logo

logo

logo

logo

logo

الترسبات (عوامل-)

ترسبات (عوامل)

Sedimetation agents -

 الترسبات

الترسبات (عوامل-)

العوامل المؤثرة في عملية الترسب

القوى المؤثرة في عملية الترسب

معدلات ترسب الجزيئات  

الطبقات الرسوبية (أنماط الترسيب)

 

الترسـب sedimentation مصطلح جيولوجي يعبر عن نواتج مجموعة من العمليات الفيزيائية والكيميائية، كالتجوية weathering والتعرية erosion والحت corrosion تعطي مجتمعةً الشكل النهائي للرواسب sediments، وبعد مرور زمن محدد من تشكل تلك الرواسب تتصلب جسيماتها لتشكل مظهراً جيولوجياً محدداً.

يعتقد الجيوكيميائيون أن ظاهرة الترسب عملية كيميائية بحتة، تتناول ميل الجسيمات المعلقة ضمن المائع suspended particles بأحجامها المختلفة إلى الاستقرار خارجه، وصعوداً إلى السطح أو هبوطاً إلى القاع، ويعود هذا إلى مدى استجابتها للقوى المؤثرة فيها؛ وهي قوة الثقالة وسرعة التثفل والكهربائية المغنطيسية بين الجزيئات نفسها من جهة، وبين السائل من جهة أخرى.

يبين الشكل (1) عملية الترسيب بالمعنى الجيولوجي والكيميائي، وتبدأ بالتجوية والتعرية التي تفتت الصخور وتنقل نتاجها بوساطة الموائع (أمطار، تيارات مائية) إلى البحيرات والبحيرات الجافة (البلايا) playa lakes والأنهار والبحار، وتعرف بعملية النقل transportation إلى وسط الترسيب، ليبدأ الترسب كيميائياً عندما تنفصل الجسيمات تبعاً لعدة عوامل مختلفة في أشكال رسوبية نهائية.

الشكل (1)

تشمل عملية الترسب جسيمات مختلفة الأحجام تدعى الرسابة sediment، وهي مواد صلبة تراكمت بمرور الزمن على الأجزاء المكشوفة كالجبال، أو المغمورة من سطح الأرض في الأنهار الجارية.

العوامل المؤثرة في عملية الترسب

تُصنَّف العوامل المؤثرة في عملية الترسب في عوامل كيميائية كحجم الرسابة وطبيعتها وشكلها، وعوامل فيزيائية كالرياح والمياه الجارية، وتيارات المد والجزر، وكذلك التيارات المائية المحملة بالرواسب، كالتيارات العكرة وجريان الحطام.

- حجم الرسابة: يؤدي كلٌّ من حجم الرسابة وطبيعتها وشكلها دوراً مهماً في عملية الترسب؛ فالجسيمات الدقيقة الحجم تبقى معلَّقة في القسم العلوي من ماء المجرى عدة أيام مثل الوحل، بخلاف الجزيئة الكبيرة الحجم التي تترسب بسرعة كالحصيات والرمل الخشن لخضوعها لقوة ثقل نتيجة تأثير الجاذبية الأرضية فيها، كما هو موضح في الشكل (2). أما من حيث طبيعة الرسوبيات فيمكن لبعضها أن تتخثر مع الأملاح، كأملاح الحديد وتشكل مواد غروية معلقة، فتزداد كثافتها وكذلك حجمها وتترسب بسرعة أكبر، كما يمكن أن يؤدي شكل الجسيمات دوراً في سرعة الترسب، ويوضح الشكل (3) أن الجزيئات الكروية الشكل تترسب قبل الجسيمات العشوائية الشكل.

الشكل (2)
الشكل (3)

- تأثير الشروط الجوية: كدرجة الحرارة والرياح، ويُعدُّ تأثير درجة الحرارة محدوداً، فعند ارتفاعها ينخفض منسوب التدفق ضمن المجرى الحاوي غطاء نباتياً؛ مما يخفف من عملية التصادم بينه وبين الرسابة، فتترسب بسرعة نسبية أعلى بقليل منها في أثناء انخفاض درجة حرارة المائع، الذي يتميز بتدفق عالٍ متصادم مع مكوناته، وبالتالي يحتاج الترسب إلى وقت أطول لتكتمل العملية، فينخفض حد بدء الترسيب. أما ما يتعلق بالرياح فعندما تنخفض سرعتها وتهدأ العاصفة تبدأ الجزيئات الكبيرة الحجم بالتساقط، ومن ثم تُحمل الجزيئات الصغيرة الحجم والوزن إلى مسافات أبعد.

