Essensen af sedimentationsanalysemetoden er at måle den hastighed, hvormed partikler bundfældes (hovedsageligt fra et flydende medium). Og ved hjælp af værdierne af bundfældningshastigheden beregnes størrelsen af disse partikler og deres specifikke overfladeareal. Denne metode bestemmer parametrene for partikler i mange typer disperse systemer, såsom suspensioner, aerosoler, emulsioner, det vil sige dem, der er udbredte og vigtige for forskellige industrier.
Begrebet spredning
En af de vigtigste teknologiske parametre, der karakteriserer stoffer og materialer i forskellige produktionsprocesser, er deres finhed. Det tages nødvendigvis i betragtning under udvælgelsen af apparater til kemisk teknologi, i produktionen af forskellige fødevareprodukter mv. Dette skyldes ikke kun det faktum, at med et fald i partiklerne af stoffer, stiger overfladearealet af faserne, og hastigheden af deres interaktion øges, men også det faktum, at nogle af systemets egenskaber ændres i dette tilfælde. Især øges opløseligheden, reaktiviteten øgesstoffer falder temperaturen på faseovergangene. Derfor blev det nødvendigt at finde kvantitative karakteristika for spredningen af forskellige systemer og i sedimentationsanalyse.
Afhængigt af hvordan partikelstørrelserne i den dispergerede fase er relateret, opdeles systemer i monodispers og polydispers. Førstnævnte består udelukkende af partikler af samme størrelse. Sådanne spredningssystemer er ret sjældne og er i virkeligheden meget tæt på ægte monodisperse. På den anden side er langt størstedelen af eksisterende disperse systemer polydisperse. Det betyder, at de består af partikler af forskellig størrelse, og deres indhold er ikke det samme. I løbet af sedimentationsanalyse af disperse systemer bestemmes størrelsen af de partikler, der danner dem, efterfulgt af konstruktionen af deres størrelsesfordelingskurver.
Teoretisk grundlag
Sedimentation er processen med udfældning af partikler, der udgør den dispergerede fase i gasformige eller flydende medier under påvirkning af tyngdekraften. Sedimentation kan vendes, hvis partikler (dråber) flyder i forskellige emulsioner.
Gravity Fg, der virker på sfæriske partikler, kan beregnes ved hjælp af den hydrostatiske korrektionsformel:
Fg=4/3 π r3 (ρ-ρ0) g, hvor ρ er tætheden af stof; r er partikelradius; ρ0 – væskedensitet; g - accelerationfrit fald.
Friktionskraften Fη, beskrevet af Stokes-loven, modvirker bundfældning af partikler:
Fη=6 π η r ᴠsed, hvor ᴠsed er partikelhastigheden, og η er væskens viskositet.
Partiklerne begynder på et tidspunkt at sætte sig ved en konstant hastighed, hvilket forklares med ligheden mellem de modsatrettede kræfter Fg=Fη, hvilket betyder, at ligheden også er sand:
4/3 π r3 (ρ-ρ0) g=6 π η r ·ᴠ sed. Ved at transformere den kan du få en formel, der afspejler forholdet mellem partikelradius og dens bundfældningshastighed:
r=√(9η/(2 (ρ-ρ0) g)) ᴠsed=K √ᴠ sed.
Hvis vi tager i betragtning, at partiklernes hastighed kan defineres som forholdet mellem dens vej H og bevægelsestidspunktet τ, så kan vi skrive Stokes-ligningen:
ᴠsat=N/t.
Så kan partiklens radius relateres til tidspunktet for dens aflejring ved ligningen:
r=K √N/t.
Det er dog værd at bemærke, at en sådan teoretisk begrundelse for sedimentationsanalyse vil være gyldig under en række betingelser:
- Størrelsen på faste partikler skal være mellem 10–5 til 10–2 se
- Partikler skal være sfæriske.
- Partikler skal bevæge sig med konstant hastighed og uafhængigt af nabopartikler.
- Friktion skal være et internt fænomen i et spredningsmedie.
På grund af det faktum, at rigtige suspensioner ofte indeholderpartikler, der adskiller sig væsentligt i form fra sfæriske, introducerer begrebet ækvivalent radius med henblik på sedimentationsanalyse. For at gøre dette erstattes radius af hypotetiske sfæriske partikler, der er lavet af det samme materiale som de reelle i den undersøgte suspension og sætter sig ved samme hastighed, ind i beregningsligningerne.
I praksis er partikler i dispergerede systemer heterogene i størrelse, og hovedopgaven med sedimentationsanalyse kan kaldes analysen af partikelstørrelsesfordelingen i dem. Med andre ord, under studiet af polydisperse systemer findes det relative indhold af forskellige fraktioner (et sæt partikler, hvis størrelse ligger i et bestemt interval).
Funktioner ved sedimentationsanalyse
Der er flere tilgange til at udføre analyser af spredte systemer ved sedimentering:
- overvågning i et gravitationsfelt af hastigheden, hvormed partikler sætter sig i en rolig væske;
- suspensionsomrøring til efterfølgende adskillelse i fraktioner af partikler af givne størrelser i en væskestråle;
- separation af pulverformige stoffer i fraktioner med visse partikelstørrelser, udført ved luftseparation;
- overvågning i et centrifugalfelt af parametrene for nedsynkning af stærkt spredte systemer.
