून करावे लागते. मोठ्या प्रमाणावर अवसादन करण्यासाठी ही पद्धती काटकसरीची ठरत नाही. म्हणून अवसादन व निचरण ही अविरत होत राहतील अशी व्यवस्था असलेली उपकरणे शोधून काढण्यात आली आहेत. त्यांच्या कार्यपद्धतीची कल्पना पुढील आकृतीवरून येईल.

या आकृतीतील उपकरणाचा मुख्य भाग म्हणजे उलट्या बसकट शंकूसारखा तळ असलेली गोल टाकी. या टाकीच्या तळाचा उतार टाकीच्या मध्यभागाकडे असतो. टाकीच्या मध्यभागी घुसळण्यासाठी रवीसारखा भाग असतो. त्याचा दांडा सरळ उभा असून त्याच्या तळालगतच्या भागास आडवे आरे व त्या आऱ्यांच्या खालच्यापृष्ठास कित्येक पाती बसविलेली असतात. रवी फिरविली असता ही पाती टाकीच्या तळावर खरडत घासटत जातील अशा रीतीने बसविलेली असतात. रवी वर किंवा खाली सरकविण्याची व्यवस्था असते. रवीच्या दांड्याचे वरचे टोक टाकीच्या झाकणाच्या मध्याशी व झाकणाच्या बाहेर डोकावणारे असते व ते फिरवून सर्व रवी फिरविता येते. रवीच्या दांड्याबाहेर व त्याच्या भोवती झाकणापासून खाली टाकीत, टाकीच्या उंचीच्या जवळ ^१/_२ ते ^१/_३ खोल जाणारा उभा नळ बसविलेला असतो. या नळातून द्रव-घन मिश्रण टाकीत घालतात. ते मिश्रण सरळ टाकीच्या तळाकडे जाते.

वरच्या भागातील निर्मलीकृत द्रवात मिसळत नाही. टाकीच्या माथ्याजवळ व तिच्या भिंतीच्या आत, भिंतीला चिकटून सभोवार बसविलेला एक सांडपाण्याचा पन्हळ असतो व त्यात येणारे पाणी टाकीच्या बाहेर नेण्याकरिता एक नळ बसविलेला असतो.

द्रव-घन मिश्रणाची भर टाकीत सतत पडेल व रवी अगदी मंद गतीने सतत फिरेल अशी व्यवस्था असते. मिश्रणातील घन पदार्थ रवीच्या पात्यांनी टाकीच्या बुडाच्या मध्याकडे सरकविले जातात व ते पुरवठ्याच्या नळीच्या सरळ खाली साचून चिखल किंवा गारा तयार होतो. हा गारा टाकीच्या बुडाच्या मध्याखाली बसविलेल्या तोटीतून बाहेर काढला जातो. द्रव-घन मिश्रणाची भर टाकीच्या खालच्या भागात पडत असते व या भरीच्या दाबाने निर्मलीकृत द्रव वर उचलला जाऊन सांड-पन्हळात पडतो व तेथून नळावाटे टाकीच्या बाहेर जातो.

संदर्भ : Brown, G. G. and Others, Unit Operations, New York, 1962.

बेहेरे, श्री. ना.