การตกตะกอนของอนุภาคคือการเกาะติดของอนุภาคกับพื้นผิวโดยธรรมชาติ อนุภาคที่เกี่ยวข้องมักเป็นอนุภาคคอลลอยด์ในขณะที่พื้นผิวที่เกี่ยวข้องอาจเป็นระนาบ โค้ง หรืออาจเป็นอนุภาคที่มีขนาดใหญ่กว่าอนุภาคที่ตกตะกอนมาก (เช่น เม็ดทราย) กระบวนการตกตะกอนอาจถูกกระตุ้นโดยสภาวะการไหลของของเหลวที่เหมาะสมและการปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคกับพื้นผิวที่เอื้ออำนวย อนุภาคที่ตกตะกอนอาจก่อตัวเป็นชั้นเดียวซึ่งจะยับยั้งการตกตะกอนของอนุภาคเพิ่มเติม และในกรณีนี้เรียกว่าการอุดตันของพื้นผิวอนุภาคที่เกาะติดในตอนแรกอาจทำหน้าที่เป็นตัวเร่งการตกตะกอนของอนุภาคเพิ่มเติม ซึ่งนำไปสู่การก่อตัวของชั้นอนุภาคที่หนาขึ้น และกระบวนการนี้เรียกว่าการเจริญเติบโตของพื้นผิวหรือการเกาะติดของสิ่งสกปรกในขณะที่กระบวนการตกตะกอนโดยปกติแล้วไม่สามารถย้อนกลับได้ อนุภาคที่ตกตะกอนในตอนแรกอาจหลุดออกได้ กระบวนการหลังนี้เรียกว่าการหลุดออกของอนุภาคและมักถูกกระตุ้นโดยการเติมสารเคมีที่เหมาะสมหรือการเปลี่ยนแปลงสภาวะการไหล

จุลินทรีย์อาจเกาะติดกับพื้นผิวในลักษณะเดียวกับอนุภาคคอลลอยด์ เมื่อโมเลกุลขนาดใหญ่ เช่นโปรตีนโพลิเมอร์หรือ โพลิ อิเล็กโทรไลต์เกาะติดกับพื้นผิว เราเรียกกระบวนการนี้ว่าการดูดซับแม้ว่าการดูดซับของโมเลกุลขนาดใหญ่จะคล้ายกับการเกาะติดของอนุภาค แต่โมเลกุลขนาดใหญ่อาจเสียรูปไปอย่างมากในระหว่างการดูดซับ บทความนี้ส่วนใหญ่กล่าวถึงการเกาะติดของอนุภาคจากของเหลว แต่กระบวนการที่คล้ายกันนี้เกิดขึ้นเมื่อละอองลอยหรือฝุ่นละอองเกาะติดจากเฟสแก๊ส

อนุภาคอาจแพร่กระจายไปยังพื้นผิวในสภาวะนิ่ง แต่กระบวนการนี้ไม่มีประสิทธิภาพเนื่องจากชั้นการพร่องที่หนาเกิดขึ้น ซึ่งนำไปสู่การชะลอตัวของการตกตะกอนอย่างต่อเนื่อง เมื่อการตกตะกอนของอนุภาคมีประสิทธิภาพ กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นเกือบทั้งหมดในระบบที่มีการไหล ในสภาวะดังกล่าว การไหลของไฮโดรไดนามิกจะขนส่งอนุภาคให้เข้าใกล้พื้นผิว เมื่ออนุภาคอยู่ใกล้กับพื้นผิว มันจะเกาะติดโดยธรรมชาติเมื่อปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคกับพื้นผิวเป็นแบบดึงดูด ในสถานการณ์นี้ เราเรียกว่าสภาวะการตกตะกอนที่เอื้ออำนวยเมื่อปฏิสัมพันธ์เป็นแบบผลักกันในระยะทางที่ไกลกว่า แต่เป็นแบบดึงดูดในระยะทางที่สั้นกว่า การตกตะกอนจะยังคงเกิดขึ้น แต่จะช้าลง เราเรียกว่าสภาวะการตกตะกอนที่ไม่เอื้ออำนวยในที่นี้ ขั้นตอนเริ่มต้นของกระบวนการตกตะกอนสามารถอธิบายได้ด้วยสมการอัตรา^{[ 1 ]}

