חלחול (נוזלים)

המונח חלחול כולל מושגים בפיזיקה, בכימיה והנדסת חומרים, חלחול (באנגלית: Percolation) (מהמילה הלטינית percolare 'לסנן", "לטפטף דרך') וגם זליגה infiltration מתייחסים לחדירה, התפשטות וסינון של נוזלים דרך תווך מוצק.

קפה בחלחול, תרכובות מסיסות עוזבות את הקפה הטחון ומצטרפות למים ליצירת משקה קפה. תרכובות בלתי מסיסות (וגרגירים) נשארות בתוך מסנן הקפה.(filtration)

חלחול בסריג מרובע.(percolation)

תהליכים של חלחול

שם הפועל חלחול מתייחס לתהליכים פיזיקליים שונים, אף כי כולם מבוססים על אותו תהליך בסיסי של חדירה של נוזל בתווך מוצק. פיתוח מתמטי של המושגים נעשה כבר ב-1885 ונקרא חוק דרסי.(^[1]

תהליכי חלחול עיקריים

• infiltration - חלחול חדירה של נוזל ממקור חיצוני דרך תווך מוצק. (אנ') למשל מי - גשם לתוך הקרקע.) (במונח זה משתמשים גם להסתננות)
• percolation- בעברית משתמשים במילה חלחול אף כי התהליך שונה. בתהליך זה מתקיימת התפשטות הנוזל בתוך התווך המוצק והוא מרכב מתהליכים המתוארים בהמשך. (המודלים המפורטים בערך קשורים למושג בתחום הפיזיקה והמתמטיקה מוצגים במקביל בערך חילחול (תהליך))^[2]
• diffusion - פעפוע פיזור חלקיקים (גז, נוזל או מוצק) בתווך נוזלי או מוצק בהתאם למפל הריכוזים.
• filtration - סינון של חלקיקי מוצק דרך תווך (מסנן, ממברנה) לפי גודל החלקיקים, כאשר הנוזל עובר את התהליך וממשיך לזרום. סינון נעשה גם בעמודות ספיחה, כאשר התווך סופח אליו יונים או מולקלות בהתאם לתכונות העמודה.

תהליכים המשפיעים על חילחול

adsorption - ספיחה: בתהליך החלחול נוצר קשר בין חלקיקי המוצק לנוזל, לתרחיף או למומס שבנוזל. הספיחה נגרמת בעיקר בגלל הקשר שבין פני השטח של המוצק והנוזל (אדהזיה) וגם בגלל קשר הנובע ממטענים חשמליים במוצק ותכונות הנוזל (כמו מים), כאשר למולקולת שלהם יש שדה חשמלי^[3]למשל לחלקיקים קולואידליים הנמצאים בקרקע.^[4]

absorption - ספיגה:. קשירת הנוזל או הגז לחללים במוצק. קשור לכוחות האדהזיה והקוהזיה לגודל החללים ולצפיפותם המשפיעים על קצב החלחול. שני התהליכים: ספיגה וספיחה מרכיבים למשל את כושר ספיגת המים של האדמה (קיבול שדה).^[5]

כוח הנימיות: שטח הפנים של חלל צינור דק (נימי) מושך אליו את הנוזל בכוח האדהזיה כאשר מולקולות הנוזל נקשרות זו לזו בכוח הקוהזיה. שני הכוחות יחד גורמים לזרימה איטית (חלחול) במעלה הצינור האנכי, בניגוד לגרויטציה וללחץ האטמוספירי שבצינור (עליה נימית). גובה עמוד המים בצינורית תלוי בקוטר הצינור (שטח הפנים של הצינור נמצא ביחס הפוך לקוטרו) סוג החומר, משקל המסה של הנוזל, ולתכונות הנוזל.^[6]

osmosis - אוסמוזה: חדירת נוזל דרך ממברנה סלקטיבית המונעת מעבר של חלקיקים או יונים בתמיסה לפי גודל החלקיק. הלחץ הנוצר כתוצאה ממעבר זה הוא הלחץ האוסמוטי. עיקרון זה מאפשר הפרדת מלחים בתהליך חלחול המים דרך עמודות המכילות ממברנות, (אוסמוזה הפוכה)