En af de mest brugte er den første version af analysen. Til implementeringen bestemmes sedimentationshastigheden ved en af følgende metoder:
- ser gennem et mikroskop;
- vejning af det akkumulerede sediment;
- bestemmelse af koncentrationen af den dispergerede fase i en bestemt periode af bundfældningsprocessen;
- måling af hydrostatisk tryk under sænkning;
- bestemmelse af tætheden af suspensionen under afviklingsperioden.
Ophængskoncept
Suspensioner forstås som grove systemer dannet af en fast dispergeret fase, hvis partikelstørrelse overstiger 10-5 cm, og et flydende dispersionsmedium. Suspensioner karakteriseres ofte som suspensioner af pulveriserede stoffer i væsker. Faktisk er dette ikke helt sandt, da opslæmninger er fortyndede suspensioner. Partiklerne i den faste fase er kinetisk uafhængige og kan bevæge sig frit i væsken.
I ægte (koncentrerede) suspensioner, ofte kaldet pastaer, interagerer faste partikler med hinanden. Dette fører til dannelsen af en bestemt rumlig struktur.
Der er en anden type dispergerede systemer dannet af faste dispergerede faser og flydende dispersionsmedier. De kaldes lyosoler. Imidlertid er partikelstørrelsen meget mindre (fra 10-7 til 10-5 cm). I denne henseende er sedimentering i dem ubetydelig, men lyosoler er karakteriseret ved sådanne fænomener som Brownsk bevægelse, osmose og diffusion. Sedimentationsanalysen af suspensioner er baseret på deres kinetiske ustabilitet. Dette betyder, at suspensioner er karakteriseret ved tidsvariabilitet af sådanne parametre som finhed og ligevægtsfordeling af partikler i et dispersionsmedium.
Metode
Sedimentationsanalyse udføres ved hjælp af en torsionsvægt med en foliekop(diameter 1-2 cm) og et højt glas. Før analysen påbegyndes, vejes koppen i et dispersionsmedium, nedsænkes i et fyldt bægerglas og balancerer balancen. Sammen med dette måles dybden af dens nedsænkning. Herefter fjernes koppen og lægges hurtigt i et glas med testophænget, mens den skal hænges på krogen af balancebjælken. Samtidig starter stopuret. Tabellen indeholder data om massen af udfældet nedbør på vilkårlige tidspunkter.
| Tid fra studiestart, s | Koppets masse med bundfald, g | Masse af sediment, g | 1/t, c-1 | Sedimentationsgrænse, g |
Brug tabeldataene til at tegne en sedimentationskurve på millimeterpapir. Massen af bundfældede partikler er plottet langs ordinataksen, og tiden er plottet langs abscisseaksen. I dette tilfælde vælges en passende skala, så det er praktisk at udføre yderligere grafiske beregninger.
Kurveanalyse
I et monodisperst medium vil bundfældningshastigheden af partikler være den samme, hvilket betyder, at bundfældning vil være karakteriseret ved ensartethed. Sedimentationskurven i dette tilfælde vil være lineær.
Under bundfældningen af en polydispers suspension (hvilket sker i praksis), adskiller partikler af forskellig størrelse sig også i bundfældningshastighed. Dette udtrykkes på grafen i sløringen af grænsen for bundfældningslaget.
Sænkningskurven behandles ved at opdele den i flere segmenter og tegne tangenter. Hver tangent vil karakterisere nedsynkningen af en separatmonodispers del af suspensionen.
Generel idé om partikelstørrelsesfordeling
Det kvantitative indhold af partikler af en vis størrelse i bjergarten kaldes norm alt den granulometriske sammensætning. Nogle egenskaber ved porøse medier afhænger af det, for eksempel permeabilitet, specifikt overfladeareal, porøsitet osv. Ud fra disse egenskaber kan der til gengæld drages konklusioner om de geologiske forhold for dannelsen af stenaflejringer. Derfor er en af de første stadier i studiet af sedimentære bjergarter granulometrisk analyse.
I henhold til resultaterne af analysen af den granulometriske sammensætning af sand i kontakt med olie, vælger de således udstyr og arbejdsprocedurer i oliefeltspraksis. Det hjælper at vælge filtre for at forhindre sand i at trænge ind i brønden. Mængden af ler og kolloid-dispergerede mineraler i sammensætningen bestemmer processerne for absorption af ioner, såvel som graden af kvældning af sten i vand.
Sedimentær analyse af granulometrisk sammensætning af klipper
På grund af det faktum, at analysen af disperse systemer baseret på principperne for sedimentation har en række begrænsninger, giver dens anvendelse i sin rene form til granulometrisk undersøgelse af klippesammensætning ikke den nødvendige pålidelighed og nøjagtighed. I dag udføres det ved hjælp af moderne udstyr ved hjælp af computerprogrammer.
De tillader undersøgelse af stenpartikler fra startlaget, giver dig mulighed for kontinuerligt at registrere akkumuleringensediment, med undtagelse af tilnærmelse ved ligninger, mål sedimentationshastigheden direkte. Og ikke mindre vigtigt, de tillader studiet af sedimenteringen af uregelmæssigt formede partikler. Procentdelen af fraktioner af en eller anden størrelse bestemmes af computeren, baseret på prøvens samlede masse, hvilket betyder, at den ikke skal vejes før analyse.