- سرعة الجريان (التدفق) النهري: تتغير سرعة المياه ضمن المجرى تبعاً لكمية الهواطل ودرجة انحداره، فكلما تناقصت درجة الانحدار وكمية الأمطار تبدأ سرعة المائع بالتناقص، فتترسب أكبر المواد حجماً بدءاً من ترسب الحجارة، ثم الحصى الكبيرة، تتبعها الحصى الصغيرة فالرمال ثم الغَرِين silt الشكل (4).

الشكل (4)

القوى المؤثرة في عملية الترسب

بعد الحديث عن العوامل الفيزيائية الخارجية المتعلقة بعملية الترسب لا بد من ربطها بالقوى الميكانيكية المؤثرة تأثيراً مباشراً في الجزيئات المتحركة ضمن المائع، والتي تكون محصلتها بارامتراً يُدعى سرعة الترسيب، وهو مقدار يعبر عن سرعة ترسبها ضمن المائع، ويتوقف ذلك على حجمها وشكلها وكثافتها ولزوجة المائع وكثافته ودرجة اضطرابه المحددة بعدد رينولدز Reynolds number. يضاف إلى ذلك القوى الميكانيكية المتمثلة في قوة الثقل وقوة الطفو وقوة الاحتكاك.

استنتاج سرعة الترسب ضمن المائع: عندما تكون الجزيئة في المائع فإنها تخضع للقوى المحددة بالشكل (5):

الشكل (5)

- قوة الجاذبية الأرضية ، وتعبر عن قوة ثقل الجزيئة، وتساوي كتلتها مضروبة بتسارع الجاذبية الأرضية، حيث إن كتلة الجزيئة تساوي كثافتها مضروبة بحجمها ، و تعطى بالقانون التالي:

 
 

- قوة الطفو المحددة بدافعة أرخميدس؛ تمثل مجموع القوى الخارجية المعاكسة لقوة الجاذبية الأرضية والمطبقة على حجم الجزيئة ضمن طبقات المائع المختلفة اللزوجة، والمحددة بـ وفق العلاقة (3):

 

- الكبح بسبب اللزوجة: تتحرك الجزيئة بتأثير قوى لزوجة المائع، وتعرف بقوة الاحتكاك التي تتولد نتيجة احتكاك الطبقات النهرية المختلفة بالحمولة واللزوجة، وتعطى بالعلاقة (4).

 

حيث: : كثافة الماء.

: معامل الطفو.

: المقطع العرضي للجزيئة المتعامد مع اتجاه الحركة.

: سرعة الجزيئة.

- تتعيَّن حركة الجزيئة عندئذٍ وفق قانون نيوتن بالعلاقة (5):

 

حيث mp كتلة الجزيئة.

بعد زمن قصير من بداية الحركة يتناهى التسارع إلى الصفر بسبب تزايد قوة الاحتكاك مع السرعة؛ مما ينجم عنه سرعة ترسيب ثابتة (العلاقة 6):

 

وبحساب الجذر التربيعي للسرعة تنتج سرعة الترسيب للجسيمات المنفصلة مهما كان شكلها بالعلاقة (7):

 

ومما سبق يمكن التوصل إلى الاستنتاجات التالية:

الاستنتاج الأول:

تتأثر عملية الترسيب المعبر عنها بسرعة الترسيب في حالة الجزيئات المنفصلة مهما كان شكلها طرداً مع قوى الجاذبية الأرضية وحجم الجزيئة، وعكساً مع كثافة المائع. وهذا ما يلاحظ في تدرج الطبقات بدءاً من الجزيئات الناعمة العلوية لتصل إلى الحصيات المتزايدة الحجم وفق سرعة الترسيب لتستقر في قاع النهر، فعلى سبيل المثال؛ من أجل الجزيئات الكروية المنفصلة (العلاقة 8):

 

حيث: قطر الكرة.

