Depositio tarkoittaa hiukkasten poistumista ilmasta pinnoille. Veden puhdistusvaikutus ja pölyhiukkasten sieppaus ilmasta perustuu erilaisiin fysikaalisiin ilmiöihin, kuten diffuusioon, agglomeraatioon ja gravitaatioon. Näillä ilmiöillä on vaikutusta hiukkasten kasvuun ja yhteen kokoontumiseen sekä laskeutumisnopeuteen ilmasta (Cheng 1978). Vaikuttava mekanismi riippuu hiukkasten koosta. Suuremmille hiukkasille, joiden halkaisija on yli 5 µm, merkittävä vaikuttava voima on agglomeraatio, koska suuremmilla hiukkasilla on enemmän pinta-alaa, johon muiden pienempien hiukkasten on helpompi tarttua (Hinds 1999). Pienimpien hiukkasten pinnoille asettumiseen vaikuttavista fysikaalisista ilmiöistä diffuusiolla on suurin vaikutus, koska diffuusiokerroin on suhteessa hiukkasten kokoon ja kuvaa ikään kuin hiukkaseen kohdistuvan ilmiön voimakkuutta (Hinds 1999).
Pölyhiukkasten depositioon vaikuttaa merkittävästi eri kokoisten hiukkasten saavuttama terminaalinen laskeutumisnopeus eli rajanopeus. Hiukkasen saavuttama rajanopeus tarkoittaa suurinta nopeutta, jonka pölyhiukkanen voi saavuttaa laskeutuessaan ilmasta kiinteälle pinnalle.
Hiukkasten laskeutumista kuvaa myös käsite terminaalinen laskeutuminen. Terminaalinen laskeutuminen ilmasta on nopeinta suuremmille hiukkasille, kun taas pienhiukkasille (PM2,5) terminaalinen laskeutuminen ilmasta voi kestää useista tunneista jopa muutamiin päiviin. Tämä johtuu siitä, että pienhiukkasilla on suhteellisesti suurempi pinta-ala suhteessa massaan, jolloin myös hiukkaseen kohdistuva suhteellinen ilmanvastus on suurempi ja näin ollen hidastaa hiukkasen laskeutumisnopeutta ilmassa (Smith 2001, Hinds 1999).
2.1.1 Agglomeraatio
Agglomeraatio tarkoittaa kiinteiden partikkelien, tässä tapauksessa pölyhiukkasten, törmäämistä toisiinsa ilmassa vesisumupisaroiden sitomana, jolloin hiukkaset takertuvat toisiinsa muodostaen suurempia ja massaltaan painavampia hiukkasia. Hiukkasten lukumääräpitoisuus alenee, mutta niiden massa kasvaa. Agglomeraatio-ilmiön synonyymi on koagulaatio, mutta koagulaatio-nimitystä käytetään perinteisesti nesteissä liikkuvista hiukkasista. Koagulaatio on myös aerosolien liikkeitä kuvaava termi. Agglomeraation
seurauksena syntyneitä suurempia ja painavampia hiukkasia kutsutaan agglomeraateiksi (Hinds 1999).
Brownin agglomeraatio perustuu Brownin liikkeeseen, jossa hiukkaset leijailevat ja liikkuvat ilmassa satunnaisesti kiemurrellen johtuen ympäröivien kaasumolekyylien törmäyksistä niihin.
Brownin liikkeen yhteydessä puhutaan myös diffuusiosta, joka on hiukkasten liikkumista pitoisuusgradientin suuntaan eli korkeammasta pitoisuudesta laimeampaan pitoisuuteen.
Diffuusio on verrannollinen lämpötilaan, mutta kääntäen verrannollinen hiukkasten lukumäärään, minkä takia diffuusio-ilmiö on tyypillinen pienemmille hiukkasille (Hinds 1999).
