Sedimentation

Sedimentation oder Sedimentierung (abgeleitet von lat. sedimentum = Bodensatz) bezeichnet den Prozess des Absinkens von Partikeln aus Flüssigkeiten oder Gasen aufgrund der Wirkung der Gewichtskraft oder der Zentrifugalkraft. Die entstehende Schicht von schwebenden Materialien wird als Sediment, Bodensatz oder Lockersediment bezeichnet. Im Gegensatz zu Sedimentgestein handelt es sich bei Lockersediment um eine Form von Lockergestein.

Grundlagen

Während des Sedimentationsprozesses ordnen sich die abgelagerten Partikel aufgrund ihrer verschiedenen Sedimentationsgeschwindigkeiten, die von ihrer Dichte und Größe abhängen. Die Teilchen mit der höchsten Sedimentationsgeschwindigkeit setzen sich zuerst ab und befinden sich somit unten. Dies ermöglicht die Schichtung verschiedener Substanzen, da Stoffe mit unterschiedlichen Dichten sich schichtweise ablagern können. Diese Trennungsmethode wird beispielsweise beim Dekantieren verwendet. Größere Partikel sedimentieren schneller und befinden sich zuerst unten, während kleinere oben bleiben, insbesondere wenn es sich um Materialien mit ähnlicher Dichte handelt. Eine höhere Dichte führt zu einer schnelleren Sedimentation, wodurch der Stoff schneller den Boden erreicht. In einigen Fällen, wie bei aufgeschäumtem Material wie eruptiven Bimssteinen, kann jedoch eine umgekehrte Gradierung auftreten, bei der kleinere Teilchen eine höhere Sedimentationsgeschwindigkeit aufweisen und sich unten ablagern, während größere oben verbleiben.

Sedimente gelangen hauptsächlich durch Erosion des Querschnitts in Strömungen und können auch durch Sedimenteintrag aus dem Einzugsgebiet in das Sedimentationsgebiet transportiert werden.

Natürliche Arten von Sedimentierung

Natürliche Sedimente lassen sich nach ihrer Entstehung in drei Hauptgruppen unterteilen:

• klastische Sedimente (durch Wasser, Wind, Gletscher, Murgang usw. transportierte und so mechanisch geformte Partikel, z. B. Sand, Schotterbank, Sandbank)
• chemische Sedimente (durch chemische Prozesse aus wässrigen Lösungen durch Fällung ausgeschieden, z. B. Carbonate)
• biogene Sedimente (Ablagerungen von Organismen oder aus Organismenresten, z. B. Korallenriffe)

Eine weitere Möglichkeit zur Unterteilung von Sedimenten besteht darin, sie nach ihrem Ablagerungsort zu klassifizieren. In dieser Hinsicht können Sedimente in fluviatile (durch Flüsse), limnische (durch Seen), marine (durch das Meer), äolische (durch Wind), glaziale (durch Gletscher) und pyroklastische (durch vulkanische Aktivität) Sedimente unterteilt werden.

Die Schwebstoffe, die sich in der Regel durch natürliche Sedimentation ansammeln, werden hauptsächlich durch Erosionsprozesse in das Sedimentationsgebiet transportiert. Dies erfolgt vor allem durch den fluviatilen Transport, wobei oft eine vorherige Verwitterung des Ursprungsgesteins stattfindet. Die Korngrößenverteilung der Partikel, die im Wasser mitgeführt werden, variiert je nach Entfernung zum Ursprungsort und der Geschwindigkeit der Strömung erheblich. Generell nimmt die Korngröße der Partikel mit zunehmender Entfernung und sinkender Strömungsgeschwindigkeit ab, da die größten und schwersten Partikel (Geschiebe) zuerst sedimentieren und die Strömung normalerweise nicht mehr in der Lage ist, sie vom Gewässergrund aufzuwirbeln.