يمكن الحصول على سرعة الترسيب باستعمال العلاقة (8)، ويعبر عن سرعة الجسيمات الكروية بالمعادلة (9):

 

قانون ستوكس Stokes law: قام ستوكس بدراسة حركية الجزيئة الكروية في المائع ضمن نظام تدفق انسيابي، حيث أثبت أن القوة الأساسية المحيطة بكل أطرافها خلال انتقالها ضمن المائع هي قوة الطفو، كما في الشكل (6)، واستنتج مقداراً يسمى معامل الطـفو ، وربطه بنظام التدفق النهري للجزيئة المعبر عنه بعدد رينولدز Reynolds number المساوي حاصل قسمة القوى الدافعة الناجمة عن نشاط المائع العطالي inertial forces، والتي تساوي قوى الضغط الفعال الممارس على الرسابة مقسومة على قوى اللزوجة viscous forces، والتي تنجم عن الاحتكاك المستمر بين الطبقات المختلفة بحمولتها وحدودها وفق العلاقة (10):

 
الشكل (6)

وبالدراسة التجريبية وجد أن عدد رينولدز يأخذ القيم التالية بحسب سرعة الجريان ونوعه:

 

عند دراسـة معـامل الطفو للجزيئة -المسـمى بمعامل نيوتن Newton coefficient- وجد تأثره بعاملين، وهما:

- التدفق المحيط بجوانب الجزيئة.

- شكل الجزيئة.

وبالتالي يعطى وفق العلاقة (11) من أجل الجزيئات الكروية الشكل:

 

أما الجريان الصفيحي (الطبقي) فيكون العدد (العلاقة 12):

حيث REP هو عدد رينولدز للجزيئة.

 (أي إن معامل الطفو مهمل عند التدفق الانسيابي) (العلاقة 13):

 

يوصف التدفق بأنه انسيابي عندما لا يوجد تغيير بالتدفق مع مرور الزمن. وبالتالي يعطى معامل الطفو بعد تعويض قيمة عدد رينولدز بالعلاقة (14):

 

تعوض العلاقة (11) الممثلة بقوة الطفو بالعلاقة (9) المعبرة عن ترسيب الجسيمات الكروية للحصول على قانون ستوكس كما في العلاقة (15):

 
 

الاستنتاج الثاني:

في حالة الجزيئات الكروية تتأثر عملية الترسيب طرداً مع كل من مربع نصف قطر الجزيئة والفرق بين كثافتها وكثافة السائل المحيط، وعكساً مع لزوجة المائع. أي إذا كانت كثافة الجزيئة أكبر من كثافة السائل فإنها ستهبط نحو الأسفل، مع أخذ حجم الجزيئة في الحسبان، وبحالة نظام تدفق انسيابي حصراً.

يُطبق ترسيب ستوكس بحالة الجزيئات الكروية التي قطرها أصغر من المنفصل بعضها عن بعض، والتي لا تتمتع بحركية متبادلة مع الجزيئات المحيطة بها، أي إن القوى الدافعة مهملة ضمن تدفق المائع الانسيابي. وعند ازدياد حجم الجزيئة يكون قانون ستوكس غير مطبق، ويعود ذلك إلى تعاظم القوى الدافعة على حساب قوى لزوجة المائع، التي تصبح غير قادرة على احتجاز الجزيئة، فتكسبها سرعة ترسيب خارج مجال السرعة المعطاة بقانون ستوكس، والتي تتبع عامل رينولدز وقوة الطفو (الشكل 7).

الشكل (7) انحراف سرعة ترسيب الجزيئة عن قانون ستوكس عند اختلاف حجمها لاكتسابها سرعة جديدة محددة بعدد رينولدز ومعامل الطفو.

الاستنتاج الثالث: سرعة الترسيب من أجل قدر جزيئي أكبر من :

عند تغير نظام التدفق يتغير معامل الطفو المعطى بالقانون ، فتنتج منه قيم مختلفة لعدد رينولدز، وبالتالي يتغير نظام الترسيب. وهنا يلزم معيار جديد لتحديد سرعة الترسيب، وهو أبعاد الجزيئة (العلاقة 16):

وتكون الحركة اضطرابية صافية عندما تعطى أبعاد الجزيئة المدروسة مثل (الوحل، الطين، الرمل، الحصى، الحجارة الكبيرة) بالجدول (1):

الجدول (1)

Re

Dµm

0.02

20

0.4

60

2

100

20

300

عند القيمة الرابعة لمعامل الطفو (حجم الحصى) والمحددة بقيمة لعدد رينولدز أكبر من 500، وبأبعاد أكبر من تتولد طبقة حدية boundary layer بين قسمي الجزيئة مولدة نموذج تدفق مختلفاً بحركته عن حركة المائع المحيط بالجزيئة المغمورة.

