Същността на седиментационния метод за анализ е да се измери скоростта, с която частиците се утаяват (главно от течна среда). И като се използват стойностите на скоростта на утаяване, се изчисляват размерите на тези частици и тяхната специфична повърхност. Този метод определя параметрите на частиците на много видове дисперсни системи, като суспензии, аерозоли, емулсии, тоест тези, които са широко разпространени и важни за различни индустрии.
Концепцията за дисперсия
Един от основните технологични параметри, характеризиращи веществата и материалите в различни производствени процеси, е тяхната финост. Той задължително се взема предвид при избора на апарат за химическа технология, при производството на различни хранителни продукти и др. Това се дължи не само на факта, че с намаляване на частиците на веществата, повърхностната площ на фазите се увеличава и скоростта на тяхното взаимодействие се увеличава, но и на факта, че някои свойства на системата се променят в този случай. По-специално, разтворимостта се увеличава, реактивността се увеличававещества, температурите на фазовите преходи намаляват. Поради това се наложи да се намерят количествени характеристики на дисперсията на различни системи и в седиментационния анализ.
В зависимост от това как са свързани размерите на частиците в дисперсната фаза, системите се разделят на монодисперсни и полидисперсни. Първите се състоят изключително от частици със същия размер. Такива дисперсни системи са доста редки и в действителност са много близки до истинските монодисперсни. От друга страна, по-голямата част от съществуващите дисперсни системи са полидисперсни. Това означава, че се състоят от частици, различни по размер и съдържанието им не е еднакво. В хода на седиментационния анализ на дисперсните системи се определят размерите на образуващите ги частици, последвано от изграждане на кривите на тяхното разпределение по размер.
Теоретични основи
Утаяването е процес на утаяване на частици, които съставляват дисперсната фаза в газообразна или течна среда под действието на гравитацията. Утаяването може да бъде обърнато, ако частиците (капчици) плуват в различни емулсии.
Гравитация Fg, действаща върху сферични частици, може да се изчисли с помощта на формулата за хидростатична корекция:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, където ρ е плътността на материята; r е радиусът на частицата; ρ0 – плътност на флуида; g - ускорениесвободно падане.
Силата на триене Fη, описана от закона Стокс, противодейства на утаяването на частиците:
Fη=6 π η r ᴠsed, където ᴠsed е скоростта на частиците, а η е вискозитетът на течността.
В даден момент от време частиците започват да се утаяват с постоянна скорост, което се обяснява с равенството на противоположните сили Fg=Fη, което означава, че равенството също е вярно:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Преобразувайки го, можете да получите формула, която отразява връзката между радиуса на частицата и нейната скорост на утаяване:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Ако вземем предвид, че скоростта на частиците може да се определи като отношението на пътя им H към времето на движение τ, тогава можем да напишем уравнението на Стокс:
ᴠsat=N/t.
Тогава радиусът на частицата може да бъде свързан с времето на нейното утаяване чрез уравнението:
r=K √N/t.
Въпреки това си струва да се отбележи, че такава теоретична обосновка на анализа на утаяване ще бъде валидна при редица условия:
- Размерът на твърдите частици трябва да бъде между 10–5 до 10–2 виж
- Частиците трябва да са сферични.
- Частиците трябва да се движат с постоянна скорост и независимо от съседните частици.
- Тренето трябва да е вътрешен феномен на дисперсионната среда.
Поради факта, че истинските суспензии често съдържатчастици, които значително се различават по форма от сферичните, въвеждат концепцията за еквивалентен радиус за целите на седиментационния анализ. За да направите това, радиусът на хипотетични сферични частици, изработени от същия материал като реалните в изследваната суспензия и утаяващи се със същата скорост, се замества в изчислителните уравнения.
На практика частиците в дисперсните системи са хетерогенни по размер и основната задача на седиментационния анализ може да се нарече анализ на разпределението на размера на частиците в тях. С други думи, по време на изследването на полидисперсни системи се открива относителното съдържание на различни фракции (набор от частици, чиито размери лежат в определен интервал).
Характеристики на анализа на утаяване
Има няколко подхода за извършване на анализ на диспергирани системи чрез утаяване:
- наблюдение в гравитационно поле на скоростта, с която частиците се утаяват в спокойна течност;
- разбъркване на суспензията за последващото й разделяне на фракции от частици с даден размер в течна струя;
- разделяне на прахообразни вещества на фракции с определени размери на частиците, извършено чрез разделяне на въздуха;
- наблюдение в центробежно поле на параметрите на слягане на силно разпръснати системи.
