Kärnan i analysmetoden för sedimentering är att mäta hastigheten med vilken partiklar sedimenterar (främst från ett flytande medium). Och med hjälp av värdena för sedimenteringshastigheten beräknas storlekarna på dessa partiklar och deras specifika ytarea. Denna metod bestämmer parametrarna för partiklar i många typer av dispergerade system, såsom suspensioner, aerosoler, emulsioner, det vill säga de som är utbredda och viktiga för olika industrier.
Begreppet spridning
En av de viktigaste tekniska parametrarna som kännetecknar ämnen och material i olika produktionsprocesser är deras finhet. Det tas med nödvändighet i beaktande vid valet av apparater för kemisk teknik, vid produktion av olika livsmedelsprodukter etc. Detta beror inte bara på det faktum att med en minskning av partiklarna av ämnen ökar fasernas ytarea och hastigheten för deras interaktion ökar, utan också på det faktum att vissa egenskaper hos systemet förändras i detta fall. I synnerhet ökar lösligheten, reaktiviteten ökarämnen minskar temperaturen på fasövergångar. Därför blev det nödvändigt att hitta kvantitativa egenskaper för spridningen av olika system och vid sedimentationsanalys.
Beroende på hur partikelstorlekarna i den dispergerade fasen är relaterade delas systemen in i monodispersa och polydispersa. De förra består uteslutande av partiklar av samma storlek. Sådana dispersa system är ganska sällsynta och i verkligheten är de mycket nära äkta monodispersa. Å andra sidan är den stora majoriteten av existerande dispersa system polydispersa. Det betyder att de består av partiklar som skiljer sig åt i storlek och att deras innehåll inte är detsamma. Under sedimentationsanalys av dispersa system bestäms storleken på partiklarna som bildar dem, följt av konstruktionen av deras storleksfördelningskurvor.
Teoretiska grunder
Sedimentering är processen för utfällning av partiklar som utgör den dispergerade fasen i gasformiga eller flytande medier under inverkan av gravitationen. Sedimentationen kan vändas om partiklar (droppar) flyter i olika emulsioner.
Gravity Fg som verkar på sfäriska partiklar kan beräknas med hjälp av den hydrostatiska korrektionsformeln:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, där ρ är materiens densitet; r är partikelradien; ρ0 – vätskedensitet; g - accelerationfritt fall.
Friktionskraften Fη, beskriven av Stokes lag, motverkar sedimentering av partiklar:
Fη=6 π η r ᴠsed, där ᴠsed är partikelhastigheten och η är vätskeviskositeten.
Vid någon tidpunkt börjar partiklarna sedimentera med konstant hastighet, vilket förklaras av att de motstående krafterna är lika Fg=Fη, vilket betyder att jämställdheten också är sann:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Genom att transformera den kan du få en formel som återspeglar förhållandet mellan partikelradien och dess sedimenteringshastighet:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Om vi tar hänsyn till att partiklarnas hastighet kan definieras som förhållandet mellan dess väg H och rörelsetiden τ, då kan vi skriva Stokes ekvation:
ᴠsat=N/t.
Då kan partikelns radie relateras till tiden för dess sedimentering med ekvationen:
r=K √N/t.
Det är dock värt att notera att en sådan teoretisk motivering av sedimentationsanalys kommer att vara giltig under ett antal villkor:
- Fast partikelstorlek bör vara mellan 10–5 till 10–2 se
- Partiklar måste vara sfäriska.
- Partiklar måste röra sig med konstant hastighet och oberoende av närliggande partiklar.
- Friktion måste vara ett internt fenomen i ett spridningsmedium.
På grund av att riktiga suspensioner ofta innehållerpartiklar som avsevärt skiljer sig i form från sfäriska introducerar begreppet ekvivalent radie för sedimentationsanalys. För att göra detta, ersätts radien för hypotetiska sfäriska partiklar gjorda av samma material som de verkliga i den studerade suspensionen och sedimenterar med samma hastighet i beräkningsekvationerna.
I praktiken är partiklar i dispergerade system heterogena i storlek, och huvuduppgiften för sedimentationsanalys kan kallas analys av partikelstorleksfördelning i dem. Med andra ord, under studiet av polydispersa system hittas det relativa innehållet av olika fraktioner (en uppsättning partiklar vars storlek ligger i ett visst intervall).
Funktioner för sedimentationsanalys
Det finns flera metoder för att utföra analyser av dispergerade system genom sedimentering:
- övervakar i ett gravitationsfält hastigheten med vilken partiklar sätter sig i en lugn vätska;
- suspensionsomrörning för efterföljande separering i fraktioner av partiklar av givna storlekar i en vätskestråle;
- separering av pulverformiga ämnen i fraktioner med vissa partikelstorlekar, utförd genom luftseparering;
- övervakning i ett centrifugalfält parametrarna för sättningar av starkt spridda system.