يلاحظ في الشكل (8) نموذج تدفق وراء الجزيئة مختلف عن أمامها؛ مما يولد بداية نظام مضطرب، لتكون سرعة الترسيب في حدود cm/s 80 من أجل الجزيئات ذات الحجم المذكور، وبالتالي تقل درجة الطفو لازدياد معدل الترسيب.

الشكل (8)

يكون نظام التدفق مضطرباً بالقيمة العظمى لعدد رينولدز، وفي ظروف الاضطراب تتسارع الجزيئة لتبلغ سرعة منتظمة بنقطة بعيدة عن السطح، وبعدها يتساوى وزن الجسم المغمور مع قوة التعويق الاحتكاكي؛ مما يؤدي إلى ترسيبها بسرعة أعظمية 460 cm/s بنقطة بعيدة عن السطح، والتي تشملها الجزيئات الكبيرة الحجم والمتميزة بمعدل طفو منخفض جداً، وذلك لقلة ثباتها ضمن نظام التدفق. وهذا ما يحدث في الطبقات النهائية (الشكل 9).

الشكل (9)

معدلات ترسب الجزيئات

دُرِست معدلات ترسب الجسيمات ورُبطت بالحجم والتركيز لأهميتها الصناعية المطبقة في تنقية المياه الصناعية، حيث تم من خلال هذه الدراسة الحديث مفصلاً عن الطبقات الرسوبية المحددة بأربعة أنماط رئيسية، والاستفادة منها بتصميم حوض الترسيب ليستوعب أكبر كمية من الرسوبيات (الملوثات الصناعية)، ويرسبها بزمن أقل وفق الدراسة التالية.

يُعطى القانون العام لمعدل الترسيب ضمن مقطع عرضي A وفق العلاقة (17):

 

A : مساحة المقطع العرضي مقدراً بـ.

F : حاصل قسمة المائع المتدفق على نسبة المواد الصلبة.

L : التدفق الأفقي للسائل على نسبة المواد الصلبة.

: كثافة المائع .

: سرعة الترسيب .

: نسبة إنتاج المواد الصلبة .

يكون عمق الحوض مساوياً زمن حجز الجزيئة ضمن المائع وفق المعادلة السابقة.

ووفق الدراسة السابقة بالعلاقة (17) تم تعويض قيم مختلفة من سرعات الترسيب وكثافة المائع ونمط التدفق الموافق وأبعاد الجزيئة؛ فكان المخطط البياني المحدد بالشكل (10) الذي ميز عدة نقاط، وهي:

الشكل (10)

1- الجسيمات النامية flocculent: هي جسيمات كبيرة الحجم، وسرعتها عالية، وقادرة على الاتحاد مع الجزيئات ذات السرعة المنخفضة مثل الأجسام الطافية؛ وترسيبها.

2- يلاحظ وفق المخطط السابق انخفاض سرعة الترسيب للجسيمات النامية بمرور الزمن المترافق مع انخفاض عمق الحوض، وبالتالي عند تصميم أحواض الترسيب يجب أن يكون الحوض عميقاً لتحقيق أطول زمن بقاء ضمن الطبقة المعلقة؛ مما يحقق ارتباطاً أعلى يؤدي إلى كمية رسوبيات أكثر، وتنقية ذات جودة مرتفعة.

3- تتحقَّق صحة الشكل (10) إذا ما اقترن بنوع تدفق انسيابي، أي عندما تكون الجسيمات حرة (غير خاضعة للقوى الديناميكية)، ولا تقع تحت تأثير نمط تدفق مضطرب؛ لأن التدفق المضطرب يقلل من زمن الاحتفاظ بها ومن تركيز الجزيئات مجتمعة، وبالتالي يؤثر في جودة عملية الترسيب.

الطبقات الرسوبية (أنماط الترسيب)

 

قبل معرفة تصميم حوض الترسيب لا بد من معرفة تركيب الطبقات الرسوبية الموضحة بالشكل (11):

الشكل (11) العلاقة بين أنماط الترسيب الأربعة وتركيز الجسيمات، وطبيعة الجزيئات الطافية.