${\displaystyle {d\Gamma \over dt}=kc}$

โดยที่; คือความหนาแน่นของอนุภาคที่ตกตะกอน, คือเวลา, คือ ความเข้มข้น ของจำนวนอนุภาคและ คือสัมประสิทธิ์อัตราการตกตะกอน สัมประสิทธิ์อัตราขึ้นอยู่กับความเร็วการไหลรูปทรงเรขาคณิตของการไหล และศักยภาพปฏิสัมพันธ์ของอนุภาคที่ตกตะกอนกับพื้นผิว ในหลายสถานการณ์ ศักยภาพนี้สามารถประมาณได้โดยการซ้อนทับของแรงดึงดูดแวนเดอร์วาลส์และแรงผลักของชั้นไฟฟ้าคู่ และสามารถอธิบายได้ด้วยทฤษฎี DLVOเมื่อประจุของอนุภาคมีเครื่องหมายเดียวกับพื้นผิว การตกตะกอนจะเกิดขึ้นได้ดีที่ระดับเกลือสูง ในขณะที่จะเกิดขึ้นได้ยากที่ระดับเกลือต่ำ เมื่อประจุของอนุภาคมีเครื่องหมายตรงข้ามกับพื้นผิว การตกตะกอนจะเกิดขึ้นได้ดีในทุกระดับเกลือ และจะสังเกตเห็นการเพิ่มขึ้นเล็กน้อยของอัตราการตกตะกอนเมื่อระดับเกลือลดลงเนื่องจากแรงดึงดูดของชั้นไฟฟ้าสถิตคู่ ขั้นตอนเริ่มต้นของกระบวนการตกตะกอนค่อนข้างคล้ายกับขั้นตอนแรกของการรวมตัวของอนุภาคต่าง ชนิด กัน โดยที่อนุภาคหนึ่งมีขนาดใหญ่กว่าอีกอนุภาคหนึ่งมาก ${\displaystyle \Gamma }$${\displaystyle t}$${\displaystyle c}$${\displaystyle k}$

เมื่ออนุภาคที่ตกตะกอนผลักกัน การตกตะกอนจะหยุดลงเมื่อมีอนุภาคตกตะกอนมากพอ ณ จุดหนึ่ง ชั้นผิวดังกล่าวจะผลักอนุภาคใดๆ ที่อาจพยายามตกตะกอนต่อไป พื้นผิวจะอิ่มตัวหรือถูกปิดกั้นด้วยอนุภาคที่ตกตะกอน กระบวนการปิดกั้นสามารถอธิบายได้ด้วยสมการต่อไปนี้^{[ 2 ]}

${\displaystyle {d\Gamma \over dt}=kcB(\Gamma )}$

ฟังก์ชันการปิดกั้นพื้นผิวอยู่ ที่ไหนเมื่อไม่มีอนุภาคตกตะกอนและเมื่อความหนาแน่นของอนุภาคตกตะกอนเพิ่มขึ้น ฟังก์ชันการปิดกั้นจะลดลง พื้นผิวจะอิ่มตัวที่และฟังก์ชันการปิดกั้นที่ง่ายที่สุดคือ^{[ 3 ]}${\displaystyle B(\Gamma )}$${\displaystyle \Gamma =0}$${\displaystyle B(0)=1}$${\displaystyle \Gamma =\Gamma _{0}}$${\displaystyle B(\แกมมา _{0})=0}$

${\displaystyle B(\Gamma )=1-\Gamma /\Gamma _{0}}$

และเรียกอีกอย่างว่าฟังก์ชันการปิดกั้นของแลงมัวร์ เนื่องจากมีความเกี่ยวข้องกับไอโซเทอร์มของแลงมัวร์