2.1.2 Painovoimainen agglomeraatio
Gravitaatioon eli luonnolliseen painovoimaan perustuvaan hiukkasten laskeutumiseen ja asettumiseen vaikuttavat eri nopeuksilla liikkuvien hiukkasten koko ja tiheys sekä ympäröivän kaasun ominaisuudet. Erilaiset laskeutumisnopeudet johtuvat ilmanvastuksen erilaisesta vaikutuksesta eri kokoisiin hiukkasiin. Painovoimainen agglomeraatio on merkittävä ilmiö isompien, halkaisijaltaan yli 10 µm kokoisille hiukkasille, koska tässä tapauksessa diffuusion vaikutusta ei huomioida (Hinds 1999). Gravitaation synnyttämää agglomeraatiota kuvaava kerroin, 𝛽𝑔, saadaan kaavasta
𝛽𝑔(𝑑𝑝𝑑𝑤) = 𝜋
4kg(dp+dw) 2 ∆vs (1)
Kaavan termi ∆𝑣𝑠 kuvaa hiukkasten ja pisaroiden laskeutumisnopeuksien eroa (Enbom ym.
1996).
2.1.3 Turbulenttinen agglomeraatio
Hiukkasten ja vesipisaroiden vuorovaikutukseen vaikuttavia keskeisiä tekijöitä ovat niiden väliset nopeuserot, mikä aiheutuu vesisumutussuihkun synnyttämistä pyörteisistä ilmavirtauksista. Turbulenttiselle agglomeraatiolle on esitetty vastaavanlainen kaava kuin gravitaation aiheuttamalle agglomeraatiolle
𝛽𝑔(𝑑𝑝𝑑𝑤) =0,163(𝑑𝑝+𝑑𝑤)3(𝑒𝑑
𝑣)12 (2)
Turbulenttisen agglomeraation kaavassa termi ed kuvaa turbulenttista kerrointa ja termi v ilman kinemaattista viskositeettia eli dynaamista viskositeettia (Enbom ym. 1996).
Agglomeraatiota voi myös aiheutua vesipisaroiden ja hiukkasten sähköisistä varauksista, jotka saavat ne kiinnittymään toisiinsa. Turbulenttinen ja sähköinen agglomeraatio ovat Enbomin ym.
(1996) mukaan yhtä tehokkaita, vaikka turbulenttisessa agglomeraatiossa vesipisaran ja hiukkasen väliseen kiinnittymiseen vaikuttavat lisäksi turbulenttisen ilmavirtauksen aiheuttamat nopeus- ja hitauserot.
2.1.4 Termoforeesi
Lämpötilan vaikutus kasvaa epäsymmetrisesti hiukkasen ja sitä ympäröivien kaasumolekyylien vuorovaikuttaessa toisiinsa. Lämpötilagradientti hiukkasta ympäröivässä kaasussa voi synnyttää voimia, jotka kohdistuvat pölyhiukkaseen. Hiukkasten liikettä, joka aiheutuu lämpötilagradientin vaikutuksesta ympäröivässä kaasussa, kutsutaan termoforeesiksi.
Termoforeesissa hiukkanen siirtyy ympäröivässä kaasussa lämpötilagradientin voimasta sinne suuntaan, jossa vallitsee alhaisempi lämpötila (Hinds 1999).
2.1.5 Pisaraominaisuudet
Syötetyn vesisumun pisarakoon avulla voidaan tehostaa pölyhiukkasten poistumista ilmasta.
Vesipisaroiden tehokkuuteen vuorovaikuttaa pölyhiukkasten kanssa vaikuttavat pölyhiukkasten koon lisäksi liukoisuus, hiukkasten hydrofobisuus- tai hydrofiilisyys, vettä sitovien suolojen läsnäolo, sähköinen varaus sekä olosuhteet kuten lämpötila, paine, suhteellinen kosteus ja kostuvuus. Kun vesipisaroiden koko vastaa lähelle pölyhiukkasten kokoluokkaa, noin 1–10 µm, puhdistustehokkuus on joissakin tutkimuksissa todettu olevan suurempi (Mody ym. 1988, Murfitt ym. 1989, Joshi 2009, Ren ym. 2011).
