Седиментационный аналіз: визначення, формули та приклади
Опубликованно 30.08.2018 00:36
Суть седиментационного методу аналізу полягає у вимірюванні швидкості, з якою частинки осідають (переважно з рідкого середовища). А використовуючи значення швидкості осідання, розраховують розміри цих частинок і їх питому поверхню. За допомогою цього методу визначають параметри частинок багатьох видів дисперсних систем, наприклад, суспензій, аерозолів, емульсій, тобто тих, які широко поширені і важливі для різних галузей промисловості. Поняття дисперсності
Одним з головних технологічних параметрів, що характеризують речовини і матеріали в різних виробничих процесах, є їх дисперсність. Вона обов'язково враховується під час підбору апаратів для хімічної технології, при виробництві різноманітних харчових продуктів і т. д. це Пов'язано не тільки з тим, що при зменшенні частинок речовин зростає площа поверхні фаз і підвищується швидкість їх взаємодії, а також з тим, що при цьому змінюються деякі властивості системи. Зокрема, зростає розчинність збільшується реакційна здатність речовини, знижуються температури фазових переходів. Тому виникла необхідність в знаходженні кількісних характеристик дисперсності різних систем і в седиментационном аналізі.
В залежності від того, як співвідносяться розміри частинок дисперсної фази, системи підрозділяють на монодисперсные і полидисперсные. Перші складаються з частинок одного розміру. Такі дисперсні системи зустрічаються досить рідко і в реальності є дуже близькими до істинним монодисперсным. Зате переважна більшість існуючих дисперсних систем - полидисперсные. Це означає, що вони складаються з різних за своїм розмірам частинок, причому їх зміст неоднаково. В ході седиментационного аналізу дисперсних систем виконують визначення розмірів утворюють їх часток з наступною побудовою кривих розподілу їх за розмірами. Теоретичні основи
Седиментацией називається процес випадання в осад частинок, що складають дисперсну фазу в газоподібному або рідкому середовищах під дією сили тяжіння. Седиментація може бути зворотною, якщо з'являється часток (крапель) в різних емульсіях.
Величину сили тяжіння Fg, що діє на частинки кулястої форми, можна обчислити за формулою, що враховує гідростатичну поправку:
Fg=4/3·?·r3·(?-?0)·g,
де ? – густина речовини; r – радіус частинок; ?0 – густина рідини; g – прискорення вільного падіння.
Протидіє осіданню частинок сила тертя F?, описується законом Стокса:
F?=6·?·?·r·?сед,
де ?сед – швидкість руху частинок, а ? – в'язкість рідини.
В деякий момент часу частинки починають осідати з постійною швидкістю, объясняющейся рівністю протидіючих сил Fg=F?, а значить, справедливо рівність:
4/3·?·r3·(?-?0)·g=6·?·?·r·?сед. Перетворивши його, можна отримати формулу, що відображає взаємозв'язок радіуса частинки зі швидкістю її осідання:
r=?(9?/(2·(?-?0)·g))·?сед=K·??сед.
Якщо враховувати, що швидкість руху частинок можна визначити як відношення її шляху H до часу руху ?, то можна записати рівняння Стокса:
?сед=Н/т.
Тоді радіус частинки можна пов'язати з часом її осідання рівнянням:
r=K·?Н/т.
Проте варто відзначити, що таке теоретичне обґрунтування седиментационного аналізу буде справедливо при дотриманні ряду умов: Розмір твердих частинок повинен відповідати значенням від 10-5 до 10-2 див. Частинки повинні мати сферичну форму. Частинки повинні рухатися з постійною швидкістю і незалежно від сусідніх часток. Тертя має бути внутрішнім явищем дисперсійного середовища.
У зв'язку з тим, що в реальних суспензіях найчастіше містяться частинки, що істотно відрізняються формою від кулястих, для цілей седиментационного аналізу вводять поняття еквівалентного радіуса. Для цього в розрахункові рівняння підставляють радіус гіпотетичних кулястих частинок, виконаних з того ж матеріалу, що і реальні в досліджуваної суспензії, і осідаючі з тією ж швидкістю.
На практиці частинки в дисперсних системах неоднорідні за своїми розмірами, і головним завданням седиментационного аналізу можна назвати аналіз розподілу часток в них за розмірами. Іншими словами, в ході дослідження полідисперсних систем знаходять відносний вміст різних фракцій (сукупність частинок, розміри яких лежать в певному інтервалі).
Особливості аналізу седиментационного
Існує кілька підходів до виконання аналізу дисперсних систем седиментацией: спостереження в гравітаційному полі за швидкістю, з якою осідають частинки в спокійній рідині; взмучивание суспензії для подальшого розділення його на фракції частинок заданих розмірів в струмені рідини; поділ порошкоподібних речовин на фракції з певними розмірами частинок, виконується за допомогою повітряної сепарації; спостереження у відцентровому полі за параметрами осідання високодисперсних систем.
