Boycott Effect

Thema

Sedimentationsprozesse sind in vielen Bereichen des Lebens zu finden, da wir ständig Situationen begegnen, in denen Teilchen absinken. Zum Beispiel, wenn man morgens seinen Kaffee in der Kanne zubereitet - der Kaffeesatz sinkt in der Tasse ab, sodass wir ihn nicht mittrinken müssen. Diese Prozesse sind allerdings nicht nur zuhause beim Kaffee trinken, sondern auch zum Beispiel in der Industrie von großer Relevanz. Bei der Abwasserreinigung in Klärbecken, bei dem Untersuchen von Blut- oder Gewässerproben, sowie bei Schmelzflusselektrolysen in der Metallindustrie - bei all diesen Vorgängen findet eine Sedimentation statt. Kann man also die Absinkgeschwindigkeit erhöhen und optimieren, spart man einiges an Zeit und die Effizienz dieser Vorgänge wird deutlich gesteigert. Ein genau solche Beschleunigung kann durch das schräg halten eines Containers auftreten, aufgrund des sogenannten "Boycott Effekts". Um dieses Effekt ging es auch dieses Jahr in der 15. Aufgabe des GYPTs / IYPTs:

"If particles are suspended in a liquid that has a lower density than the particles, the particles will settle to the bottom of the container. The rate of settling can be affected by tilting the container that holds the liquid. Explain this phenomenon and investigate the effect of relevant parameters."

Angelehnt an diese Aufgabenstellung haben wir den gesagten Effekt untersucht, das Phänomen qualitativ und quantitativ theoretisch untersucht und dies Zudem experimentell untersucht.

Theorie

Qualitative Erklärung

Erklärung des Boycott-Effekts

Sinken Partikel in einer gewissen Konzentration in einer Flüssigkeit ab, so hindern sie sich gegenseitig am Absinken, auf der einen Seite durch die Interaktion mit der verdrängten Flüssigkeit, auf der anderen Seite durch direkte Interaktion der Partikel. Der Effekt entsteht nun grundlegend dadurch, dass der Abstand der Wasseroberfläche zu den Wänden des Containers bei einem gekippten Container kleiner ist. Dies führt dazu, dass die Partikel schneller eine Wand erreichen, an welcher sie sich absetzten können. Haben sie diese erreicht, hindern sie weniger Partikel am Absinken und sind selbst bereits schneller abgesetzt. Zudem entsteht eine Konvektion in unserem gekippten Container, da durch die an der schrägen Wand liegenden Partikel auf der einen Seite, und die klare Flüssigkeit auf der anderen Seite eine deutliche Dichtedifferenz entsteht. Diese Konvektion als Flüssigkeitsbewegung bewirkt, dass die Partikel schneller nach unten gelangen, die Absetzrate und -geschwindigkeit wird also erhöht.

Quantitatives Modell

Parameter

Parameter des Behälters

Um ein umfassendes Modell entwickeln zu können ist zunächst erstmalentscheidend die wichtigen Parameter des Systems zu identifizieren, welche in unserem Fall folgende sind:

• Eigenschaften des Behälters (Höhe $h_b$, Breite $b$, Abkippwinkel $\alpha$)
• Partikeleigenschaften (Dichte $\rho_p$, Durchmesser $a$)
• Flüssigkeitseigenschaften (Dichte $\rho_f$, dynamische Viskosität $\eta$)
• Partikelkonzentration $C$

Aufbau

Aufbau 1: LEDs + LDRs

bild + Text

Erfolge

Jugend Forscht: 1. Platz Landeswettbewerb (Physik)

GYPT

Danksagung

Falk Ebert

Timo Huber

Anja Dücker

Sonstiges

Antonias Vortrag im GYPT-Finale 2022