Essensen av sedimenteringsmetoden for analyse er å måle hastigheten som partikler setter seg med (hovedsakelig fra et flytende medium). Og ved å bruke verdiene for sedimenteringshastigheten, beregnes størrelsene på disse partiklene og deres spesifikke overflateareal. Denne metoden bestemmer parametrene til partikler i mange typer disperse systemer, som suspensjoner, aerosoler, emulsjoner, det vil si de som er utbredt og viktig for ulike industrier.
Dispersjonsbegrepet
En av de viktigste teknologiske parameterne som kjennetegner stoffer og materialer i ulike produksjonsprosesser er deres finhet. Det tas nødvendigvis i betraktning under valg av apparater for kjemisk teknologi, i produksjonen av ulike matprodukter, etc. Dette skyldes ikke bare det faktum at med en reduksjon i partikler av stoffer, øker overflatearealet til fasene og hastigheten på deres interaksjon øker, men også det faktum at noen egenskaper til systemet endres i dette tilfellet. Spesielt øker løseligheten, reaktiviteten økerstoffer, synker temperaturene på faseoverganger. Derfor ble det nødvendig å finne kvantitative egenskaper ved spredningen av ulike systemer og i sedimentasjonsanalyse.
Avhengig av hvordan partikkelstørrelsene i den dispergerte fasen henger sammen, deles systemene inn i monodisperse og polydisperse. Førstnevnte består utelukkende av partikler av samme størrelse. Slike disperse systemer er ganske sjeldne og er i virkeligheten veldig nære ekte monodisperse. På den annen side er det store flertallet av eksisterende disperse systemer polydisperse. Dette betyr at de består av partikler med forskjellig størrelse, og innholdet er ikke det samme. I løpet av sedimentasjonsanalyse av disperse systemer bestemmes størrelsen på partiklene som danner dem, etterfulgt av konstruksjonen av deres størrelsesfordelingskurver.
Teoretisk grunnlag
Sedimentering er prosessen med utfelling av partikler som utgjør den dispergerte fasen i gassformige eller flytende medier under påvirkning av tyngdekraften. Sedimentering kan reverseres hvis partikler (dråper) flyter i ulike emulsjoner.
Gravity Fg som virker på sfæriske partikler kan beregnes ved å bruke den hydrostatiske korreksjonsformelen:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, hvor ρ er materiens tetthet; r er partikkelradiusen; ρ0 – væsketetthet; g - akselerasjonfritt fall.
Friksjonskraften Fη, beskrevet av Stokes-loven, motvirker setningen av partikler:
Fη=6 π η r ᴠsed, der ᴠsed er partikkelhastigheten og η er væskens viskositet.
På et tidspunkt begynner partiklene å sette seg med konstant hastighet, noe som forklares med likheten mellom de motstående kreftene Fg=Fη, som betyr at likheten også er sann:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Ved å transformere den, kan du få en formel som gjenspeiler forholdet mellom partikkelradius og dens setningshastighet:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Hvis vi tar i betraktning at hastigheten til partikler kan defineres som forholdet mellom dens bane H og bevegelsestidspunktet τ, så kan vi skrive Stokes-ligningen:
ᴠsat=N/t.
Da kan radiusen til partikkelen relateres til tidspunktet for dens bunnfall ved ligningen:
r=K √N/t.
Det er imidlertid verdt å merke seg at en slik teoretisk begrunnelse for sedimentasjonsanalyse vil være gyldig under en rekke forhold:
- Solid partikkelstørrelse bør være mellom 10–5 til 10–2 se
- Partikler må være sfæriske.
- Partikler må bevege seg med konstant hastighet og uavhengig av nabopartikler.
- Friksjon må være et internt fenomen i et spredningsmedium.
På grunn av at ekte suspensjoner ofte inneholderpartikler som er vesentlig forskjellig i form fra sfæriske, introduserer konseptet ekvivalent radius for sedimentasjonsanalyse. For å gjøre dette, erstattes radiusen til hypotetiske sfæriske partikler laget av det samme materialet som de virkelige i den studerte suspensjonen og setter seg med samme hastighet inn i beregningsligningene.
I praksis er partikler i dispergerte systemer heterogene i størrelse, og hovedoppgaven med sedimentasjonsanalyse kan kalles analyse av partikkelstørrelsesfordeling i dem. Med andre ord, under studiet av polydisperse systemer, blir det relative innholdet av forskjellige fraksjoner funnet (et sett med partikler hvis størrelse ligger i et visst intervall).
Funksjoner ved sedimentasjonsanalyse
Det finnes flere tilnærminger til å utføre analyser av spredte systemer ved sedimentering:
- overvåking i et gravitasjonsfelt hastigheten som partikler legger seg i en rolig væske;
- suspensjonsomrøring for påfølgende separasjon i fraksjoner av partikler av gitte størrelser i en væskestråle;
- separering av pulveriserte stoffer i fraksjoner med visse partikkelstørrelser, utført ved luftseparasjon;
- overvåking i et sentrifugalfelt parametrene for innsynkning av svært spredte systemer.