Една от най-широко използваните е първата версия на анализа. За неговото изпълнение скоростта на утаяване се определя по някой от следните методи:
- гледане през микроскоп;
- претегляне на натрупаната утайка;
- определяне на концентрацията на дисперсната фаза в определен период от процеса на утаяване;
- измерване на хидростатично налягане по време на слягане;
- определяне на плътността на суспензията по време на периода на утаяване.
Концепция за окачване
Суспензии се разбират като груби системи, образувани от твърда дисперсна фаза, чийто размер на частиците надвишава 10-5 cm, и течна дисперсионна среда. Суспензиите често се характеризират като суспензии на прахообразни вещества в течности. Всъщност това не е напълно вярно, тъй като суспензиите са разредени суспензии. Частиците на твърдата фаза са кинетично независими и могат да се движат свободно в течността.
В реални (концентрирани) суспензии, често наричани пасти, твърдите частици взаимодействат помежду си. Това води до образуването на определена пространствена структура.
Има друг тип дисперсни системи, образувани от твърди дисперсни фази и течна дисперсионна среда. Те се наричат лиозоли. Размерът на частиците обаче е много по-малък (от 10-7 до 10-5 cm). В това отношение утаяването в тях е незначително, но лиозолите се характеризират с такива явления като Брауново движение, осмоза и дифузия. Анализът на утаяване на суспензии се основава на тяхната кинетична нестабилност. Това означава, че суспензиите се характеризират с променливост във времето на такива параметри като финост и равновесно разпределение на частиците в дисперсионна среда.
Методология
Анализът на утаяване се извършва с помощта на торсионна везна с фолио(диаметър 1-2 см) и висока чаша. Преди започване на анализа чашата се претегля в дисперсионна среда, като се потапя в напълнена чаша и се балансира везната. Заедно с това се измерва дълбочината на неговото потапяне. След това чашата се отстранява и бързо се поставя в чаша с тестовата суспензия, докато тя трябва да бъде окачена на куката на гредата за баланс. В същото време хронометърът ще започне. Таблицата съдържа данни за масата на утаените валежи в произволни моменти от време.
| Време от началото на обучението, s | Маса на чашата с утайка, g | Маса на утайката, g | 1/t, c-1 | Ограничение на утаяване, g |
Използвайки данните от таблицата, начертайте крива на утаяване върху милиметрова хартия. Масата на утаените частици е нанесена по оста на ординатите, а времето е нанесено по оста на абсцисата. В този случай се избира подходящ мащаб, така че да е удобно да се извършват допълнителни графични изчисления.
Анализ на крива
В монодисперсна среда скоростта на утаяване на частиците ще бъде същата, което означава, че утаяването ще се характеризира с еднородност. Кривата на утаяване в този случай ще бъде линейна.
По време на утаяването на полидисперсна суспензия (което се случва на практика), частиците с различни размери също се различават по скоростта на утаяване. Това се изразява на графиката в замъгляването на границата на слоя за утаяване.
Кривата на слягане се обработва чрез разделянето й на няколко сегмента и начертаване на допирателни. Всяка допирателна ще характеризира слягането на отделнамонодисперсна част от окачването.
Обща идея за разпределението на размера на частиците
Количественото съдържание на частици с определен размер в скалата обикновено се нарича гранулометричен състав. Някои свойства на порьозните среди зависят от това, например пропускливост, специфична повърхност, порьозност и др. Въз основа на тези свойства от своя страна могат да се направят изводи за геоложките условия за образуване на скални отлагания. Ето защо един от първите етапи в изследването на седиментните скали е гранулометричният анализ.
По този начин, според резултатите от анализа на гранулометричния състав на пясъците в контакт с нефт, те избират оборудване и работни процедури в практиката на нефтените находища. Помага при избора на филтри, за да се предотврати навлизането на пясък в кладенеца. Количеството глина и колоидно диспергирани минерали в състава определя процесите на усвояване на йони, както и степента на набъбване на скалите във вода.
Утаечен анализ на гранулометричния състав на скалите
Поради факта, че анализът на дисперсни системи, базирани на принципите на утаяване, има редица ограничения, използването му в чист вид за гранулометрично изследване на скалния състав не осигурява необходимата надеждност и точност. Днес се извършва с помощта на модерно оборудване с помощта на компютърни програми.
Те позволяват изследването на скални частици от началния слой, позволяват ви непрекъснато да записвате натрупванетоседимент, с изключение на апроксимацията чрез уравнения, измервайте директно скоростта на утаяване. И, не по-малко важно, те позволяват изследването на утаяването на частици с неправилна форма. Процентът на фракцията от един или друг размер се определя от компютъра въз основа на общата маса на пробата, което означава, че не е необходимо да се претегля преди анализ.