تتوضع الطبقات الرسوبية وفق أربعة أنماط. الطبقة الأولى وهي الجسيمات المنفصلة التي تترسب في أول عملية الترسيب (الجسيمات الصلبة)، تليها الجسيمات النامية، وهي الجسيمات التي تتحد كيميائياً مع الأملاح لتعطى حجماً كبيراً نسبياً، وتصبح قادرة على الترسب بسرعة، ثم النمط الثالث، وهو الجسيمات التي تتعرض لقوى الممانعة، والطبقة الرابعة والأخيرة تتكون من الجسيمات المعرّضة للقوى الضاغطة، والتي تأخذ عدة أيام لتترسب.

شكل حوض الترسيب

بعد مراعاة النقاط السابقة وأنماط الترسيب المذكورة يصمم حوض الترسيب وتحدد أبعاده، وهي كما يلي:

العمق أمتار، الطول متراً، ميول المنحدر السفلي ، أي من درجات سرعة دوران زاوية الجرف دورة كل دقيقة.

وقد جرى تطبيق الأنماط المذكورة سابقاً بعملية تنقية المياه الصناعية على النحو التالي:

- تترسب الجزيئات الصلبة التي يقل تركيزها عن أولاً في أسفل القاع. تشتمل الطبقة الأعلى منها - والتي تؤلف الجزء الأكبر من الرسوبيات - على الجسيمات المعلقة غير المنحلة، وتبقى معلقة ضمن هذا التركيز، وتترسَّب مع مرور الزمن لتشكِّل النمط الثاني من الترسيب.

- لزيادة سرعة عملية الترسيب والانتقال إلى النمط الثالث منه، يزداد تركيز الجسيمات التي تركيزها أقل من إلى باتحادها مع المواد الكيميائية التي تُضخ لتتجاوز منطقة الردغة الطينية وتترسب بعد زمن معين.

- عندما يزيد تركز الجزيئات المترسبة الناتجة من ترسيب الجسيمات المعلقة مع المواد الكيميائية، والمسماة بالجسيمات النامية في منطقة ردغة الطين sludge to waste فإنها تؤثر ميكانيكياً في الجزيئات الموجودة بالأعلى فتترسب بسرعة. وهذا آخر نوع من أنواع الترسيب، الذي يطلق عليه الترسيب تحت تأثير قوى الضغط، ويتطلب عدة أيام لينجز بحيث يراوح تركيز الجسيمات بين ، وبالتالي يحدد حوض الترسيب أربعة أنماط أساسية للترسيب فيه (الشكل 12).

الشكل (12)

تطبيقات الترسيب

1- معالجة المياه.

2- معالجة المياه الصناعية.

3- إدارة النفايات الصلبة، الطين.

يبين الشكل (13) كيفية معالجة المياه الكلسية وجعلها صالحة للشرب اعتماداً على النمط الثالث المذكور، حيث تُضخ المواد الكيميائية في المرحلة الأولى لتخفيف الكلس بوجود البوليمر المخثر لسحب الجسيمات المعلقة في المائع وتحويلها إلى جسيمات نامية مرتفعة التركيز، لتترسب بعد فترة من الزمن، ومن ثم التخلص منها، والحصول على ماء صالح للاستهلاك البشري. وهو نموذج مستخدم في سورية صناعياً.

الشكل (13)

ربا دوير

مراجع للاستزادة:

- D. L. Forster, Sediment Deposits in Drainage Ditches, PN 1980.

P. Y. Julien, Erosion and Sedimentation, Cambridge University Press, 2010.

- M. R. Leeder, Sedimentology and Sedimentary Basins: from Turbulence to Tectonics, Wiley-Blackwell, 2011.

- M. R. Leeder, Sedimentology: Process and Product, Springer, 2012.

- P. Schuck, Z. Huaying, Sedimentation Velocity, Analytical Ultracentrifugation: Interacting Systems, CRC Press, 2017.

 


التصنيف : التقانات الصناعية
النوع : التقانات الصناعية
المجلد: المجلد السابع
رقم الصفحة ضمن المجلد :
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 1074
الكل : 40582064
اليوم : 111879