כרומטוגרפיה: הפרדה של מומסים מתוך תמיסה בהתאם למהירות הפעפוע שלהם דרך תווך ספוגי כמו ממברנה או נייר. התווך מאט מעבר מולקולות גדולות ביחס למהירות החלחול של הנוזל. תכונות המצע מאפשרות הפרדה מדויקת של מומס או תרחיף. שיטה זו מקובלת באנליזה כימית, ברפואה בערכות בדיקה מהירות בעיקר בתחום האימונולוגיה כמו זיהוי וירוסים, בדיקות הריון ועוד^[7].אלקטרופורזה: הפרדה של מומס או תרחיף על ידי העברת זרם חשמלי דרך התמיסה במצב ג'ל או על ממברנה. בתהליך זה המומס מחלחל בתוך בתמיסה בהתאם למטען החשמלי שלו (לדוגמה: הפרדה של חלבונים לצורך זיהויים^[8])

שימוש המונח חלחול בשפה העברית

המילה "חלחול" היא מילה רב-תכליתית בשפה העברית, המתארת תהליך של מעבר וחדירה הדרגתית, פיזית וגם מופשטת.

בהקשרים מופשטים

• חלחול מידע/רעיון: תהליך הדרגתי של הפנמה והתפשטות של מידע או רעיון. לדוגמה: "המידע חלחל לאט - לאט לתודעת הציבור" או "החששות חלחלו לתוך הלבבות".
• חלחול השפעה: תהליך של התפשטות השפעה או סמכות. לדוגמה, "ההחלטה חלחלה במהירות לכל המשרדים". "מדיניות השר חלחלה עד אחרון העובדים"
• חלחול של רגש/תחושה: תהליך של תחושת רגש או תחושה בצורה הדרגתית. לדוגמה: "האכזבה חלחלה לתוכו לאט לאט".
• חלחול בתנועה (אינפילטרציה) "המסתננים מחלחלים דרך פתחים בגדר". "התנועה מחלחלת לאיטה בכביש החסום."^[9]

חקר התופעה

במהלך העשורים האחרונים, ביסוס הרקע המתמטי והפיזיקלי של תורת החלחול אפשרו יישום של טכניקות חדשות למגוון רחב של נושאים בפיזיקה, בהנדסת חומרים, בשימוש ברשתות מורכבות, באפידמיולוגיה ותחומים נוספים כמו גאולוגיה, ביוכימיה, חקלאות ועוד. חלחול מאפשר סינון מים דרך שכבות קרקע וסלעים אל מי התהום במפלס המים המהווה אקוויפר. במקומות שבהם מתוכננים אגני חלחול או שדות ניקוז או ספיגה כדי להיפטר מכמויות עודפות של מים. הטכניקות החדשות מאפשרות אומדן חלחול מראש כדי לקבוע את נתוני המיזם.

חלחול בדרך כלל מפגין אוניברסליות. מושגי פיזיקה סטטיסטית כגון תאוריית קנה המידה, רנורמליזציה, מעבר פאזה, תופעות קריטיות ופרקטלים משמשים לאפיון תכונות החלחול. קומבינטוריקה משמשת בדרך כלל ללימוד ספי חלחול.

בשל המורכבות הכרוכה בהשגת תוצאות מדויקות ממודלים אנליטיים של חלחול, בדרך כלל נעשה שימוש בסימולציות ממוחשבות. האלגוריתם המהיר ביותר הנוכחי לחלחול פורסם בשנת 2000 על ידי מארק ניומן ורוברט זיף.^[10]

ערך מורחב – חלחול (תהליך)

שיטות למדידת חלחול במערכות נוזלים

מדידת מוליכות חשמלית

חלחול (פרקולציה) של מים לסביבה מגדילה את המוליכות החשמלית של התווך (אדמה, קיר בטון). מאפשרת איתור ראשוני של מקור החלחול.

בדיקות באמצעות לחץ

בדיקת לחץ הידרוסטטי - השיטה הנפוצה ביותר לאיתור דליפות בצנרת. מזרימים מים למערכת תחת לחץ גבוה מהרגיל (בדרך כלל פי 1.5 מלחץ העבודה) ובודקים אם הלחץ יורד לאורך זמן. ירידה בלחץ מעידה על דליפה.

בדיקת לחץ אוויר - דומה לבדיקת המים אך עם אוויר דחוס. יעילה במיוחד למערכות יבשות או מערכות דלק או כאשר רוצים למנוע נזק ממים.