กระบวนการปิดกั้นได้รับการศึกษาอย่างละเอียดในแง่ของ แบบจำลอง การดูดซับแบบลำดับสุ่ม (RSA) ^{[ 4 ]}แบบจำลอง RSA ที่ง่ายที่สุดที่เกี่ยวข้องกับการตกตะกอนของอนุภาคทรงกลมพิจารณาการดูดซับแบบย้อนกลับไม่ได้ของแผ่นดิสก์ทรงกลม แผ่นดิสก์หนึ่งแผ่นต่อจากอีกแผ่นหนึ่งจะถูกวางแบบสุ่มบนพื้นผิว เมื่อวางแผ่นดิสก์แล้ว มันจะติดอยู่ที่จุดเดิมและไม่สามารถถอดออกได้ เมื่อความพยายามที่จะตกตะกอนแผ่นดิสก์จะส่งผลให้เกิดการทับซ้อนกับแผ่นดิสก์ที่ตกตะกอนไปแล้ว ความพยายามนี้จะถูกปฏิเสธ ภายในแบบจำลองนี้ พื้นผิวจะถูกเติมเต็มอย่างรวดเร็วในตอนเริ่มต้น แต่ยิ่งเข้าใกล้จุดอิ่มตัวมากเท่าใด พื้นผิวก็จะถูกเติมเต็มช้าลงเท่านั้น ภายในแบบจำลอง RSA จุดอิ่มตัวเรียกว่าการติดขัด สำหรับแผ่นดิสก์ทรงกลม การติดขัดเกิดขึ้นที่ความครอบคลุม 0.547 เมื่ออนุภาคที่ตกตะกอนมีขนาดไม่สม่ำเสมอ ความครอบคลุมของพื้นผิวจะสูงขึ้นมาก เนื่องจากอนุภาคขนาดเล็กจะสามารถตกตะกอนลงในรูระหว่างอนุภาคขนาดใหญ่ที่ตกตะกอนได้ ในทางกลับกัน อนุภาคที่มีรูปร่างเป็นแท่งอาจทำให้การปกคลุมพื้นที่น้อยลงมาก เนื่องจากแท่งที่ไม่เรียงตัวกันเพียงไม่กี่แท่งอาจปิดกั้นพื้นที่ผิวส่วนใหญ่ได้

เนื่องจากการผลักกันระหว่างอนุภาคในสารแขวนลอยในน้ำเกิดจากแรงของชั้นไฟฟ้าคู่ การมีอยู่ของเกลือจึงมีผลสำคัญต่อการปิดกั้นพื้นผิว สำหรับอนุภาคขนาดเล็กและเกลือในปริมาณน้อย ชั้นกระจายตัวจะขยายออกไปไกลเกินกว่าอนุภาค และสร้างโซนกีดขวางรอบๆ อนุภาค ดังนั้น พื้นผิวจะถูกปิดกั้นที่ระดับการปกคลุมที่ต่ำกว่าที่คาดไว้ตามแบบจำลอง RSA มาก^{[ 5 ]} ที่ระดับเกลือสูงขึ้นและสำหรับอนุภาคขนาดใหญ่ ผลกระทบนี้มีความสำคัญน้อยลง และการตกตะกอนสามารถอธิบายได้ดีด้วยแบบจำลอง RSA

เมื่ออนุภาคที่ตกตะกอนดึงดูดซึ่งกันและกัน พวกมันจะตกตะกอนและรวมกลุ่มกันในเวลาเดียวกัน สถานการณ์นี้จะส่งผลให้เกิดชั้นที่มีรูพรุนซึ่งประกอบด้วยกลุ่มอนุภาคที่ผิวหน้า และเรียกว่าการสุกงอม (ripening) ความพรุนของชั้นนี้จะขึ้นอยู่กับว่ากระบวนการรวมกลุ่มของอนุภาคเกิดขึ้นเร็วหรือช้า การรวมกลุ่มที่ช้าจะทำให้เกิดชั้นที่แน่นกว่า ในขณะที่การรวมกลุ่มที่เร็วจะทำให้เกิดชั้นที่มีรูพรุนมากกว่า โครงสร้างของชั้นจะคล้ายกับโครงสร้างของกลุ่มอนุภาคที่เกิดขึ้นในขั้นตอนต่อมาของกระบวนการรวมกลุ่ม

การตกตะกอนของอนุภาคสามารถติดตามได้ด้วยเทคนิคการทดลองต่างๆ การสังเกตอนุภาคที่ตกตะกอนโดยตรงสามารถทำได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนหรือกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมีข้อดีคือสามารถติดตามการตกตะกอนของอนุภาคได้แบบเรียลไทม์ด้วยเทคนิควิดีโอ และสามารถวิเคราะห์ลำดับภาพในเชิงปริมาณได้^{[ 6 ]}ในทางกลับกัน ความละเอียดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงต้องการให้ขนาดอนุภาคที่ตรวจสอบมีขนาดเกินอย่างน้อย 100 นาโนเมตร