En av de mest brukte er den første versjonen av analysen. For implementeringen bestemmes sedimentasjonshastigheten ved hjelp av en av følgende metoder:
- se gjennom et mikroskop;
- veiing av det akkumulerte sedimentet;
- bestemme konsentrasjonen av den dispergerte fasen i en viss periode av sedimenteringsprosessen;
- måling av hydrostatisk trykk under innsynkning;
- bestemme tettheten til suspensjonen under oppgjørsperioden.
Fjæringskonsept
Suspensjoner forstås som grove systemer dannet av en fast dispergert fase, hvis partikkelstørrelse overstiger 10-5 cm, og et flytende dispersjonsmedium. Suspensjoner karakteriseres ofte som suspensjoner av pulveriserte stoffer i væsker. Faktisk er dette ikke helt sant, siden slam er fortynnede suspensjoner. Partiklene i den faste fasen er kinetisk uavhengige og kan bevege seg fritt i væsken.
I ekte (konsentrerte) suspensjoner, ofte k alt pastaer, samhandler faste partikler med hverandre. Dette fører til dannelsen av en viss romlig struktur.
Det er en annen type dispergerte systemer dannet av faste dispergerte faser og flytende dispersjonsmedier. De kalles lyosoler. Imidlertid er partikkelstørrelsen mye mindre (fra 10-7 til 10-5 cm). I denne forbindelse er sedimentering i dem ubetydelig, men lyosoler er preget av slike fenomener som Brownsk bevegelse, osmose og diffusjon. Sedimentasjonsanalysen av suspensjoner er basert på deres kinetiske ustabilitet. Dette betyr at suspensjoner er preget av tidsvariasjoner av slike parametere som finhet og likevektsfordeling av partikler i et dispersjonsmedium.
Metode
Sedimentasjonsanalyse utføres ved hjelp av en torsjonsbalanse med en foliekopp(diameter 1-2 cm) og et høyt glass. Før analysen startes, veies koppen i et dispersjonsmedium, senkes den ned i et fylt beger og balanserer balansen. Sammen med dette måles dybden av nedsenkingen. Deretter tas koppen ut og legges raskt i et glass med testopphenget, mens den skal henges på kroken til balansebjelken. Samtidig vil stoppeklokken starte. Tabellen inneholder data om massen av utfelt nedbør på vilkårlige tidspunkter.
| Tid fra studiestart, s | Begerets masse med sediment, g | Sedimentmasse, g | 1/t, c-1 | Sedimentasjonsgrense, g |
Bruk tabelldataene til å tegne en sedimentasjonskurve på millimeterpapir. Massen av sedimenterte partikler er plottet langs ordinataksen, og tiden er plottet langs abscisseaksen. I dette tilfellet velges en tilstrekkelig skala slik at det er praktisk å utføre ytterligere grafiske beregninger.
Kurveanalyse
I et monodispers medium vil sedimenteringshastigheten til partikler være den samme, noe som betyr at bunnfelling vil være preget av jevnhet. Sedimentasjonskurven i dette tilfellet vil være lineær.
Under bunnfellingen av en polydispers suspensjon (som skjer i praksis), er partikler av forskjellig størrelse også forskjellige i bunnfellingshastighet. Dette uttrykkes på grafen i uskarpheten av grensen til setningslaget.
Senkningskurven behandles ved å dele den inn i flere segmenter og tegne tangenter. Hver tangent vil karakterisere innsynkningen av en separatmonodispers del av suspensjonen.
Generell idé om partikkelstørrelsesfordeling
Det kvantitative innholdet av partikler av en viss størrelse i bergarten kalles vanligvis den granulometriske sammensetningen. Noen egenskaper til porøse medier avhenger av det, for eksempel permeabilitet, spesifikt overflateareal, porøsitet, etc. Basert på disse egenskapene kan det igjen trekkes konklusjoner om de geologiske forholdene for dannelsen av steinavsetninger. Det er derfor en av de første stadiene i studiet av sedimentære bergarter er granulometrisk analyse.
I henhold til resultatene fra analysen av den granulometriske sammensetningen av sand i kontakt med olje, velger de altså utstyr og arbeidsprosedyrer i oljefeltpraksis. Det hjelper å velge filtre for å hindre at sand kommer inn i brønnen. Mengden av leire og kolloid alt dispergerte mineraler i sammensetningen bestemmer prosessene for absorpsjon av ioner, samt graden av svelling av bergarter i vann.
Sedimentær analyse av granulometrisk sammensetning av bergarter
På grunn av det faktum at analysen av disperse systemer basert på prinsippene for sedimentasjon har en rekke begrensninger, gir ikke bruken i sin rene form for granulometriske studier av bergartssammensetning tilbørlig pålitelighet og nøyaktighet. I dag utføres det med moderne utstyr ved hjelp av dataprogrammer.
De tillater studier av steinpartikler fra startlaget, lar deg kontinuerlig registrere akkumuleringensediment, unntatt tilnærming ved ligninger, mål sedimentasjonshastigheten direkte. Og ikke mindre viktig, de tillater studiet av sedimentering av uregelmessig formede partikler. Prosentandelen av fraksjon av en eller annen størrelse bestemmes av datamaskinen, basert på den totale massen av prøven, noe som betyr at den ikke trenger å veies før analyse.