Eräässä tutkimuksessa (Charinpanitkulin ym. 2011) selvitettiin halkaisijaltaan <10 µm hiukkasten depositiota ilmasta. Charinpanitkulin ym. (2011) mukaan halkaisijaltaan 80–100 µm vesipisarat omaavat paremman pölyn poistotehokkuuden verrattuna halkaisijaltaan suurempiin, vesipisaroihin. Tätä ilmiötä selittää hiukkasten interseptio. Interseptio tarkoittaa pienten hiukkasten liikettä ilmavirtojen mukana, jolloin ne ajautuessaan liian lähelle vesipisaraa saattavat törmätä siihen. Lisäksi tutkimuksessa todettiin, että vesipisaroiden ja pölyhiukkasten nopeuden alentuessa pölyhiukkasten interseption vaikutus myös heikkenee. Vastaavia johtopäätöksiä esitettiin myös Gottesfeldin ym. (2008) tutkimuksessa, jossa selvitettiin, että paras pölyn poistotehokkuus saavutetaan syöttämällä tilaan hienoa, pisarakooltaan 10–250 µm vesisumua ja sijoittamalla vesisumua syöttävät suuttimet poispäin pölyä tuottavasta lähteestä.
Hiukkasen ja vesipisaran välinen nopeusero on merkittävässä roolissa niiden todennäköisyydessä törmätä ja tarttua toisiinsa. Kuvassa 1 on esitetty, kuinka pölyhiukkanen kulkeutuu seuraamaan ilmassa vesipisaran aikaansaamia ilmavirtauksia ja todennäköisimmin osuu yhteen vesipisaran kanssa, kun ne ovat samaa kokoluokkaa. Liian suuri vesipisara luo vastaavasti laajempia ilmavirtauksia ympärilleen, jolloin myös pienempi pölyhiukkanen ajautuu siitä kauemmas (Joshi 2009).
Kuva 1. Vesipisaran ja pölyhiukkasen kontaktipinnan muodostuminen riippuen pisaran ja hiukkasen koosta (http://www.zkg.de).
Erään tutkimuksen mukaan suurten hiukkasten puhdistustehokkuuden on todettu lisääntyvän, kun vesisumua syöttävä suutin asetetaan lähemmäs sumutettavan tilan seinää (Enbom ym.
1996). Tähän on todennäköisesti syynä se, että sumutussuihkun törmäysvaikutus on tehokkaampi, kun sumutus osuu vasten läheistä pintaa ja suurempien hiukkasten nopeus on niin suuri seinää kohden, että ne kiinnittyvät seinän pintaan paremmin (Enbom ym. 1996).
Hydrauliset, perinteisesti kaivosteollisuudessa käytetyt vesisumutuslaitteistot ja menetelmät syöttävät useita satoja mikrometrejä halkaisijaltaan olevia vesipisaroita, jotka eivät suuresta koostaan johtuen pääse törmäämään hienoimpiin ja terveydelle haitallisimpiin pölyhiukkasiin, jotka ovat halkaisijaltaan alle 10 µm (Ren ym 2011). Vesipisaroiden kokoa voidaan hallita säätelemällä painetta, jolla vettä syötetään. Tällä voidaan edelleen vaikuttaa vesipisaroiden kulkeutumisnopeuteen ilmassa (Pollock ym. 2007).
2.1.6 Pintajännitys
Veden korkealla pintajännityksellä on vaikutus siihen, miksi vesi ei yksistään välttämättä ole riittävä sitomaan tai tunkeutumaan hienoon kivimurskaan. Suuri pintajännitys aiheuttaa veden kovuutta, jolloin vesipisaran kasteleva vaikutus heikkenee (Tessum ym. 2016).