ทางเลือกอื่นคือการใช้เทคนิคที่ไวต่อพื้นผิวเพื่อติดตามการตกตะกอนของอนุภาค เช่นการสะท้อนแสง การวัดค่าเอ ลลิปโซเมตรีการเรโซแนนซ์ของพลาสมอนบนพื้นผิวหรือไมโครบาลานซ์ผลึกควอตซ์ [ ^{5 ] เทคนิคเหล่า นี้}สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณของอนุภาคที่ตกตะกอนตามฟังก์ชันของเวลาได้อย่างแม่นยำ แต่ไม่สามารถให้ข้อมูลเกี่ยวกับการจัดเรียงด้านข้างของอนุภาคได้

อีกแนวทางหนึ่งในการศึกษาการตกตะกอนของอนุภาคคือการตรวจสอบการเคลื่อนที่ของอนุภาคใน คอลัมน์ โครมาโทกราฟีคอลัมน์จะถูกบรรจุด้วยอนุภาคขนาดใหญ่หรือตัวกลางที่มีรูพรุนที่ต้องการศึกษา จากนั้น คอลัมน์จะถูกล้างด้วยตัวทำละลายที่ต้องการศึกษา และสารแขวนลอยของอนุภาคขนาดเล็กจะถูกฉีดเข้าไปที่ทางเข้าของคอลัมน์ อนุภาคจะถูกตรวจจับที่ทางออกด้วยเครื่องตรวจจับโครมาโทกราฟีมาตรฐาน เมื่ออนุภาคตกตะกอนในตัวกลางที่มีรูพรุน อนุภาคเหล่านั้นจะไม่ไปถึงทางออก และจากความแตกต่างที่สังเกตได้ สามารถอนุมานค่าสัมประสิทธิ์อัตราการตกตะกอนได้

การตกตะกอนของอนุภาคเกิดขึ้นในระบบธรรมชาติและระบบอุตสาหกรรมมากมาย ตัวอย่างบางส่วนแสดงไว้ด้านล่าง

• การเคลือบและการปรับแต่งพื้นผิว สี และกาว มักเป็นสารแขวนลอยที่มีความเข้มข้นของอนุภาคคอลลอยด์ และเพื่อให้ยึดติดกับพื้นผิวได้ดี อนุภาคจะต้องตกตะกอนลงบนพื้นผิวที่ต้องการ การตกตะกอนของอนุภาคคอลลอยด์ชั้นเดียวสามารถใช้ในการ ^{สร้าง}ลวดลายบนพื้นผิวในระดับไมโครเมตรหรือนาโนเมตร ซึ่งเป็นกระบวนการที่เรียกว่าการพิมพ์หินคอลลอยด์ [ ^{7 ]}
• ตัวกรองและเยื่อกรองเมื่ออนุภาคสะสมในตัวกรองหรือเยื่อกรอง จะทำให้รูพรุนอุดตันและเกิดการปนเปื้อน ของเยื่อกรอง ^{[ 8 ]}ในการออกแบบเยื่อกรองที่มีประสิทธิภาพ จะต้องหลีกเลี่ยงการสะสมของอนุภาค และการทำงานของเยื่อกรองอย่างเหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ
• การตกตะกอนของจุลินทรีย์จุลินทรีย์อาจตกตะกอนในลักษณะเดียวกับอนุภาคคอลลอยด์ การตกตะกอนนี้เป็นปรากฏการณ์ที่พึงประสงค์ในน้ำใต้ดิน เนื่องจากชั้นหินอุ้มน้ำจะกรองจุลินทรีย์ที่ถูกฉีดเข้าไปในที่สุดระหว่างการเติมน้ำในชั้นหินอุ้มน้ำ^{[ 9 ]}ในทางกลับกัน การตกตะกอนดังกล่าวเป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์อย่างยิ่งที่ผิวฟันของมนุษย์ เนื่องจากเป็นต้นกำเนิดของคราบจุลินทรีย์การตกตะกอนของจุลินทรีย์ยังเกี่ยวข้องกับการก่อตัวของไบโอฟิล์มด้วย