Partikelstorlek – definition, kornstorlek och partikelstorleksfördelning

Vad menas med partikelstorlek?

Partikelstorlek beskriver en partikels typiska linjära mått, ofta uttryckt som diameter eller som en ekvivalentdiameter för en sfär. Eftersom riktiga partiklar kan vara oregelbundet formade används ibland begrepp som ekvivalent sfärisk diameter, aspektkvot eller spaltbredd för att bättre beskriva formen. Partikelstorlek anges i vanliga fall i enheter som nanometer (nm), mikrometer (µm) eller millimeter (mm).

Klassificering av kornstorlek (jord, sediment, grus)

Olika discipliner använder något olika gränser för kornstorlekar. Två ofta använda klassifikationer är Wentworth-skalan (geologi/sedimentologi) och USDA-skalan (jordvetenskap):

• Wentworth (förenklat): Clay < 0,0039 mm, Silt 0,0039–0,0625 mm, Sand 0,0625–2 mm, Gravel > 2 mm.
• USDA (jordklassificering): Clay < 0,002 mm, Silt 0,002–0,05 mm, Sand 0,05–2 mm.

Dessa gränser påverkar hur material beter sig: porositet, permeabilitet, plastisk beteende och närings- och vattenhållande egenskaper i jordar är starkt beroende av kornstorleksfördelningen.

Mätmetoder för partikelstorlek

Val av metod beror på partikelstorleksområde, koncentration och form. Vanliga metoder:

• Siktning (sieving) – mekanisk uppdelning med standardiserade siktmaskor. Effektiv för större korn (typvis > 45–75 µm).
• Sedimentationsmetoder (t.ex. hydrometer, pipettmetod) – bygger på Stokes lag för att bestämma storleksfördelning i suspension; vanliga för finare jordarter.
• Laser-diffraktion – mäter spridningsmönster av laserljus för att bestämma storleksfördelning över ett brett intervall (nm–mm) och ger volymvägda fördelningar.
• Dynamisk ljusspridning (DLS) – lämplig för nanopartiklar i suspension; ger hydrodynamisk diameter och är känslig för agglomerat.
• Coulter counter / elektrisk fokusmetri – räknar och mäter volymen av enskilda partiklar genom en öppning; bra för partiklar i vätska med tydliga elektriska signaler.
• Bildanalys och mikroskopi – direkt mätning av form och storlek via mikroskopi följt av digital bildbearbetning; ger information om formfaktorer.

Vid mätning måste provberedning (dispergering, borttagning av agglomerat, lämplig koncentration) göras noggrant för att få representativa resultat.

Partikelstorleksfördelning (PSD)

Partikelstorleksfördelningen beskriver hur många (eller hur stor volym/massa) partiklar av olika storlek som finns i ett prov. Vanliga representationer:

• Differential fördelning – visar andel i varje storleksklass (t.ex. histogram).
• Kumulativ fördelning – visar andel under (eller över) en viss diameter (t.ex. D10, D50, D90 där D50 är medianstorleken).

Olika medelvärden används beroende på vad som är relevant: antal-viktat (number-weighted), volym-/mass-viktat (volume-weighted) eller ytviktat. Fördelningar är ofta log-normal för polydispersa system. Parametrar som spännvidd, standardavvikelse och polydispersitetsindex beskriver bredden och spridningen.

Varför partikelstorlek är viktig

• Materialegenskaper: mekanisk styrka, packningsdensitet, porositet och flödesegenskaper påverkas av storleksfördelningen.
• Kemiska processer: reaktionshastigheter och löslighet ökar ofta med större specifik yta (mindre partiklar).
• Optiska egenskaper: ljusspridning och färg hos pulver och suspensioner beror på partikelstorlek.
• Hälsa och miljö: för aerosoler bestämmer partikelstorleken deposition i andningsvägarna (t.ex. PM2.5, PM10).
• Industriprocesser: i läkemedel, livsmedel och keramik är kontroll av kornstorlek avgörande för produktkvalitet och bearbetbarhet.

Praktiska mått och exempelvärden

• Nanopartiklar: < 100 nm
• Kolloidala partiklar: 1–1000 nm
• Pulver till läkemedel och pigment: typiskt 0,1–100 µm beroende på applikation
• Sand: 0,0625–2 mm (Wentworth) eller 0,05–2 mm (USDA)
• Grus: > 2 mm

Vanliga problem och felkällor

• Agglomeration/aggregering — partiklar klumpar ihop sig och mäts som större enheter.
• Fel antaganden om form — många metoder antar sfäriska partiklar vilket kan leda till felaktiga tolkningar.
• Felaktig provberedning — otillräcklig dispersion, överfyllning eller för låg koncentration kan påverka resultatet.
• Instrumentbegränsningar — varje metod har ett begränsat mätintervall och känslighet för materialegenskaper (t.ex. brytningsindex för laserbaserade metoder).

Tillämpningar

Partikelstorleksbestämning är central inom många områden: geovetenskap och jordbruk, mineral- och byggmaterialindustrin, läkemedelstillverkning (upplösningshastighet, bio-tillgänglighet), färg- och pigmentframställning, katalysatorutveckling, samt miljöövervakning (luftkvalitet och sedimenttransport).