En av de mest använda är den första versionen av analysen. För dess implementering bestäms sedimentationshastigheten med någon av följande metoder:
- titta genom ett mikroskop;
- vägning av det ackumulerade sedimentet;
- bestämma koncentrationen av den dispergerade fasen under en viss period av sedimenteringsprocessen;
- mätning av hydrostatiskt tryck under sättningar;
- bestämma tätheten av suspensionen under avvecklingsperioden.
Fjädringskoncept
Suspensioner förstås som grova system bildade av en fast dispergerad fas, vars partikelstorlek överstiger 10-5 cm, och ett flytande dispersionsmedium. Suspensioner karakteriseras ofta som suspensioner av pulverformiga ämnen i vätskor. I själva verket är detta inte helt sant, eftersom uppslamningar är utspädda suspensioner. Partiklarna i den fasta fasen är kinetiskt oberoende och kan röra sig fritt i vätskan.
I riktiga (koncentrerade) suspensioner, ofta kallade pastor, interagerar fasta partiklar med varandra. Detta leder till bildandet av en viss rumslig struktur.
Det finns en annan typ av dispergerade system som bildas av fasta dispergerade faser och flytande dispersionsmedia. De kallas lyosoler. Men partikelstorleken är mycket mindre (från 10-7 till 10-5 cm). I detta avseende är sedimentering i dem obetydlig, men lyosoler kännetecknas av sådana fenomen som Brownsk rörelse, osmos och diffusion. Sedimentationsanalysen av suspensioner baseras på deras kinetiska instabilitet. Detta betyder att suspensioner kännetecknas av tidsvariabilitet för sådana parametrar som finhet och jämviktsfördelning av partiklar i ett dispersionsmedium.
Methodology
Sedimentationsanalys utförs med hjälp av en torsionsvåg med en foliekopp(diameter 1-2 cm) och ett högt glas. Innan analysen påbörjas vägs koppen i ett dispersionsmedium, doppas ner den i en fylld bägare och balanserar balansen. Tillsammans med detta mäts djupet av dess nedsänkning. Därefter tas koppen bort och läggs snabbt i ett glas med testsuspensionen, medan den ska hängas på balansbalkens krok. Samtidigt startar stoppuret. Tabellen innehåller data om massan av utfälld nederbörd vid godtyckliga tidpunkter.
| Tid från studiestart, s | Bägarens massa med sediment, g | Sedimentmassa, g | 1/t, c-1 | Sedimentationsgräns, g |
Använd tabelldata och rita en sedimenteringskurva på millimeterpapper. Massan av sedimenterade partiklar plottas längs ordinataaxeln och tiden plottas längs abskissaxeln. I det här fallet väljs en lämplig skala så att det är bekvämt att utföra ytterligare grafiska beräkningar.
Kurvanalys
I ett monodisperst medium kommer sedimenteringshastigheten för partiklar att vara densamma, vilket innebär att sedimenteringen kommer att kännetecknas av enhetlighet. Sedimentationskurvan i detta fall kommer att vara linjär.
Under sedimenteringen av en polydispers suspension (vilket sker i praktiken) skiljer sig partiklar av olika storlekar också i sedimenteringshastighet. Detta uttrycks på grafen i suddigheten av gränsen för sedimenteringsskiktet.
Sänkningskurvan bearbetas genom att dela upp den i flera segment och rita tangenter. Varje tangent kommer att karakterisera sättningen av en separatmonodispers del av suspensionen.
Allmän idé om partikelstorleksfördelning
Det kvantitativa innehållet av partiklar av en viss storlek i berget brukar kallas den granulometriska sammansättningen. Vissa egenskaper hos porösa medier beror på det, till exempel permeabilitet, specifik yta, porositet etc. Utifrån dessa egenskaper kan man i sin tur dra slutsatser om de geologiska förutsättningarna för bildandet av bergavlagringar. Det är därför ett av de första stegen i studiet av sedimentära bergarter är granulometrisk analys.
Således, enligt resultaten från analysen av den granulometriska sammansättningen av sand i kontakt med olja, väljer de utrustning och arbetsprocedurer i oljefältspraxis. Det hjälper att välja filter för att förhindra att sand kommer in i brunnen. Mängden lera och kolloid alt dispergerade mineraler i kompositionen bestämmer processerna för absorption av joner, såväl som graden av svällning av stenar i vatten.
Sedimentär analys av granulometrisk sammansättning av bergarter
På grund av det faktum att analysen av spridningssystem baserade på principerna för sedimentation har ett antal begränsningar, ger dess användning i sin rena form för granulometrisk studie av bergets sammansättning inte tillbörlig tillförlitlighet och noggrannhet. Idag utförs det med modern utrustning med hjälp av datorprogram.
De tillåter studier av stenpartiklar från startlagret, låter dig kontinuerligt registrera ackumuleringensediment, exklusive approximation med ekvationer, mät sedimentationshastigheten direkt. Och, inte mindre viktigt, de tillåter studiet av sedimenteringen av oregelbundet formade partiklar. Procentandelen fraktion av en eller annan storlek bestäms av datorn, baserat på provets totala massa, vilket innebär att det inte behöver vägas före analys.