בדיקות אקוסטיות

אולטרא-סאונד - תהודה של קול בתדרים שונים. שיטה המקובלת לאיתור דליפות וחלחול במערכת ביולוגית,(למשל איתור שטפי דם פנימיים) ובתעשייה.

מכשירי האזנה אלקטרוניים - מזהים את הקול שנוצר כאשר מים בלחץ מחלחלים מדרך סדק או חור. בהמשך לבדיקת מוליכות חשמלית מאזינים באזור החלחול לאיתור מדויק יותר של סדקים בצנרת תת-קרקעית או בקירות.

קורלציה אקוסטית - שני חיישנים ממוקמים בנקודות שונות מעל צנרת תת-קרקעית או בתוך קירות ומודדים את זמן הגעת הקול מהדליפה לכל חיישן, כך ניתן לחשב את מיקומה המדויק.

בדיקות חזותיות ופיזיות

בדיקה חזותית - חיפוש אחר סימני לחות, כתמים, שקיעה באדמה או צמחייה ירוקה יותר מהרגיל.

בדיקת טמפרטורה - שיטה מהירה לגילוי חלחול ופגיעה בצנרת בעיקר בחקלאות ומערכות ביוב, מאפשרת שימוש ברחפנים לסריקת שטחים נרחבים. מצלמות תרמיות מזהות הבדלי טמפרטורה שנוצרים בגלל חלחול המים.

בדיקת גז טרייסר - הזרקת גז בטוח (כמו הליום) למערכת ושימוש בגלאי הגז לאיתור נקודות היציאה.

בדיקות אולטראסוניות של צנרת - מדידת עובי הצינור ואיתור פגמים פנימיים שעלולים להוביל לדליפות. משמש בעיקר בתעשייה ובבדיקת תקינות מערכות.

דוגמאות

• חלחול קפה (ראה איור 1), כאשר הממס הוא מים והתווך הוא הקפה הטחון. המרכיבים המסיסים הם התרכובות הכימיות שנותנות לקפה את צבעו, טעמו ואת הארומה שלו.
• שימוש בנוסחאות של תורת הפרקולציה לחקר מבנה של וירוסים.^[11][2][12]
• בחקלאות, חישוב כמויות המים הנדרשות להשקיה להרוויה ללא הצפה (קיבול שדה) ואיבוד מים בנידוף מאדמה ומהצומח.
• אומדן וחיזוי התפשטות מגפות.^[13][7]
• תכנון מערכות הובלה המתאימים לדרישות לפי חישוב כוחות הנימיות, האדהזיה והקוהזיה. (חוק דרסי)
• בדיקת חלחול בשיניים, המדגימה את קצב החדירה של חיידקים פתוגניים ורקבון השן באמצעות בדיקת רנטגן.
• איתור אתרים פוטנציאליים למערכות העשרה של מי תהום על ידי "Percolation test". (מדידת המוליכות ההידראולית). אם פני המים יורדים במהירות, כפי שרואים בדרך כלל בחולות אז המקום יכול להיות טוב לחילחול מי נגר לאקויפר לעומת קרקעות חימר וחרסית, שאינן מתאימות.

ראו גם

• חלחול (תהליך)
• פילמור
• ארגון עצמי
• באנג

לקריאה נוספת

• Kesten, Harry; "What is percolation?", in Notices of the AMS, May 2006.
• Sahimi, Muhammad; Applications of Percolation Theory, Taylor & Francis, 1994. ISBN 0-7484-0075-3 (cloth), ISBN 0-7484-0076-1 (paper).
• Grimmett, Geoffrey; Percolation (2. ed). Springer Verlag, 1999.
• Stauffer, Dietrich; and Aharony, Ammon; Introduction to Percolation Theory, Taylor & Francis, 1994, revised second edition, ISBN 9780748402533.
• Kirkpatrick, Scott; "Percolation and Conduction", in Reviews of Modern Physics, 45, 574, 1973.
• Rodrigues, Edouard; Remarkable properties of pawns on a hexboard (אורכב 09.12.2021 בארכיון Wayback Machine)
• Bollobás, Béla; Riordan, Oliver; Percolation, Cambridge University Press, 2006, ISBN 0521872324.
• Grimmett, Geoffrey; Percolation, Springer, 1999