Sedimentation und Stratigraphie in stehenden Gewässern

In stehenden Gewässern setzen sich diese Schwebstoffe durch die gravitative Ablagerung zu Sedimentschichten zusammen, die teilweise zur Altersbestimmung (Stratigraphie) herangezogen werden können. Dies geschieht hauptsächlich aufgrund des Mangels an Strömung, der in stehenden Gewässern im Gegensatz zu Fließgewässern herrscht. Dadurch können selbst sehr kleine Partikel abgelagert werden. Zusätzlich variiert die Sedimentation oft im Laufe des Jahres aufgrund unterschiedlicher klimatischer Bedingungen. Ein Beispiel ist die Ablagerung von feineren Partikeln im Winter, wenn das Gewässer gefroren ist. Aufgrund dieser jahreszeitlichen Variation bilden sich pro Jahr grobe und feine Schichten, die als Warven bekannt sind. Diese Schichten können oft Fossilien und deren Überreste einschließen, die sich im Laufe der Zeit zu Fossilien entwickeln können. Die Entstehungsbedingungen (Paläoklima) der einzelnen Schichten sind oft in diesen Sedimenten dokumentiert, weshalb sie wichtige Klimaarchive darstellen. Besonders marine, flachmarine und seeische Ablagerungen sind von großer Bedeutung und bilden das Hauptziel von klimatologischen Forschungsbohrungen.

Mit der fortschreitenden Sedimentation und der zunehmenden Mächtigkeit der Sedimentschichten können in den tiefer liegenden Schichten geologische Prozesse ausgelöst werden, insbesondere aufgrund des steigenden Drucks. Diese Prozesse führen zur Diagenese, bei der die Lockersedimente zu Sedimentgesteinen umgewandelt werden. Ein spezieller Fall ist Schnee, der sich ebenfalls schichtet und unter Druck zu Eis verdichtet. Wenn dieser Effekt über mehrere Jahre hinweg anhält, kann dies zur Bildung eines Gletschers führen.

Anwendungen der Sedimentierung in der Technik

Anwendungen im alltäglichen Leben

• Die mechanische Klärung von Wasser im Absetzbecken einer Kläranlage basiert auf dem Prinzip der Sedimentation.
• In kleinen dezentralen Ölmühlen nutzen sie das Prinzip, um Truböl, das während der Pressung von Pflanzenöl entsteht, von Sedimenten zu befreien. Das ausgepresste Öl wird in ein Behältnis gegeben und verbleibt dort für einige Wochen, während schwerere Sedimente langsam zu Boden sinken. Nach der Sedimentation wird das gereinigte Öl vorsichtig entnommen, während die abgesunkenen Partikel im Behältnis verbleiben. In moderneren Pflanzenöl-Sedimentationsverfahren fließt das zu reinigende Truböl kontinuierlich durch eine Abfolge von Behältnissen, in denen die Trubstoffe jeweils sedimentieren. Ein hoher Reinigungsgrad wird erreicht, wenn das letzte Behältnis verlassen wird.
• Im Mühlenlabor wird ein Sedimentationstest durchgeführt, bei dem das Volumen des Sediments einer Mehl-Wasser-Suspension als Maß für die Quellfähigkeit der Eiweiße im Mehl gilt. In der Bodenkunde dienen Sedimentationsversuche der Bestimmung der Korngrößenverteilung eines Bodens.
• In der pharmazeutischen Industrie werden Sedimentationsanalysen durchgeführt, um die Qualität von medizinischen Pulvern zur Behandlung von bspw. Asthma zu überprüfen. Man kann die Größe bestimmter Partikel und ihre Verteilung im Pulver durch das Messen der Sedimentationsgeschwindigkeiten bestimmen. Ein wichtiges Beispiel für eine solche Analysemethode ist die Photosedimentation. Die Sedimentationsanalyse findet auch oft Anwendung zur Bestimmung der Korngrößenverteilung eines Bodens.
• In so genannten Split-Systemen wird der Effekt der Sedimentation etwa bei der biologischen Präparation unter Ausnutzung der dichteabhängigen Sedimentationsgeschwindigkeit zur Trennung von Partikeln wie Eiweißmolekülen oder biologischen Zellen ausgenutzt.
• Das Sediment wird beim Zentrifugieren beschleunigt.

Bei der Herstellung, Lagerung und Verarbeitung von Suspensionen wie z. B. Lacken, Gießharzen, Beton oder auch manchen Lebensmitteln stellt die Sedimentation oft aber auch einen störenden Effekt dar.

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