Одним з найбільш широко застосовуваних є перший варіант аналізу. Для його здійснення швидкість седиментації визначають будь-яким з наступних способів: спостерігаючи через мікроскоп; зважуючи накопичується осад; визначаючи концентрацію дисперсної фази в певний період процесу осідання; вимірюючи гідростатичний тиск у процесі осідання; визначаючи щільність суспензії в період осідання. Поняття суспензії
Під суспензіями розуміють грубодисперсні системи, утворені твердою дисперсною фазою, розміри частинок якого перевищують 10-5 см, і рідкої дисперсійної середовищем. Часто суспензії характеризують як суспензії порошкоподібних речовин в рідинах. На ділі це не зовсім вірно, оскільки суспензії є розбавленими суспензіями. Частинки твердої фази кінетично незалежні і можуть вільно переміщатися в рідині.
В реальних (концентрованих) суспензіях, які нерідко називають пастами, тверді частинки взаємодіють один з одним. Це призводить до утворення певної просторової структури.
Існує ще один вид дисперсних систем, утворених твердими дисперсними фазами і рідкими дисперсійними середовищами. Називають їх лиозолями. Проте розмір твердих частинок в них набагато менше (від 10-7 до 10-5 см). У зв'язку з цим седиментація в них незначна, зате характеризуються лиозоли такими явищами, як броунівський рух, осмос і дифузія. В основі седиментационного аналізу суспензій лежить їх кінетична нестійкість. Це означає, що суспензії характеризуються мінливістю у часі таких параметрів, як дисперсність і рівномірний розподіл часток у дисперсійного середовища. Методика
Седиментационный аналіз виконують, використовуючи ваги торсіонні з чашкою з фольги (діаметр 1-2 см) і високий стакан. Перед початком аналізу зважують чашку в дисперсійного середовища, занурюючи її в наповнений келих і врівноважуючи ваги. Разом з цим вимірюється глибина її занурення. Після цього чашка витягується та швидко поміщається в склянку з досліджуваною суспензією, при цьому вона повинна бути підвішена на гачок коромисла терезів. У той же момент включаться секундомір. У таблицю заносять дані про масу випав осаду в довільні моменти часу. Час від початку дослідження, з Маса чашки з осадом, м Маса осаду, г 1/t, с-1 Межа седиментації, м
Використовуючи дані таблиці, викреслюють криву седиментації на міліметровому папері. По осі ординат відкладається маса осіли частинок, а по осі абсцис - час. При цьому вибирається адекватний масштаб, щоб зручно було виконувати подальший графічний розрахунок.
Аналіз кривої
У монодисперсной середовищі швидкість осідання частинок буде однакова, а значить, і відстоювання буде характеризуватися рівномірністю. Крива седиментації в цьому випадку має лінійний характер.
Під час відстоювання полідисперсної суспензії (що і відбувається на практиці) частинки різних розмірів і відрізняються швидкістю осідання. Це на графіку виражається в розмитості кордону осідає шару.
Криву осідання обробляють розбиттям її на кілька сегментів і проведенням дотичних. Кожна дотична буде характеризувати осідання окремої монодисперсной частини суспензії. Загальне уявлення про гранулометрическом складі
Кількісний вміст частинок певної величини в породі зазвичай називають гранулометричним складом. Від нього залежать властивості пористих середовищ, наприклад, проникність, питома поверхня, пористість тощо За цим властивостям в свою чергу можна зробити висновки про геологічні умови утворення порід покладів. Саме тому одним з перших етапів дослідження осадових порід є гранулометричний аналіз.
Так, за результатами аналізу гранулометричного складу пісків, що контактують з нафтою, вибирають обладнання і порядок робіт нафтопромислової практиці. Він допомагає підібрати фільтри для запобігання попадання піску у свердловину. Від кількості глинистих і колоїдно-дисперсних мінералів у складі залежать процеси поглинання іонів, а також ступінь набухання порід у воді. Седиментационный аналіз гранулометричного складу порід
У зв'язку з тим, що аналіз дисперсних систем, заснований на принципах седиментації, має ряд обмежень, застосування його в чистому вигляді для дослідження гранулометричного складу порід не забезпечує належної достовірності та точності. Сьогодні він виконується із застосуванням сучасного обладнання з використанням комп'ютерних програм.
Вони дозволяють проводити вивчення частинок породи зі стартового шару, дозволяють безперервно фіксувати накопичення осаду, виключаючи апроксимацію рівняннями, вимірюють швидкість осадження безпосередньо. І що не менш важливо, допускають дослідження седиментації частинок неправильної форми. Процентний вміст фракції того або іншого розміру визначається комп'ютером, ґрунтуючись на загальній масі проби, а значить, не потрібно її зважування перед аналізом. Автор: Васса Хрустальова 12 Липня, 2018
Категория: Студентам